謝曉雨 陳顯灶 羅 瑩

（1.北京師范大學物理學系，北京 100875；2.北京師范大學未來教育高精尖創(chuàng)新中心，北京 100875；3.北京師范大學廈門海滄附屬學校，福建廈門 361026）

隨著《普通高中物理課程標準（2017年版）》的頒布，高中物理教學進入了以核心素養(yǎng)為標志的新時代，對教師更是提出了在教學過程中落實物理學科核心素養(yǎng)的新挑戰(zhàn).物理學科核心素養(yǎng)是通過對物理學科的學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力，［1］其中關(guān)鍵能力是物理學科領(lǐng)域內(nèi)處于核心地位、統(tǒng)領(lǐng)物理學習的能力，一直是中學物理教學的重點、難點.目前正在修訂的《義務(wù)教育課標》同樣也是圍繞著核心素養(yǎng)進行的，不論是高中還是初中的物理教師都面臨著如何在課堂教學中促進物理學科關(guān)鍵能力發(fā)展的新課題.因此，本文以初中物理密度教學為例，在概述物理學科關(guān)鍵能力的基礎(chǔ)上，通過確立基于物理學科關(guān)鍵能力的教學行為目標，探討在課堂教學中落實物理學科關(guān)鍵能力的解決之道，以期在初中物理教學中能夠有效促進學生物理學科關(guān)鍵能力發(fā)展.

1 物理學科關(guān)鍵能力的概述

20世紀80年代起，諸多研究者對與物理學科的思維方法、科學探究密切相關(guān)的物理學科能力進行了一系列研究，其中受到廣泛關(guān)注、具有代表性的研究有2個.文獻［2］于20世紀80年代從知識、技能和能力3者的關(guān)系出發(fā)，結(jié)合中學物理教學的目標和特點提出：中學物理教學中需注重培養(yǎng)5方面能力（觀察實驗能力、思維能力、分析與解決問題能力、自學能力和創(chuàng)造性思維能力）；［2］文獻［3］在20世紀末從廣義和狹義角度對物理能力進行了研究，指出廣義的物理能力是指順利進行并完成物理學研究任務(wù)的個性心理特征，狹義的物理能力是指物理學習中必然獲得發(fā)展的、直接影響個體完成相應(yīng)物理學習任務(wù)的心理特征.［3］這些對物理學科能力的研究對中學物理教學與實踐產(chǎn)生了重要影響.

伴隨著基礎(chǔ)教育圍繞核心素養(yǎng)展開歷程，21世紀10年代北京師范大學物理學科教育研究團隊通過對物理學科關(guān)鍵能力的內(nèi)涵及其活動表現(xiàn)框架的研究，將內(nèi)隱于學生頭腦中的能力外顯，提出了描述學習層次深度的物理學科關(guān)鍵能力模型.該模型具有學習理解A、應(yīng)用實踐B 和遷移創(chuàng)新C3個能力維度，表征3種不同層次的物理學習活動對應(yīng)的能力.每個能力維度中，都包含3個能力要素，描述對應(yīng)的能力維度下具有的表現(xiàn)行為，具體模型如圖1所示.［4］

圖1 物理學科關(guān)鍵能力的模型

圖1中的學習理解能力維度描述了學生在輸入物理知識時需具備的能力，具有觀察記憶A1、概括論證A2和關(guān)聯(lián)整合A3等3個能力要素，涵蓋了辨認物理現(xiàn)象、在實驗或生活中概括物理內(nèi)容和將物理內(nèi)容構(gòu)建聯(lián)系、進行整合等活動所需的能力，是描述將物理知識內(nèi)化為自身的知識體系的過程.應(yīng)用實踐能力維度描述了輸入物理知識后，對學生對物理知識進行應(yīng)用實踐的能力，是物理學習的低水平輸出過程，具有分析解釋B1、推論預測B2和綜合應(yīng)用B3等3個能力要素，涵蓋了在熟悉情境中運用單個或多個物理內(nèi)容進行分析、推測等活動所需的能力.遷移創(chuàng)新能力維度描述了學生將物理知識進行遷移、創(chuàng)新性應(yīng)用的能力，即物理學習的高水平輸出，具有直覺聯(lián)想C1、遷移與質(zhì)疑C2和構(gòu)建新模型C3等3個能力要素，描述將物理知識遷移至陌生情境中進行創(chuàng)造性應(yīng)用活動所需要的能力.

