基于學習進階理論的概念教學
——以浙教版初中科學“大氣的壓強”一課為例

許宇偉 何沂琳

(杭州師范大學附屬未來科技城學校,浙江 杭州 311100)

美國基礎教育階段科學學業成就評價委員會在2004年向美國國家研究理事會提交的報告中第一次正式提出學習進階.學習進階是對學生連貫且逐漸深入的思維方式的假定描述,在一個適當的時間跨度下,學生學習和探究某一重要的知識或者實踐領域時,其思維方式逐漸進階.[1]學科核心概念是組織整合學科自身內容的少數關鍵概念,也是學生科學認識發展的核心.從概念進階角度進行學科核心概念的教學是建構物理核心概念的有效途徑.在教學時可先確定物理概念的進階起點與終點,然后分析確定學科核心概念學習的路徑.基于這一方法,嘗試圍繞大氣的壓強這一核心概念利用學習進階理論進行教學設計,有利于深化學生對這一核心概念的理解和掌握,進一步提升學生的思維水平.

1 核心概念學習進階的構建

1.1 確定進階維度

《義務教育科學課程標準(2022年版)》提出基于學生的認知水平和知識經驗,科學安排學習進階,形成有序結構.在學習內容上應由淺入深、由表及里、由易到難,注重從簡單到綜合,將學習內容和學習活動有機整合,規劃螺旋上升的教學內容,形成有序遞進的教學設計結構.

新課標將初中科學課程劃分13個學科核心概念,是所有學生在義務教育階段應該掌握的科學課程的核心內容.“大氣的壓強”概念屬于“物質的運動與相互作用”學科核心概念,由于天氣變化與大氣壓有關,浙教版教材將此內容安排在8年級上冊第2章“天氣與氣候”第3節“大氣的壓強”,編者試圖打通各領域概念“隔閡”,實現從“大氣的壓強”到“天氣與氣候變化”的概念進階.與大氣壓強相關的核心概念是“壓強”,固體壓強、液體壓強、大氣壓強、浮力等概念都由這個核心概念衍生,其中固體壓強和液體壓強的內容被教材編入7年級下冊第3章“運動和力”.“大氣的壓強”一節內容包含大氣壓的存在及特點、大氣壓的大小及測定、大氣壓的生活應用3個部分.通過分析教材內容,將本節的概念圖呈現為圖1.圖1清晰地展示了“大氣的壓強”這一核心概念所包含的次級概念和事實性知識.通過追蹤學生在這些進階維度上的理解水平可以了解其對核心概念“大氣壓強”的學習進程.

圖1 “大氣的壓強”概念圖

1.2 劃分進階水平

完整的學習進階一般包括進階終點、進階維度、多個相互關聯的不同層級的成就水平、各水平的預期表現以及測評工具.[2]基于學習進階理論進行教學設計時,首先,我們要明確學習進階中“進”與“階”的含義.學習進階的“進”,指的是學習前進的方向,而“階”則指在學生認知過程中的“關鍵點”.其次,我們要清楚各個“階”之間的聯系.沿著學習前進的方向,在學習的起點與目標之間存在著多個“階”.這些相鄰“階”之間的連接路徑,就是一條條微觀的學習路徑.而自起點到目標之間連接起來的總的路徑就是學生在一節課、一個單元或一個綜合模塊內的具體學習路徑.第三,基于學習進階教學的關鍵是教師通過設置各個“階”來突破學生認知中的重點與難點.因此教學中需要做好以下3點:(1) 確定起點與終點;(2) 劃分認知過程中的各個“階”;(3) 設置學習路徑將相鄰的“階”層聯系起來.

