徐 承 翔

(溫州市教師教育院，浙江 溫州 325000)

發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)是當(dāng)前推進(jìn)基礎(chǔ)教育改革的重要內(nèi)容。核心素養(yǎng)導(dǎo)向下初中科學(xué)課程育人目標(biāo)追求從科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐、態(tài)度責(zé)任等方面體現(xiàn)學(xué)生通過科學(xué)課程學(xué)習(xí)后內(nèi)化的具有科學(xué)特性的品質(zhì)?？茖W(xué)觀念是科學(xué)素養(yǎng)中的關(guān)鍵內(nèi)容[1]，縱觀科學(xué)觀念的歷史演進(jìn)，可以發(fā)現(xiàn)科學(xué)觀念教育對學(xué)生自然觀、世界觀、人生觀的建立，創(chuàng)新精神的激發(fā)，批判性思維的形成，科學(xué)態(tài)度責(zé)任的培養(yǎng)等都具有重要作用。因此，科學(xué)觀念教育也是推進(jìn)核心素養(yǎng)導(dǎo)向下科學(xué)教育改革的重要內(nèi)容。筆者在初中科學(xué)教育實(shí)踐中，嘗試從培養(yǎng)學(xué)生“物質(zhì)和能量觀”方面進(jìn)行深入實(shí)踐研究，力求實(shí)現(xiàn)從知識為本到觀念建構(gòu)為本的教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展。

一、“物質(zhì)和能量觀”建構(gòu)的內(nèi)涵

科學(xué)觀念不是知識簡單的積累，而是學(xué)生對所學(xué)知識深度理解的基礎(chǔ)上提煉和概括出來的，是學(xué)生在多年后當(dāng)具體知識遺忘后保留在頭腦中的對事物的認(rèn)識或做出判斷和抉擇的依據(jù)。美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中提出“物質(zhì)與能量觀”是七個(gè)跨學(xué)科觀念之一?？鐚W(xué)科觀念可以認(rèn)為是所有科學(xué)領(lǐng)域中均可運(yùn)用的思維方式，是一種融合物理、化學(xué)、生物、工程等學(xué)科特點(diǎn)的思考方式，最終的核心價(jià)值是打破學(xué)科壁壘，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思想觀念和綜合素養(yǎng)。

《義務(wù)教育初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》(以下簡稱科學(xué)課標(biāo))中強(qiáng)調(diào)“注重自然科學(xué)中統(tǒng)一的概念和原理，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識自然界的內(nèi)在統(tǒng)一性，體現(xiàn)綜合性科學(xué)課程的課程性質(zhì)?！盵2]浙教版初中《科學(xué)》教材定位于綜合理科課程，在物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球與宇宙空間科學(xué)等領(lǐng)域均有“物質(zhì)”和“能量”的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容。如物理學(xué)科從機(jī)械能、電能、光能、勢能等能量形式與物質(zhì)的變化角度，體現(xiàn)物體間相互作用又遵循能量轉(zhuǎn)化與能量守恒?；瘜W(xué)學(xué)科中，認(rèn)識物體由物質(zhì)組成，物質(zhì)由微粒構(gòu)成；化學(xué)變化可以產(chǎn)生新物質(zhì)并伴隨能量變化，其本質(zhì)是原子的重新排列因而遵循質(zhì)量守恒定律；在生命科學(xué)領(lǐng)域中則更多考慮物質(zhì)與生物質(zhì)能、太陽能之間的關(guān)系，生物個(gè)體生命活動過程及生物圈生態(tài)系統(tǒng)中處處伴隨物質(zhì)和能量的流動、循環(huán)及轉(zhuǎn)化等。雖然不同學(xué)科對于能量的詮釋不完全相同，但都可以反映作為跨學(xué)科觀念的“物質(zhì)與能量觀”的流動思想、循環(huán)思想和守恒思想。

