謝曉雨 陳顯灶 羅 瑩

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

隨著《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的頒布，高中物理教學(xué)進(jìn)入了以核心素養(yǎng)為標(biāo)志的新時(shí)代，對教師更是提出了在教學(xué)過程中落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的新挑戰(zhàn).物理學(xué)科核心素養(yǎng)是通過對物理學(xué)科的學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)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(xué)科領(lǐng)域內(nèi)處于核心地位、統(tǒng)領(lǐng)物理學(xué)習(xí)的能力，一直是中學(xué)物理教學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn).目前正在修訂的《義務(wù)教育課標(biāo)》同樣也是圍繞著核心素養(yǎng)進(jìn)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(xué)中促進(jìn)物理學(xué)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(xué)為例，在概述物理學(xué)科關(guān)鍵能力的基礎(chǔ)上，通過確立基于物理學(xué)科關(guān)鍵能力的教學(xué)行為目標(biāo)，探討在課堂教學(xué)中落實(shí)物理學(xué)科關(guān)鍵能力的解決之道，以期在初中物理教學(xué)中能夠有效促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科關(guān)鍵能力發(fā)展.

1 物理學(xué)科關(guān)鍵能力的概述

20世紀(jì)80年代起，諸多研究者對與物理學(xué)科的思維方法、科學(xué)探究密切相關(guān)的物理學(xué)科能力進(jìn)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(gè).文獻(xiàn)［2］于20世紀(jì)80年代從知識(shí)、技能和能力3者的關(guān)系出發(fā)，結(jié)合中學(xué)物理教學(xué)的目標(biāo)和特點(diǎn)提出：中學(xué)物理教學(xué)中需注重培養(yǎng)5方面能力（觀察實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、思維能力、分析與解決問題能力、自學(xué)能力和創(chuàng)造性思維能力）；［2］文獻(xiàn)［3］在20世紀(jì)末從廣義和狹義角度對物理能力進(jìn)行了研究，指出廣義的物理能力是指順利進(jìn)行并完成物理學(xué)研究任務(wù)的個(gè)性心理特征，狹義的物理能力是指物理學(xué)習(xí)中必然獲得發(fā)展的、直接影響個(gè)體完成相應(yīng)物理學(xué)習(xí)任務(wù)的心理特征.［3］這些對物理學(xué)科能力的研究對中學(xué)物理教學(xué)與實(shí)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(jì)10年代北京師范大學(xué)物理學(xué)科教育研究團(tuán)隊(duì)通過對物理學(xué)科關(guān)鍵能力的內(nèi)涵及其活動(dòng)表現(xiàn)框架的研究，將內(nèi)隱于學(xué)生頭腦中的能力外顯，提出了描述學(xué)習(xí)層次深度的物理學(xué)科關(guān)鍵能力模型.該模型具有學(xué)習(xí)理解A、應(yīng)用實(shí)踐B 和遷移創(chuàng)新C3個(gè)能力維度，表征3種不同層次的物理學(xué)習(xí)活動(dòng)對應(yīng)的能力.每個(gè)能力維度中，都包含3個(gè)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(xué)科關(guān)鍵能力的模型

圖1中的學(xué)習(xí)理解能力維度描述了學(xué)生在輸入物理知識(shí)時(shí)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(gè)能力要素，涵蓋了辨認(rèn)物理現(xiàn)象、在實(shí)驗(yàn)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(jìn)行整合等活動(dòng)所需的能力，是描述將物理知識(shí)內(nèi)化為自身的知識(shí)體系的過程.應(yīng)用實(shí)踐能力維度描述了輸入物理知識(shí)后，對學(xué)生對物理知識(shí)進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐的能力，是物理學(xué)習(xí)的低水平輸出過程，具有分析解釋B1、推論預(yù)測B2和綜合應(yīng)用B3等3個(gè)能力要素，涵蓋了在熟悉情境中運(yùn)用單個(gè)或多個(gè)物理內(nèi)容進(jìn)行分析、推測等活動(dòng)所需的能力.遷移創(chuàng)新能力維度描述了學(xué)生將物理知識(shí)進(jìn)行遷移、創(chuàng)新性應(yīng)用的能力，即物理學(xué)習(xí)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(gè)能力要素，描述將物理知識(shí)遷移至陌生情境中進(jìn)行創(chuàng)造性應(yīng)用活動(dòng)所需要的能力.