物理學科關(guān)鍵能力模型中3 個能力A、B、C維度，具有明確的層級關(guān)系.學習理解能力A 維度是基礎(chǔ).只有先學習物理概念和規(guī)律、完成物理知識的輸入后，才能進行物理學習的輸出.在熟悉情境中進行應(yīng)用知識的學習，能夠發(fā)展應(yīng)用實踐能力B維度.經(jīng)過應(yīng)用實踐融會貫通后，才能將物理知識遷移至陌生情境中解決新的、實際問題，能夠發(fā)展遷移創(chuàng)新能力C維度.

在每個能力維度中，能力要素的難度也是從1至3依次上升的.例如，在學習理解能力A 維度中，首先要從生活或?qū)嶒炛杏^察與物理相關(guān)的內(nèi)容，發(fā)展觀察記憶A1能力要素；然后從中概括出簡單的物理規(guī)律，發(fā)展概括論證A2能力要素；最后將多個物理內(nèi)容進行關(guān)聯(lián)和整合，發(fā)展關(guān)聯(lián)整合A3能力要素.

2 基于物理學科關(guān)鍵能力的教學行為目標的確立

目前，初中物理教學的教學目標常常采用知道、了解和理解等行為動詞描述對物理概念、規(guī)律要求的認知程度，不能明確地指向物理學科能力的發(fā)展要求.要想在課堂教學中實現(xiàn)促進物理學科關(guān)鍵能力發(fā)展的目的，就需要明確對物理學科關(guān)鍵能力發(fā)展的教學要求.由于物理學科關(guān)鍵能力模型能將內(nèi)隱的能力外顯為具體的行為表現(xiàn)，明確地表征出學生物理學科關(guān)鍵能力的發(fā)展情況，所以這些具體行為表現(xiàn)就能夠作為判斷學生物理學科關(guān)鍵能力發(fā)展狀態(tài)的標識.因此，通過物理學科關(guān)鍵能力模型與物理內(nèi)容的融合，就能得到基于物理學科關(guān)鍵能力的教學行為目標.這樣表述的教學目標，既能表達對物理內(nèi)容的要求程度，又能表征對關(guān)鍵能力發(fā)展狀況的要求，是對常規(guī)教學目標的一種提升.下面以初中物理課程中的密度概念為例，討論教學行為目標的確立.

要確立密度概念教學行為目標，需要3個步驟.首先，分析《義務(wù)教育課程標準（2011年版）》（以下簡稱《課標》）和初中物理教材，因為課堂的教學目標必須與《課標》和教材的要求保持一致.《課標》要求學生通過實驗理解密度，會測量固體和液體的密度，解釋生活中與密度有關(guān)的現(xiàn)象.教材中用3節(jié)完成《課標》要求，按照密度的概念、測量物質(zhì)的密度、密度與社會生活的順序展開教學.其次，依據(jù)對密度概念相關(guān)的課堂教學的觀察分析，以及對密度概念相關(guān)作業(yè)、期末考試和中考測評分析，找出與密度概念相關(guān)的學習行為表現(xiàn).這里特別要關(guān)注能夠反應(yīng)物理學科關(guān)鍵能力發(fā)展狀況的學習表現(xiàn).最后，基于上述兩方面的分析，采用學習行為表現(xiàn)的形式表述、按照能力要素撰寫并整理教學行為目標，獲得的密度概念的教學行為目標如表1所示.

表1 基于物理學科關(guān)鍵能力的密度教學行為目標

續(xù)表

3 指向物理學科關(guān)鍵能力發(fā)展的密度教學設(shè)計

教學設(shè)計的優(yōu)劣對課堂教學有決定性的影響，優(yōu)質(zhì)的教學設(shè)計是獲得高質(zhì)量課堂教學的前提.對密度概念，初中生在日常生活中有基本的感知，知道不同物體的致密程度不同，但難以將其與密度概念、符號和定義建立聯(lián)系.以密度作為工具，定量解釋物理問題和理解密度是物質(zhì)的屬性是教學的難點，教學中常常出現(xiàn)教師多次講解、學生仍不理解、學生死記硬背的現(xiàn)象.

綜合考慮課標、教材的要求和學情分析，選取了表1中的6條教學行為目標作為新授課密度概念的教學目標，以大概念的視角從關(guān)注概念整合出發(fā)組織教學，力圖在構(gòu)建密度概念的同時發(fā)展物理學科關(guān)鍵能力.密度概念的教學過程如圖2所示，其中含有了新課引入、密度概念構(gòu)建和學以致用3個教學環(huán)節(jié)，7個教學活動及其對應(yīng)的教學行為目標.