二、“物質(zhì)和能量觀”建構(gòu)的承載體系

分析浙教版初中《科學(xué)》教材和科學(xué)課標(biāo)，根據(jù)郭玉英教授提出的科學(xué)概念理解發(fā)展的層級模型，學(xué)生建構(gòu)“物質(zhì)和能量觀”可以分為經(jīng)驗(yàn)、映射、關(guān)聯(lián)、系統(tǒng)、整合等進(jìn)階層級(如表1所示)。[3]

表1 “物質(zhì)和能量觀”建構(gòu)的課標(biāo)和教材的承載體系

經(jīng)驗(yàn)階段，學(xué)生具有尚未相互關(guān)聯(lián)的經(jīng)驗(yàn)和零散的事實(shí)。如學(xué)生從“細(xì)胞”學(xué)習(xí)中接觸纖維素、二氧化碳、水等表示物質(zhì)的名詞，光能、熱能等表示能量的名詞，及細(xì)胞吸收營養(yǎng)而生長、生物會產(chǎn)生代謝廢物等一些零散的知識。

映射階段，學(xué)生初步建立事物具體特征與抽象術(shù)語之間的映射關(guān)系。如教材通過觀察蔗糖的系列活動，讓學(xué)生認(rèn)識到宏觀的物質(zhì)是由肉眼看不見的微觀粒子構(gòu)成；基于之前“細(xì)胞學(xué)說”的學(xué)習(xí)，認(rèn)識細(xì)胞也是由各種物質(zhì)組成的，由此讓學(xué)生體驗(yàn)生命也是物質(zhì)的觀念；通過物態(tài)變化系列實(shí)驗(yàn)，學(xué)生感知到吸熱、放熱現(xiàn)象，從而體驗(yàn)“能量”與“物質(zhì)”不同但又有相關(guān)性的概念。

關(guān)聯(lián)階段，學(xué)生能建立抽象術(shù)語與事物多個(gè)可觀測特征之間的關(guān)聯(lián)。如除物質(zhì)三態(tài)變化伴隨能量變化外，溶解過程中的能量變化、電磁學(xué)中電能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)化、生物體生命活動如體溫調(diào)節(jié)過程中物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)變等；系統(tǒng)學(xué)習(xí)物質(zhì)構(gòu)成的層級結(jié)構(gòu)；通過水循環(huán)初步認(rèn)識物質(zhì)循環(huán)的全球性等。

系統(tǒng)階段，學(xué)生能從系統(tǒng)層面上協(xié)調(diào)多要素結(jié)構(gòu)中各變量的自變與共變關(guān)系。從現(xiàn)象到本質(zhì)、從定性到定量、從個(gè)別到一般地深層次理解物質(zhì)的轉(zhuǎn)變、質(zhì)量守恒、物質(zhì)循環(huán)、能量的轉(zhuǎn)化和守恒等核心概念，逐步建構(gòu)“物質(zhì)和能量觀”。

整合階段，學(xué)生能統(tǒng)整科學(xué)核心概念對跨學(xué)科觀念的理解，是進(jìn)一步內(nèi)化階段。在“物質(zhì)和能量觀”的“流動思想、循環(huán)思想、守恒思想”引領(lǐng)下，設(shè)計(jì)或解釋“在生態(tài)系統(tǒng)中如何讓能量更多流向?qū)θ祟愑欣姆较颉槭裁从绖訖C(jī)是不可能制造的”等一些實(shí)際問題。

因此，在科學(xué)課標(biāo)統(tǒng)領(lǐng)下《科學(xué)》教材在編排上隱含導(dǎo)向“物質(zhì)和能量觀”建構(gòu)的線索。五個(gè)階段學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)階，每個(gè)階段都深化理解上一階段學(xué)習(xí)的同時(shí)也為下一階段學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

三、“物質(zhì)和能量觀”建構(gòu)的策略

1.注重核心概念的深層次理解以建構(gòu)“物質(zhì)和能量觀”