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

在每個(gè)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(xué)習(xí)理解能力A 維度中，首先要從生活或?qū)嶒?yàn)中觀察與物理相關(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(gè)物理內(nèi)容進(jìn)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(xué)科關(guān)鍵能力的教學(xué)行為目標(biāo)的確立

目前，初中物理教學(xué)的教學(xué)目標(biāo)常常采用知道、了解和理解等行為動(dòng)詞描述對物理概念、規(guī)律要求的認(rèn)知程度，不能明確地指向物理學(xué)科能力的發(fā)展要求.要想在課堂教學(xué)中實(shí)現(xiàn)促進(jìn)物理學(xué)科關(guān)鍵能力發(fā)展的目的，就需要明確對物理學(xué)科關(guān)鍵能力發(fā)展的教學(xué)要求.由于物理學(xué)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(xué)生物理學(xué)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(xué)生物理學(xué)科關(guān)鍵能力發(fā)展?fàn)顟B(tài)的標(biāo)識(shí).因此，通過物理學(xué)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(xué)科關(guān)鍵能力的教學(xué)行為目標(biāo).這樣表述的教學(xué)目標(biāo)，既能表達(dá)對物理內(nèi)容的要求程度，又能表征對關(guān)鍵能力發(fā)展?fàn)顩r的要求，是對常規(guī)教學(xué)目標(biāo)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(xué)行為目標(biāo)的確立.

要確立密度概念教學(xué)行為目標(biāo)，需要3個(gè)步驟.首先，分析《義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》（以下簡稱《課標(biāo)》）和初中物理教材，因?yàn)檎n堂的教學(xué)目標(biāo)必須與《課標(biāo)》和教材的要求保持一致.《課標(biāo)》要求學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)理解密度，會(huì)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(biāo)》要求，按照密度的概念、測量物質(zhì)的密度、密度與社會(huì)生活的順序展開教學(xué).其次，依據(jù)對密度概念相關(guān)的課堂教學(xué)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(xué)習(xí)行為表現(xiàn).這里特別要關(guān)注能夠反應(yīng)物理學(xué)科關(guān)鍵能力發(fā)展?fàn)顩r的學(xué)習(xí)表現(xiàn).最后，基于上述兩方面的分析，采用學(xué)習(xí)行為表現(xiàn)的形式表述、按照能力要素撰寫并整理教學(xué)行為目標(biāo)，獲得的密度概念的教學(xué)行為目標(biāo)如表1所示.

表1 基于物理學(xué)科關(guān)鍵能力的密度教學(xué)行為目標(biāo)

續(xù)表

3 指向物理學(xué)科關(guān)鍵能力發(fā)展的密度教學(xué)設(shè)計(jì)

教學(xué)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣對課堂教學(xué)有決定性的影響，優(yōu)質(zhì)的教學(xué)設(shè)計(jì)是獲得高質(zhì)量課堂教學(xué)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(hào)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(xué)的難點(diǎn)，教學(xué)中常常出現(xiàn)教師多次講解、學(xué)生仍不理解、學(xué)生死記硬背的現(xiàn)象.

綜合考慮課標(biāo)、教材的要求和學(xué)情分析，選取了表1中的6條教學(xué)行為目標(biāo)作為新授課密度概念的教學(xué)目標(biāo)，以大概念的視角從關(guān)注概念整合出發(fā)組織教學(xué)，力圖在構(gòu)建密度概念的同時(shí)發(fā)展物理學(xué)科關(guān)鍵能力.密度概念的教學(xué)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(xué)以致用3個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，7個(gè)教學(xué)活動(dòng)及其對應(yīng)的教學(xué)行為目標(biāo).