圖2 基于物理學科關(guān)鍵能力的密度教學過程

為能在課堂教學中扎扎實實地促進物理學科關(guān)鍵能力的發(fā)展，本研究引入“七線教學過程設(shè)計”，［5］從知識、前認知、情境、問題、教學活動、學生活動和發(fā)展點7 個方面展開教學過程設(shè)計，讓每個教學活動都能全方位地落實物理學科關(guān)鍵能力的教學行為目標.概括來說，基于物理學科關(guān)鍵能力的密度概念教學設(shè)計具有兩個方面的特點.

（1）依據(jù)物理學科關(guān)鍵能力的內(nèi)在邏輯，設(shè)計關(guān)鍵能力發(fā)展的課堂教學路徑，并借助教學行為目標將物理學科關(guān)鍵能力落實到每個教學活動.

圖2所展示的教學過程中的每個教學活動都有對應(yīng)的教學行為目標，做到了每個教學活動都有對應(yīng)的能力發(fā)展點，將物理學科關(guān)鍵能力的發(fā)展落實到了每個教學活動中.設(shè)計這一教學過程的步驟是：首先遵循物理內(nèi)容和物理學科關(guān)鍵能力內(nèi)在的邏輯關(guān)系，將教學行為目標進行排序，確定概念和能力的教學順序，得到如圖3 所示密度教學能力的發(fā)展線；然后將每個教學行為目標作為能力的發(fā)展點，展開一系列教學活動設(shè)計.每個教學活動都從“七線教學過程設(shè)計”的7個方面進行全方位地考量與設(shè)計，以保證教學行為目標（也是能力發(fā)展點）的達成.密度教學的能力發(fā)展路徑及其每個發(fā)展點對應(yīng)的教學活動，見圖3.

圖3 密度教學過程的能力發(fā)展路徑及其發(fā)展點對應(yīng)的教學活動

本設(shè)計為密度教學的新授課，教學的內(nèi)容重點是建構(gòu)密度概念，對應(yīng)的能力重點是培養(yǎng)物理學科關(guān)鍵能力的學習理解能力維度.圖3 中的能力發(fā)展路徑遵循了物理學科關(guān)鍵能力得先從學習輸入的學習理解維度，再到學習輸出的實踐應(yīng)用維度的學習順序，具體路徑是：從觀察記憶A1開始后，進行基于現(xiàn)象和實驗的概括論證A2，再到將新概念與已有的概念進行關(guān)聯(lián)整合A3，最后是分析解釋B1的實踐應(yīng)用評估學習結(jié)果.

在圖3中，通過課堂教學活動實現(xiàn)每個能力發(fā)展點，具體的教學過程是：①通過感受物體的致密程度活動1，幫助學生體會生活中不同物體的致密程度不同，建立致密程度與質(zhì)量、體積間的聯(lián)系，達成A1-1和A1-2的能力發(fā)展點；②借助探究實驗的活動2、3、4，讓學生依次經(jīng)歷明確探究問題、提出猜想與假設(shè)、實驗方案設(shè)計、實驗數(shù)據(jù)收集和實驗數(shù)據(jù)的處理等探究活動，幫助他們達成A2-1能力發(fā)展點；③活動5通過對實驗數(shù)據(jù)的深入分析構(gòu)建密度概念，同時也實現(xiàn)了A2-2能力發(fā)展點；④通過活動6對密度表的討論將密度的概念與物質(zhì)的一般屬性整合，以建立概念間關(guān)聯(lián)，達成A3-1能力發(fā)展點；⑤借助活動7密度在生活中的應(yīng)用，評估學習成果的輸出，達成B1-1能力發(fā)展點.

（2）通過實驗探究獲得構(gòu)建密度概念的數(shù)據(jù)證據(jù)，在構(gòu)建密度概念的同時發(fā)展物理學科關(guān)鍵能力的概括論證和關(guān)聯(lián)整合能力要素.

物理概念建立的過程離不開實驗探究，但由于實驗探究過程耗時長、開放度高，在初中物理課堂教學中常常將實驗探究用于規(guī)律課，很少用于概念課.圖2展示的教學設(shè)計，在活動3實驗方案設(shè)計與數(shù)據(jù)收集中將不易調(diào)整、學生操作耗時長的托盤天平換為電子天平以節(jié)約時間.在密度概念構(gòu)建環(huán)節(jié)，巧妙地將實驗作為構(gòu)建密度概念的主要情境，通過對實驗數(shù)據(jù)的深度挖掘來構(gòu)建密度概念，更是同時發(fā)展了概括論證A2和關(guān)聯(lián)整合A3能力要素.