科學(xué)觀念的建構(gòu)不可能是空中樓閣，也不可能通過學(xué)習(xí)知識就能自發(fā)形成，而是需要學(xué)生積極主動探索，深層次理解所學(xué)知識和核心概念，在對知識深刻理解和遷移應(yīng)用中不斷概括、反思、提煉而建構(gòu)形成?？茖W(xué)觀念、核心概念和科學(xué)事實(shí)之間的關(guān)系可以用圖1表示。自下而上看，科學(xué)觀念是若干科學(xué)事實(shí)在學(xué)生頭腦中的提煉和升華，科學(xué)課程中核心概念及其所涵蓋的具體知識充實(shí)、發(fā)展著科學(xué)觀念的內(nèi)涵；自上而下看，科學(xué)觀念對科學(xué)事實(shí)又具有引領(lǐng)作用，它賦予科學(xué)概念、科學(xué)事實(shí)能動性和靈活性，讓科學(xué)知識和科學(xué)概念有效遷移和應(yīng)用。所以，需要對科學(xué)事實(shí)、科學(xué)概念深層次理解和學(xué)習(xí)以建構(gòu)科學(xué)觀念，而觀念的建構(gòu)又能反過來引領(lǐng)科學(xué)概念和科學(xué)知識深層次理解和應(yīng)用。

圖1 科學(xué)觀念、核心概念和科學(xué)事實(shí)之間的關(guān)系

如對“呼吸作用”的學(xué)習(xí)中，不能僅停留在事實(shí)性知識層面。生物體在氧氣參與下將體內(nèi)復(fù)雜的有機(jī)物分解為二氧化碳和水等簡單無機(jī)物，是化學(xué)變化、物質(zhì)轉(zhuǎn)變；同時(shí)將有機(jī)物中化學(xué)能轉(zhuǎn)化為生物體生命活動所需能量或轉(zhuǎn)化為熱能釋放，是能量轉(zhuǎn)化；還有，基于“物質(zhì)轉(zhuǎn)變和能量轉(zhuǎn)化”關(guān)聯(lián)一些重要概念，如“化學(xué)變化同時(shí)伴隨能量變化”。如“生命是物質(zhì)的”，因?yàn)樯顒又械幕瘜W(xué)變化與非生命活動的化學(xué)變化實(shí)質(zhì)是一致的，呼吸作用其實(shí)質(zhì)是氧化反應(yīng)，物質(zhì)在體內(nèi)的氧化反應(yīng)與物質(zhì)在體外的鐵生銹、木炭燃燒等都可納入氧化反應(yīng)都要放熱這一普遍規(guī)律中。如“物質(zhì)是循環(huán)的”，有機(jī)物來自光合作用將自然界中二氧化碳和水合成有機(jī)物，呼吸作用又將這些有機(jī)物分解為二氧化碳和水還回自然界，是碳循環(huán)、氧循環(huán)的部分環(huán)節(jié)。如“能量是轉(zhuǎn)化和流動的”，呼吸作用釋放的能量一部分以熱能形式散失，另一部分用于機(jī)體生命活動或機(jī)體的跑步、彈跳、勞作等機(jī)械運(yùn)動或其他能量消耗。上述是對重要概念的深層次理解，形成知識的互相關(guān)聯(lián)和引申出新的認(rèn)知和探索，不斷充實(shí)和發(fā)展“物質(zhì)和能量觀”這一跨學(xué)科觀念的內(nèi)涵，有利于學(xué)生建構(gòu)觀念。

2.注重事物和現(xiàn)象內(nèi)在科學(xué)統(tǒng)一性以內(nèi)化“物質(zhì)和能量觀”