圖2 基于物理學(xué)科關(guān)鍵能力的密度教學(xué)過程

為能在課堂教學(xué)中扎扎實(shí)實(shí)地促進(jìn)物理學(xué)科關(guān)鍵能力的發(fā)展，本研究引入“七線教學(xué)過程設(shè)計(jì)”，［5］從知識(shí)、前認(rèn)知、情境、問題、教學(xué)活動(dòng)、學(xué)生活動(dòng)和發(fā)展點(diǎn)7 個(gè)方面展開教學(xué)過程設(shè)計(jì)，讓每個(gè)教學(xué)活動(dòng)都能全方位地落實(shí)物理學(xué)科關(guān)鍵能力的教學(xué)行為目標(biāo).概括來說，基于物理學(xué)科關(guān)鍵能力的密度概念教學(xué)設(shè)計(jì)具有兩個(gè)方面的特點(diǎn).

（1）依據(jù)物理學(xué)科關(guān)鍵能力的內(nèi)在邏輯，設(shè)計(jì)關(guān)鍵能力發(fā)展的課堂教學(xué)路徑，并借助教學(xué)行為目標(biāo)將物理學(xué)科關(guān)鍵能力落實(shí)到每個(gè)教學(xué)活動(dòng).

圖2所展示的教學(xué)過程中的每個(gè)教學(xué)活動(dòng)都有對應(yīng)的教學(xué)行為目標(biāo)，做到了每個(gè)教學(xué)活動(dòng)都有對應(yīng)的能力發(fā)展點(diǎn)，將物理學(xué)科關(guān)鍵能力的發(fā)展落實(shí)到了每個(gè)教學(xué)活動(dòng)中.設(shè)計(jì)這一教學(xué)過程的步驟是：首先遵循物理內(nèi)容和物理學(xué)科關(guān)鍵能力內(nèi)在的邏輯關(guān)系，將教學(xué)行為目標(biāo)進(jìn)行排序，確定概念和能力的教學(xué)順序，得到如圖3 所示密度教學(xué)能力的發(fā)展線；然后將每個(gè)教學(xué)行為目標(biāo)作為能力的發(fā)展點(diǎn)，展開一系列教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì).每個(gè)教學(xué)活動(dòng)都從“七線教學(xué)過程設(shè)計(jì)”的7個(gè)方面進(jìn)行全方位地考量與設(shè)計(jì)，以保證教學(xué)行為目標(biāo)（也是能力發(fā)展點(diǎn)）的達(dá)成.密度教學(xué)的能力發(fā)展路徑及其每個(gè)發(fā)展點(diǎn)對應(yīng)的教學(xué)活動(dòng)，見圖3.

圖3 密度教學(xué)過程的能力發(fā)展路徑及其發(fā)展點(diǎn)對應(yīng)的教學(xué)活動(dòng)

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

在圖3中，通過課堂教學(xué)活動(dòng)實(shí)現(xiàn)每個(gè)能力發(fā)展點(diǎn)，具體的教學(xué)過程是：①通過感受物體的致密程度活動(dòng)1，幫助學(xué)生體會(huì)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(dá)成A1-1和A1-2的能力發(fā)展點(diǎn)；②借助探究實(shí)驗(yàn)的活動(dòng)2、3、4，讓學(xué)生依次經(jīng)歷明確探究問題、提出猜想與假設(shè)、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理等探究活動(dòng)，幫助他們達(dá)成A2-1能力發(fā)展點(diǎn)；③活動(dòng)5通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的深入分析構(gòu)建密度概念，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了A2-2能力發(fā)展點(diǎn)；④通過活動(dòng)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(dá)成A3-1能力發(fā)展點(diǎn)；⑤借助活動(dòng)7密度在生活中的應(yīng)用，評估學(xué)習(xí)成果的輸出，達(dá)成B1-1能力發(fā)展點(diǎn).