圖4展示了基于實驗數(shù)據(jù)證據(jù)建立密度概念的3個層次.第1 層次是獲得建立密度概念的數(shù)據(jù)證據(jù).在活動4 中通過教師帶領(lǐng)學生先觀看數(shù)據(jù)表格，尋找物質(zhì)質(zhì)量與體積之間的規(guī)律，再觀察圖像確認上述結(jié)論的方式，讓學生意識到由同種物質(zhì)構(gòu)成的物體質(zhì)量與體積的比值是一個定值.第2 層次是基于數(shù)據(jù)證據(jù)，建立密度概念.建立密度概念的教學過程是一個論證為什么需要密度概念和密度是什么的過程，為發(fā)展概括論證A2能力要素提供了優(yōu)良的環(huán)境.在活動5 中將物體的m與其體積V的比值定義為密度，并解讀密度的物理意義、進行單位換算.第3 層級是概念整合，將密度整合至物質(zhì)大概念.在活動6 中，以密度表為工具，挖掘其中數(shù)據(jù)的含義，完成學生認知從特殊物質(zhì)（實驗所用的銅、鐵、鋁）具有密度至固、液、氣等所有物質(zhì)均具有密度的發(fā)展，將密度概念提升至一般物質(zhì)的屬性，引出“密度是物質(zhì)的一種屬性、描述的是物質(zhì)的致密程度”的概念，幫助學生將密度作為物質(zhì)的一個“標簽”，將其歸屬到物質(zhì)的一般屬性中.

圖4 活動4、5、6的教學過程設(shè)計

在這樣的教學過程中，實驗探究的數(shù)據(jù)成為了密度概念構(gòu)建的證據(jù)，用定量證據(jù)論證了密度概念構(gòu)建，借助密度表的分析推進了密度概念的發(fā)展；在對應(yīng)的課堂活動中，學生需要完成根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析概括m與V的關(guān)系、基于數(shù)據(jù)論證密度概念和建立密度與物質(zhì)屬性間關(guān)聯(lián)等活動；實現(xiàn)了在構(gòu)建密度概念同時發(fā)展了物理學科關(guān)鍵能力中的概括論證（A2）和關(guān)聯(lián)整合（A3）能力要素.

4 教學實踐結(jié)果評估

為評估教學實踐效果，研究團隊選取了不同地區(qū)的、教學經(jīng)驗和水平相似的兩名初中物理教師進行了課堂實踐.課堂教學觀察及其教學效果顯示：在基于物理學科關(guān)鍵能力的密度課堂中，師生交互活躍、學生能夠沉浸于教學情境，課堂注意力集中，參與度高.在探究實驗過程中表現(xiàn)出，學生能自主設(shè)計并進行實驗，依據(jù)教師提供的圖表能總結(jié)出實驗結(jié)論；課堂上學生緊跟教師的思路，構(gòu)建了密度概念且能解決相關(guān)的密度問題，很好地完成了教學目標.

研究團隊對密度概念理解和課堂投入度問題在課堂教學結(jié)束后進行了簡單的問卷調(diào)查.問卷采用李克特五點量表，回收有效樣本94 份，其結(jié)果如表2所示.

表2 課后問卷調(diào)查結(jié)果

表2 中的數(shù)據(jù)顯示，密度課堂教學后，超過70%的學生都能將密度歸屬到物質(zhì)的屬性中去，完全認識到密度能夠反映物質(zhì)的疏密程度，是物質(zhì)的一種屬性，可將其作為鑒別物質(zhì)的依據(jù)；沒有選擇不太認同或完全不認同的學生.同時，表2的數(shù)據(jù)也說明了課堂上學生注意力專注狀況，接近90%的學生表示這節(jié)課非常具有吸引力，幾乎全部學生都表示對此非常感興趣，沒有不感興趣和經(jīng)常走神的現(xiàn)象.

教學實踐的效果表明，通過精心的教學設(shè)計是能夠?qū)崿F(xiàn)在物理概念教學的同時發(fā)展物理學科關(guān)鍵能力的，其具體的途徑可概括為：基于物理學科關(guān)鍵能力將傳統(tǒng)教學目標提升為整合物理學科關(guān)鍵能力與物理內(nèi)容的教學行為目標；按照教學內(nèi)容和能力的內(nèi)在邏輯關(guān)系將教學行為目標排序，生成教學發(fā)展線；針對發(fā)展線設(shè)計教學活動，且將教學行為目標落實到每個教學活動中.