愛因斯坦(1954)指出：“科學(xué)的目的，一方面是盡可能完整地理解所有感性經(jīng)驗(yàn)之間的聯(lián)系，另一方面是通過最少個(gè)數(shù)的基本概念和基本關(guān)系的使用來達(dá)到理解的目的。[4]科學(xué)的目的就是要找到紛繁復(fù)雜的大千世界里的各種事物和現(xiàn)象間的聯(lián)系、規(guī)律，再建構(gòu)科學(xué)理論，最終回答一些大問題，形成科學(xué)的核心觀念。“物質(zhì)和能量觀”是跨學(xué)科觀念，有物理、化學(xué)、生物和工程等學(xué)科概念，也有反映各學(xué)科之間有意義的聯(lián)系、能給學(xué)生提供一個(gè)將各學(xué)科關(guān)聯(lián)起來的組織架構(gòu)，因此科學(xué)教育中有意識引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注事實(shí)背后的科學(xué)內(nèi)在統(tǒng)一性，讓學(xué)生建立起理解世界的一致性的科學(xué)視角以內(nèi)化“物質(zhì)和能量觀”顯得非常重要。

借助科學(xué)史認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)及理解事物和現(xiàn)象內(nèi)在的科學(xué)統(tǒng)一性是內(nèi)化“物質(zhì)和能量觀”的有效途徑之一。如“電壓”概念對8年級學(xué)生來說抽象難理解，可以從“物質(zhì)和能量觀”建構(gòu)視角，并借助相關(guān)科學(xué)史資料、動手實(shí)踐活動、生活生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用等設(shè)計(jì)教學(xué)。學(xué)生從觀看科學(xué)史視頻——“‘一條蛙腿’引發(fā)的電生理學(xué)起源和電池發(fā)明”認(rèn)識了科學(xué)家研究“電”所經(jīng)歷的動物電、金屬電、化學(xué)電直到認(rèn)識伏打電堆，實(shí)際上是逐步接近產(chǎn)生“電”的科學(xué)實(shí)質(zhì)——物質(zhì)化學(xué)變化過程中釋放出來的能量。接著再用檸檬、橙子等做水果電池實(shí)現(xiàn)二極管、音樂賀卡正常工作，憑借物理學(xué)的電壓、電流使物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)外顯出來。該項(xiàng)實(shí)踐活動重復(fù)科學(xué)家發(fā)明電池的關(guān)鍵步驟，感受電能與聲能、光能等其他形式能的轉(zhuǎn)化，體悟物理、化學(xué)、生物等多學(xué)科的融會貫通，更深層次地理解物質(zhì)和能量觀作為跨學(xué)科觀念的內(nèi)涵。最后，通過認(rèn)識干電池、蓄電池、家庭照明電壓、三峽發(fā)電站發(fā)電電壓等實(shí)例，進(jìn)一步拓展認(rèn)識各種不同的電源中電能的產(chǎn)生及其輸出反映了不同的物質(zhì)轉(zhuǎn)變和能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。這樣通過實(shí)際生活生產(chǎn)中能量的流動、轉(zhuǎn)化和守恒，賦予了“電壓”這個(gè)抽象概念以具體、生動、真實(shí)的意義，而且在深層次理解概念的基礎(chǔ)上內(nèi)化“物質(zhì)和能量觀”，教學(xué)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 “物質(zhì)和能量觀”建構(gòu)視角設(shè)計(jì)“電壓”教學(xué)

3.注重學(xué)生知識結(jié)構(gòu)化過程以發(fā)展“物質(zhì)和能量觀”

美國國家研究理事會將學(xué)習(xí)進(jìn)階定義為：“學(xué)生在一段較長的時(shí)間跨度內(nèi)學(xué)習(xí)或研究某個(gè)主題時(shí)，其思維方式由新手向?qū)＜肄D(zhuǎn)變的、連續(xù)的、有層級的發(fā)展路徑的描述?！标P(guān)于新手與專家的研究方面，專家的知識往往是結(jié)構(gòu)化的，知識間存在豐富的聯(lián)系，并具有層次性。[5]科學(xué)觀念建構(gòu)建基于核心概念的認(rèn)知深化，而概念認(rèn)知深化還要基于學(xué)習(xí)進(jìn)階系統(tǒng)設(shè)計(jì)知識間的銜接以不斷促進(jìn)學(xué)生知識結(jié)構(gòu)化，發(fā)展學(xué)生認(rèn)知邏輯，從新手向?qū)＜肄D(zhuǎn)變，這樣能更有利于科學(xué)觀念的形成和發(fā)展。

