沈 強

(紹興市越城區(qū)孫端中學(xué),浙江紹興 312000)

《科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》的理念中遵循“少而精”的原則來聚焦學(xué)科核心概念,基于學(xué)生的認(rèn)知水平來科學(xué)安排學(xué)習(xí)進階.[1]以概念、規(guī)律和定律的理解為基礎(chǔ),在探究中提升科學(xué)思維,在實踐中培養(yǎng)態(tài)度責(zé)任,形成正確的科學(xué)觀念.概念是大腦在感覺、知覺和表象的基礎(chǔ)上對感性材料進行去粗取精、去偽存真、由此及彼、由表及里的思維加工的產(chǎn)物,而科學(xué)概念是組成科學(xué)知識的基本元素,它的內(nèi)涵和外延包含了客觀事物的共同屬性或本質(zhì)特征.如果在教學(xué)設(shè)計中能注重概念發(fā)展層級的評估和躍遷,那么在核心概念驅(qū)動的過程中更能體悟到跨學(xué)科概念的真諦,發(fā)現(xiàn)和建構(gòu)概念體系之間的關(guān)聯(lián)與整合.

1 指向素養(yǎng)的促進概念理解的學(xué)習(xí)模型

科學(xué)課程培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng).主要體現(xiàn)在逐步形成適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展所需要的正確價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力.強化在學(xué)生的整體性與整合性,是三維目標(biāo)的提煉與升華.[2]通過核心概念驅(qū)動來促進概念建構(gòu)和轉(zhuǎn)變,適時完成動態(tài)概念的躍遷,這是實現(xiàn)核心素養(yǎng)的重要路徑(見圖1).我們應(yīng)基于整合的觀念,在深化探究實踐中關(guān)注思維的融合.

圖1 指向素養(yǎng)的促進概念理解的學(xué)習(xí)模型

我們應(yīng)遵循促進概念理解的“整體性”“層次性”和“精細化”3個特征.[3]具體體現(xiàn)如下:整體性是把概念的各構(gòu)成要素看作一個有機整體,從相互作用的關(guān)系中揭示規(guī)律,從整體上去認(rèn)識概念的要素、內(nèi)涵、外延、例證和前概念;層次性是根據(jù)學(xué)生現(xiàn)有的認(rèn)知水平和知識經(jīng)驗來評估概念發(fā)層級,在概念理解中安排由淺入深、由表及里、由易到難的進階原則,形成有序的概念表征和結(jié)構(gòu)體系;精細化體現(xiàn)在概念能遷移到真實的問題情景中,在“從生活走向科學(xué),從科學(xué)走向社會”的過程中順應(yīng)和納入原有的認(rèn)知框架,豐富科學(xué)概念的內(nèi)涵和外延,從而促進概念的持續(xù)理解與遷移應(yīng)用.

2 促進理解的實施策略和行動路徑

科學(xué)作為一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科,在實證過程中涉及定性研究和定量測量相融合.“測量”是探究實驗中獲得數(shù)據(jù)實證的科學(xué)方法,是與觀察緊密關(guān)聯(lián)的實驗操作技能.例如初中科學(xué)有長度、體積、時間、質(zhì)量、電流、電壓等單項測量;也有密度、電阻、電功、電功率、風(fēng)、濕度等的組合測量;更有蘊含“測量”的項目化學(xué)習(xí):測力計、密度計、風(fēng)速儀、空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)、地球儀等與測量相關(guān)的項目化制作;縱觀科學(xué)史中也不乏測量的典型范例,如阿基米德關(guān)于浮力、帕斯卡等人測量大氣壓強的探究實踐.所以“測量”不但是概念教學(xué)視角下的一個核心技能,更是能促進學(xué)生來理解和遷移的大概念.所以對“測量”的概念教學(xué)可以分別從概念層面、操作技能和大概念的視角出發(fā),這樣有利于測量技能的動手操作,組合測量的遷移領(lǐng)悟,以及項目化學(xué)習(xí)的物化應(yīng)用.

2.1 聚焦整體:基于整合觀念的核心概念驅(qū)動

2022年科學(xué)課標(biāo)中以4個跨學(xué)科概念和13個核心概念來整體架構(gòu)中小學(xué)科學(xué)的概念體系,在事實證據(jù)和一般概念習(xí)得的過程中,激發(fā)零星的惰性知識,通過問題、議題、主題、任務(wù)、項目、情境及探究等多種方式來逐步建構(gòu)和發(fā)展完整的知識體系.“測量”作為“實驗與觀察”中的基本技能,也是“推理解釋”的證據(jù)來源,掌握“測量”這個基本的科學(xué)方法,有利于發(fā)展初步的探究實踐能力.