（2）通過實(shí)驗(yàn)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(shí)發(fā)展物理學(xué)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(shí)驗(yàn)探究，但由于實(shí)驗(yàn)探究過程耗時(shí)長、開放度高，在初中物理課堂教學(xué)中常常將實(shí)驗(yàn)探究用于規(guī)律課，很少用于概念課.圖2展示的教學(xué)設(shè)計(jì)，在活動(dòng)3實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)收集中將不易調(diào)整、學(xué)生操作耗時(shí)長的托盤天平換為電子天平以節(jié)約時(shí)間.在密度概念構(gòu)建環(huán)節(jié)，巧妙地將實(shí)驗(yàn)作為構(gòu)建密度概念的主要情境，通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的深度挖掘來構(gòu)建密度概念，更是同時(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證據(jù)建立密度概念的3個(gè)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(dòng)4 中通過教師帶領(lǐng)學(xué)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(rèn)上述結(jié)論的方式，讓學(xué)生意識(shí)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(gè)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(xué)過程是一個(gè)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(dòng)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(jìn)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(dòng)6 中，以密度表為工具，挖掘其中數(shù)據(jù)的含義，完成學(xué)生認(rèn)知從特殊物質(zhì)（實(shí)驗(yàn)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(xué)生將密度作為物質(zhì)的一個(gè)“標(biāo)簽”，將其歸屬到物質(zhì)的一般屬性中.

圖4 活動(dòng)4、5、6的教學(xué)過程設(shè)計(jì)

在這樣的教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)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(jìn)了密度概念的發(fā)展；在對應(yīng)的課堂活動(dòng)中，學(xué)生需要完成根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(dòng)；實(shí)現(xiàn)了在構(gòu)建密度概念同時(shí)發(fā)展了物理學(xué)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(xué)實(shí)踐結(jié)果評估

為評估教學(xué)實(shí)踐效果，研究團(tuán)隊(duì)選取了不同地區(qū)的、教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和水平相似的兩名初中物理教師進(jìn)行了課堂實(shí)踐.課堂教學(xué)觀察及其教學(xué)效果顯示：在基于物理學(xué)科關(guān)鍵能力的密度課堂中，師生交互活躍、學(xué)生能夠沉浸于教學(xué)情境，課堂注意力集中，參與度高.在探究實(shí)驗(yàn)過程中表現(xiàn)出，學(xué)生能自主設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，依據(jù)教師提供的圖表能總結(jié)出實(shí)驗(yàn)結(jié)論；課堂上學(xué)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(xué)目標(biāo).

研究團(tuán)隊(duì)對密度概念理解和課堂投入度問題在課堂教學(xué)結(jié)束后進(jìn)行了簡單的問卷調(diào)查.問卷采用李克特五點(diǎn)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(xué)后，超過70%的學(xué)生都能將密度歸屬到物質(zhì)的屬性中去，完全認(rèn)識(shí)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(rèn)同或完全不認(rèn)同的學(xué)生.同時(shí)，表2的數(shù)據(jù)也說明了課堂上學(xué)生注意力專注狀況，接近90%的學(xué)生表示這節(jié)課非常具有吸引力，幾乎全部學(xué)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(xué)實(shí)踐的效果表明，通過精心的教學(xué)設(shè)計(jì)是能夠?qū)崿F(xiàn)在物理概念教學(xué)的同時(shí)發(fā)展物理學(xué)科關(guān)鍵能力的，其具體的途徑可概括為：基于物理學(xué)科關(guān)鍵能力將傳統(tǒng)教學(xué)目標(biāo)提升為整合物理學(xué)科關(guān)鍵能力與物理內(nèi)容的教學(xué)行為目標(biāo)；按照教學(xué)內(nèi)容和能力的內(nèi)在邏輯關(guān)系將教學(xué)行為目標(biāo)排序，生成教學(xué)發(fā)展線；針對發(fā)展線設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，且將教學(xué)行為目標(biāo)落實(shí)到每個(gè)教學(xué)活動(dòng)中.