例如，初中科學(xué)中“生態(tài)系統(tǒng)”內(nèi)容的學(xué)習(xí)是形成和發(fā)展“物質(zhì)和能量觀”的重要載體。依據(jù)課標(biāo)和教材，基于物質(zhì)和能量觀視角設(shè)計(jì)知識間的銜接及其內(nèi)在邏輯關(guān)系，促進(jìn)知識結(jié)構(gòu)化(如圖3所示)，以促進(jìn)“物質(zhì)和能量觀”科學(xué)觀念發(fā)展。

圖3 “生態(tài)系統(tǒng)”知識內(nèi)在邏輯關(guān)系

在教學(xué)過程中注重觀念引領(lǐng)下的教學(xué)設(shè)計(jì)，“生物與環(huán)境相適應(yīng)”模塊突出物質(zhì)和能量觀的基礎(chǔ)，即使學(xué)生具備物質(zhì)和能量影響生物生存，生物為獲取物質(zhì)和能量而存在競爭、捕食、互助、共生等關(guān)系的意識和觀念；在“種群和群落”模塊中，學(xué)生要進(jìn)一步理解種群不是簡單的生物群體，而是與環(huán)境物質(zhì)和能量發(fā)生相互作用的生物群體，因此菜市場內(nèi)的所有鯽魚就不能稱為一個(gè)種群等；“食物鏈和食物網(wǎng)”模塊更加深刻地體現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與其物質(zhì)循環(huán)、能量流動功能的支持和維系關(guān)系，以及與生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的維持與反饋關(guān)系。這樣的設(shè)計(jì)可以促進(jìn)學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)化，讓物質(zhì)和能量觀在學(xué)生頭腦中不斷發(fā)展完善。

從學(xué)習(xí)進(jìn)階的進(jìn)階變量和內(nèi)容看，包括知識進(jìn)階和能力進(jìn)階，不僅是學(xué)生所學(xué)知識從碎片化到結(jié)構(gòu)化的進(jìn)程設(shè)計(jì)，也是伴隨知識學(xué)習(xí)的能力發(fā)展進(jìn)程設(shè)計(jì)[6]，因此，需要同時(shí)注重伴隨知識學(xué)習(xí)的思維能力發(fā)展設(shè)計(jì)。例如，基于培養(yǎng)學(xué)生觀察與記錄、科學(xué)解釋、科學(xué)推理等科學(xué)探究技能與科學(xué)關(guān)鍵能力的發(fā)展，設(shè)計(jì)“制作一個(gè)生態(tài)瓶并探究生態(tài)瓶維持平衡的條件”的驅(qū)動性任務(wù)。學(xué)生需要從物質(zhì)和能量角度思考：密封的生態(tài)瓶中除陽光、熱能外其余物質(zhì)都無法進(jìn)入，瓶內(nèi)動植物如何獲得所需物質(zhì)？生態(tài)瓶內(nèi)動物、植物等個(gè)體數(shù)量該如何合理配置？如果柳條魚因生長而質(zhì)量增加，那么整個(gè)生態(tài)球的質(zhì)量是否變化？再如，基于培養(yǎng)學(xué)生識別與概括、分析、評價(jià)等能力的發(fā)展，設(shè)計(jì)一份科普寫作任務(wù)，要求：結(jié)合物質(zhì)和能量觀分析闡述“生物圈2號實(shí)驗(yàn)”中大氣和海水酸化、氧氣濃度降低、水循環(huán)失調(diào)、物種大量死亡等(選擇一個(gè)角度)發(fā)生的原因及變化趨勢，設(shè)想解決問題的可能方法及說明該方法的理論推理過程。