案例1.“測量”概念的“教—學(xué)—評”一致性理解.

教學(xué)環(huán)節(jié).測量的概念是“一個待測量與公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)進行比較的過程”.從測量這個概念的表面言語可以提取“待測量”“公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)”這兩個名詞,以及“比較”這個動作.“待測量”是我們需要定量研究的對象,“公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)”是大家認(rèn)同的、統(tǒng)一的測量標(biāo)準(zhǔn),而“比較”就是測量的過程與方法.

“測量”的內(nèi)涵包括從測量的估算,然后根據(jù)估算和需求選擇合適的測量工具,而測量范圍、最小刻度和零刻度作為測量儀器的三要素,決定了測量過程中的難易及精確程度.雖然不同的測量儀器有不同的注意點和要求,但對視線的看法及讀寫規(guī)則有著共同的表征.“測量”的外延是從工程物化的角度制作測量儀器時,從測量儀器的材料和原理的選擇,從劃分區(qū)域到確定起點,從標(biāo)定到刻畫來確定測量范圍和最小刻度,以及特殊功能的特定結(jié)構(gòu).

學(xué)生活動.提供生活中熟悉的物品來測量各個科學(xué)量,分別從直接測量和間接測量來熟悉測量儀器的使用方法,如表1所示.

表1

評價方式.在測量過程中由于錯誤和誤差會形成“偏大”“偏小”類問題,有些是由于讀數(shù)時視線沒有與刻度垂直的問題,有些是刻度沒有與被測物體緊貼的問題,有些是標(biāo)定的物體出現(xiàn)偏差的問題.當(dāng)然我們遇到的一些習(xí)題中由于測量范圍和最小刻度的標(biāo)定差異也會產(chǎn)生不同的讀數(shù)差異.以常規(guī)的溫度計和長度的習(xí)題為例.

例1.有一支溫度計的刻度不準(zhǔn),將此溫度計在1 atm下放入冰水混合物中,示數(shù)是-2℃;放在1 atm下的沸水中示數(shù)是98℃.若將溫度計放在室內(nèi)空氣中示數(shù)是26℃,則室內(nèi)空氣的實際溫度是

(A)25℃. (B)28℃.

(C)24℃. (D)以上結(jié)論都不對.

解析:如圖2所示,表示出準(zhǔn)確的讀數(shù)和不準(zhǔn)確的讀數(shù)的對應(yīng)關(guān)系,由于準(zhǔn)確的刻度和不準(zhǔn)確的刻度都是均勻的,所以對應(yīng)的長度是成正比的,可以列出比例式為解得x=28;所以選項(B)正確.

圖2

例2.某同學(xué)用一把刻度均勻的米尺量得一物體長0.980 m,之后發(fā)現(xiàn)這把尺比標(biāo)準(zhǔn)米尺長了0.002 m,則該物體的實際長度為

(A)1.000 m.(B)0.982 m.

(C)1.020 m.(D)0.978 m.

解析:如圖3所示,表示出準(zhǔn)確的讀數(shù)和不準(zhǔn)確的讀數(shù)的對應(yīng)關(guān)系,由于準(zhǔn)確的刻度和不準(zhǔn)確的刻度都是均勻的,所以對應(yīng)的長度是成正比的,可以列出比例式:,解得x=1.002×0.98=0.982,所以選項(B)正確.

圖3

崔允漷教授提到:所謂“教—學(xué)—評”一致性是指在所有以學(xué)生為主體的教學(xué)活動中,教師的教、學(xué)生的學(xué)以及評價手段和結(jié)果都應(yīng)當(dāng)具有統(tǒng)一性、相關(guān)性、一致性,而其一致性表現(xiàn)為都需要指向根據(jù)精確分解課標(biāo)和深入洞悉學(xué)情而預(yù)設(shè)的學(xué)習(xí)目標(biāo),不管是教學(xué)活動進行,還是評價任務(wù)執(zhí)行,都是基于學(xué)習(xí)目標(biāo)出發(fā).[4]以教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)實踐和教學(xué)評價中的一致化,在課堂教學(xué)中不斷以評價反饋來體現(xiàn)學(xué)生學(xué)的狀況,將教學(xué)評3者緊密圍繞科學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng).以核心概念為驅(qū)動,在整合的觀念下的教學(xué)評一致化的實踐,有利于打破學(xué)科間的藩籬,建構(gòu)出能逐步完善和發(fā)展的概念體系.