“物質(zhì)和能量觀”反映物質(zhì)和能量的循環(huán)、流動和守恒，學(xué)生在自己制作的生態(tài)瓶或生物圈2號等真實(shí)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際問題中，將他們對所學(xué)知識的反思感悟應(yīng)用于實(shí)踐，將蘊(yùn)含于具體知識、概念中的思想、觀點(diǎn)和方法等抽象概括出來應(yīng)用于實(shí)踐，則能強(qiáng)化學(xué)生對所學(xué)科學(xué)知識、思維方法的應(yīng)用，及在應(yīng)用過程中完善知識結(jié)構(gòu)化及能力提升，同時(shí)在問題解決中發(fā)展和完善科學(xué)觀念。

四、“物質(zhì)和能量觀”建構(gòu)的意義

“物質(zhì)和能量觀”對應(yīng)的是“當(dāng)事物發(fā)生變化或被改變時(shí)，會發(fā)生能量的轉(zhuǎn)化，但是在宇宙中能量的總量總是不變的”這一科學(xué)大概念。[7]周光召先生在《科學(xué)教育的原則和大概念》中文版序中強(qiáng)調(diào)：科學(xué)教育不應(yīng)該傳授給孩子們支離破碎、脫離生活的抽象理論和事實(shí)，而是應(yīng)當(dāng)慎重選擇一些重要的科學(xué)觀念，用恰當(dāng)、生動的教育方法，幫助孩子們建立一個(gè)完整的對世界的理解，初步形成科學(xué)態(tài)度，掌握科學(xué)方法，了解科學(xué)精神，構(gòu)建一個(gè)人健康協(xié)調(diào)發(fā)展的基礎(chǔ)。[7]而教師若能以科學(xué)大概念、科學(xué)觀念為引領(lǐng)設(shè)計(jì)教學(xué)，必然導(dǎo)向注重學(xué)科交叉融合、學(xué)習(xí)進(jìn)階、真實(shí)問題情境中問題解決等遷移應(yīng)用，從而有效促動教師教的方式變革，進(jìn)而帶動學(xué)生學(xué)的方式的變革，才有可能讓學(xué)為中心的課堂真正發(fā)生。

筆者認(rèn)為，以物質(zhì)和能量觀建構(gòu)導(dǎo)向下的教學(xué)設(shè)計(jì)思想符合周光召先生的倡導(dǎo)，吻合新教育時(shí)代下培養(yǎng)發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的理念。不管是“呼吸作用”“電壓”“生態(tài)系統(tǒng)”或是其他領(lǐng)域內(nèi)容的學(xué)習(xí)，都不局限于固化的知識點(diǎn)，而是借助這些載體，對物質(zhì)轉(zhuǎn)變、能量轉(zhuǎn)化、流動和守恒進(jìn)行分析、解釋，從而逐步讓學(xué)生認(rèn)識到他們所學(xué)的科學(xué)知識、進(jìn)行的科學(xué)活動與他們周圍的世界是有聯(lián)系的，可以幫助他們理解周圍的事物，從而使學(xué)生成為一名能有依據(jù)地進(jìn)行決策的公民。這應(yīng)該是當(dāng)今教師為核心素養(yǎng)下育人目標(biāo)的達(dá)成而必須具備的教學(xué)設(shè)計(jì)或?qū)嵤┑哪芰Α?/p>

浙教版初中《科學(xué)》教材定位于綜合理科課程，有著將跨學(xué)科觀念融入科學(xué)教育的優(yōu)勢。圍繞跨學(xué)科觀念和核心概念組織教學(xué)內(nèi)容，建構(gòu)統(tǒng)一的概念體系，設(shè)計(jì)合理的學(xué)習(xí)進(jìn)階，加強(qiáng)各學(xué)科知識間的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)在統(tǒng)一和助力學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的連貫發(fā)展，這將成為當(dāng)今教師不懈追求和努力的方向。