2.2 層級進階:深化探究實踐的概念理解達成

不同的學(xué)段、不同的學(xué)習(xí)階段對概念的理解有不同的要求.新課過程中更多的是將事實和經(jīng)驗轉(zhuǎn)化成一般科學(xué)概念,而在復(fù)習(xí)時在占據(jù)科學(xué)概念的基礎(chǔ)上,可以慢慢領(lǐng)悟核心概念和跨學(xué)科概念.選取蘊含真實科學(xué)問題的真實情景,將概念、規(guī)律和定理在探究實踐中逐步領(lǐng)悟“大概念”的真諦,螺旋式地完成概念發(fā)展層級的進階.宏觀把握大概念之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系.形成科學(xué)觀念.[5]“測量”在新課教學(xué)中是舉例和方法的初步認(rèn)識,在復(fù)習(xí)階段就不能單純的機械重復(fù).需要在原有基本規(guī)律的基礎(chǔ)上去探究挖掘“測量”的基本要素和通識性步驟,便于有機會演繹到新測量儀器的制作.

“黑箱”是指內(nèi)部結(jié)構(gòu)機理不能或不便直接觀察的事物或系統(tǒng),可以通過外部觀察和實驗,來認(rèn)識其功能特性或推測其可能的結(jié)構(gòu)模式.[4]科學(xué)研究中的宏觀事物需要我們拓展視野,微觀事物需要通過輸入來表達其本質(zhì),很多科學(xué)規(guī)律也像黑箱一樣,不能直接觀察全部和打破其中顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu).我們構(gòu)造“黑箱”為研究載體,采用“黑箱方法”為探究實踐的研究手段,從局部的特征來分析和歸納儀器中的基本要素.

案例2.“黑箱”中的“測量儀器”.

師:每4個同學(xué)為一組,分到一個“黑箱”,從黑箱中可以看到刻度的一部分(如圖4所示),請根據(jù)觀察到的局部特征,然后猜測是什么測量儀器?

圖4 黑箱實驗及各種方式的部分特征

第1組:不應(yīng)該是量杯,量杯的上下面積不同,所以刻度是不均勻的.測量量和變化量成正比才會均勻;再觀察刻度旁的信息.應(yīng)該是水平橫向放置的儀器,很可能是刻度尺.

第2組:看到刻度旁的數(shù)字是這樣排列的,測量時應(yīng)該是豎直放置的儀器,很可能是量筒.

第3組:看到刻度旁的數(shù)字是這樣排列的,測量時應(yīng)該是豎直放置的儀器,有零上和零下的測量范圍,可能是溫度計.

第4組:觀察到數(shù)字上方有小金屬塊,應(yīng)該是托盤天平上的橫梁標(biāo)尺.

設(shè)計意圖.根據(jù)從刻度是否均勻、有無零刻度、刻度與數(shù)字是否垂直這些特征來逐步逐層分類激活學(xué)生認(rèn)知中的測量三要素.這次采用黑箱的策略有點像“盲人摸象”,通過感受局部特征來推測整體,這樣有利于激發(fā)學(xué)生探究的熱情和增強創(chuàng)新意識,提升學(xué)生的科學(xué)思維品質(zhì).

從初步了解長度、體積、溫度和質(zhì)量的測量方法,到組合質(zhì)量和體積來測量密度.測量的大概念體現(xiàn)在“大容量”和“大視野”.“大容量”體現(xiàn)在科學(xué)教學(xué)以長度測量為基礎(chǔ),到面積、體積、密度、浮力等相關(guān)測量,每一次的應(yīng)用都強化了測量的認(rèn)知體系.“大視野”是看到即“測量的關(guān)鍵是確定度量單位,因為單位是將整體轉(zhuǎn)化為部分,使之成為可測量和可比較的統(tǒng)一工具”.[6]例如“相對原子質(zhì)量”的概念的理解,從“原子的質(zhì)量太小,表達和計算都很不方便”產(chǎn)生認(rèn)知沖突,引入逆向遷移“太陽系中,太陽和8大行星之間的距離都比較遠,采用了日地平均距離1.5×108km為一個天文單位長度,表達就方便”的案例示范,從而啟發(fā)尋找合適“標(biāo)準(zhǔn)”的本質(zhì).帶著測量的整體圖景,從測量概念中抽離出的“定標(biāo)準(zhǔn)”“整體與部分”等精髓要素,對理解物理的機械效率、化學(xué)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)、生物的顯微鏡放大倍數(shù)、地理中的比例尺等相關(guān)內(nèi)容都有積極作用.

2.3 理解精細:關(guān)注思維融合的動態(tài)概念躍遷

概念理解的精細化主要體現(xiàn)在將概念遷移到各類真實情境中,將學(xué)生原有的概念理解更加豐富、具體,不斷能與自己的經(jīng)驗建立起緊密的聯(lián)系.并依托分類、類比、舉例、推理論證、解釋應(yīng)用等思維活動,通過項目化學(xué)習(xí)的“做中學(xué)”和“物化迭代”的方式,將新概念順應(yīng)和納入原有的概念體系.

案例3.“制作地球儀”中的“測量”.

茫茫大海和深山老林中,我們?nèi)绾蝸矶ㄎ?地球儀作為表示地球和地球表面地理狀況的模型,在制作過程中如何來定量表示(如表2所示)?

表2 基于“測量”理念的制作地球儀的項目化設(shè)計

新概念的習(xí)得與項目化學(xué)習(xí)方式的融合已經(jīng)成為當(dāng)今科學(xué)教學(xué)的一種方式,選取核心概念作為項目化的精神內(nèi)核,在項目化的“做中學(xué)”中不斷體悟,在動腦動手中深化理解概念的含義.通過這種內(nèi)化結(jié)合的持續(xù)作用,在這類真實情景中的真實問題和需求,不斷驅(qū)動探索實踐.測量中我們提取“不同的標(biāo)度”與“刻度比例”相結(jié)合,例如有浮力知識的密度計,彈簧性質(zhì)的彈簧測力計,滑動變阻器的測風(fēng)儀和油量表,液體熱脹冷縮的溫度計,通電導(dǎo)體在磁場中受力作用的電流表和電壓表.我們也可以設(shè)計制作更精密測量長度的簡易游標(biāo)卡尺,或者能直接測量電阻阻值的歐姆表.在實踐中不斷體驗和驗證工具刻度的均勻性,嘗試用數(shù)學(xué)工具來推導(dǎo)證明,并利用類比遷移等思維進一步設(shè)計和物化成果,讓不同的項目化學(xué)習(xí)直指“測量”概念,讓思維的融合不斷推動概念發(fā)展層級的躍遷.

3 指向素養(yǎng)的概念體系發(fā)展的意義

3.1 有利于形成結(jié)構(gòu)化的認(rèn)知體系

促進概念的深層理解是在理解課程結(jié)構(gòu)化的基礎(chǔ)上實施的,例如“物質(zhì)的特性”分別從物質(zhì)的微觀構(gòu)成、質(zhì)量概念的“物質(zhì)多少”、密度概念的“物質(zhì)疏密”、比熱容概念的“物質(zhì)吸放熱的能力”、三態(tài)變化體現(xiàn)的“熔點和沸點”等多維度展開.在定義“密度”的概念,先通過比較相同的體積測量出質(zhì)量不同,或者比較相同的質(zhì)量測量出體積不同,但遇到體積和質(zhì)量都不相同的物體比較時,通過測量出質(zhì)量和體積,并且采用比值計算的方式去理解密度是物質(zhì)的疏密程度的體現(xiàn).有序漸進的課程結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)知識關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)化、認(rèn)識思路結(jié)構(gòu)化、核心觀念結(jié)構(gòu)化的有效途徑.[7]

3.2 有利于促進科學(xué)探究能力發(fā)展

概念的螺旋形理解是在不斷的科學(xué)探究中深化,科學(xué)探究作為科學(xué)學(xué)習(xí)的基本學(xué)習(xí)方式和手段,使學(xué)生模仿科學(xué)家式的思考,學(xué)生在真實的問題情境中,容易共鳴并產(chǎn)生強烈的探究興趣.概念發(fā)展能級能遵循“單點—映射—關(guān)聯(lián)—系統(tǒng)—整合”的發(fā)展,[8]對事物的思維遵循“建構(gòu)模型-解構(gòu)模型-評價模型-發(fā)展模型-運用模型”的提升.概念的領(lǐng)悟過程就是對未知事物和模型的探究過程,對概念深度理解的過程有利于科學(xué)探究的步驟的熟悉,科學(xué)探究能力的提升.

3.3 有利于核心素養(yǎng)內(nèi)涵相互融合

科學(xué)的核心素養(yǎng)是對科學(xué)思維、探究實踐、態(tài)度責(zé)任、科學(xué)觀念的融合表達,在習(xí)得概念、規(guī)律和定理的過程中,采用探究實踐的方式,往往會運用比較與分類、控制變量與轉(zhuǎn)換、分析與綜合、歸納與演繹等科學(xué)方法,培養(yǎng)建模、推理和創(chuàng)新等科學(xué)思維,形成的科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任,形成物質(zhì)、能量、結(jié)構(gòu)、功能等大概念、科學(xué)本質(zhì)及STSE認(rèn)識的科學(xué)觀念,培育擔(dān)當(dāng)正確的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任,并能通過任務(wù)驅(qū)動來解決實際問題.這類整合式進階教學(xué)能真實描述和總結(jié)認(rèn)知發(fā)展,并能對核心素養(yǎng)發(fā)展的軌跡作精確描述.[9]