1.2.1 進階起點分析

進階起點是指學生在學習新的知識時已有的知識.郭玉英等提出的科學概念理解發展的層級模型將學生對科學概念的理解劃分為經驗、映射、關聯及整合4個層級,即學生科學概念的習得經歷了由簡單到抽象的過程(如表1).根據學生科學概念理解由簡到繁的過程,可將學習進階劃分為4個階段,分別對應科學概念理解發展的層級模型中的經驗、映射、關聯和整合.確定進階水平的劃分標準后,接下來要對核心概念每個進階維度包含的一般概念和事實性知識進行進階水平的劃分.

表1 科學概念理解的發展層級模型[3]

1.2.2 預設學習過程中的“階”

大氣壓強與前面所學的固體壓強、液體壓強一起構成了一個相對完整的知識體系.在學習大氣壓強之前,學生已經建立了“壓強”的概念,能夠對液體壓強大小進行簡單的比較.但由于氣體看不見、摸不著,學生生活在空氣中,卻并沒有感覺到大氣壓強的存在.因此教學通過實驗手段讓學生感知大氣壓強的存在,可以降低認知難度,促進學生科學概念的形成.對于大氣壓的測量,通過由淺入深的問題設置,降低托里拆利實驗原理的認識難度.讓學生在實驗過程中親身體驗和自主思考,引導學生受力分析,構建力學知識體系,關注學生的思維進階.本節課的重點是科學概念的描述,注重探究過程的體驗,重視實際生活的應用.具體科學概念及表現層級描述如表2所示.

表2 “大氣壓強”的進階水平層次

2 根據學習進階進行核心概念的教學設計

2.1 根據學習進階分析教學內容和學情

依據對“大氣壓強”的教學內容與核心概念,結合對8年級學生的學情分析,可以確定學生的現有認知水平:由于生活經驗與學習經驗,知道大氣壓強的存在,但對于大氣壓強的特點、大小、測量方式不太清楚,也不能運用大氣壓強的科學知識解釋生活中常見現象.

在課堂需要掌握的核心知識為:大氣壓強的存在與特點、大氣壓強的大小與測量、應用大氣壓強相關知識解釋生活中的常見現象.概括總結經驗豐富的一線教師的訪談結果可知,在學習過程中學生容易遇見以下問題:

① 能夠從生活中一些常見的現象感受到大氣壓強的存在,但難以運用科學知識解釋這些現象.

② 能夠理解托里拆利實驗的原理,但依據該原理難以再設計其他方案粗略測量大氣壓強.

③ 能夠利用大氣壓強的相關知識對靜態的現象進行解釋,但對于動態、連續的過程解釋起來較為困難.

通過以上分析,可將最終的教學目標分解細化,逐步引導學生完善知識地圖;并能清晰地呈現學生在每個學習階段應該達到的認知目標,同時幫助教師更深入地了解學生的學習情況.

2.2 根據學習進階設計教學過程

學習進階能呈現學生學習概念時經歷的典型路徑,幫助學生正確地構建科學的知識網絡.學習進階中相鄰進階水平之間存在逐級深入和完善的關系,就像一級一級階梯,逐步走向最終的教學目標.教師在教學中,利用合適的教學策略,設計具體的教學步驟和學習活動,幫助學生從一個“最近發展區”到達另一個“最近發展區”,最終幫助學生形成對核心概念的深入理解.因此根據學習進階分析核心概念,能使教學過程具有明顯的主線,呈現由簡到難的連續過程.本文依據教材內容與學情分析,確定學習進階起點,依據課程標準的要求與學習進階的模型對教材內容進行重構,確定本堂課的3個核心概念知識:大氣壓強的存在及特點、大氣壓強的大小與測量、應用大氣壓強知識解釋生活中的常見現象,并針對核心知識分別設計3個學習進階模型發展層級模型,教學過程及教學策略選擇如圖2所示.

圖2 “大氣的壓強”教學過程

2.2.1 從具象到抽象的概念教學策略

經驗階段(E).教師為學生表演空碗取水的魔術,激發學生對大氣壓強存在的思考,以此為學生學習的起點,引入新課.

映射階段(M).該階段旨在以事實性的現象,定性地體現大氣壓強的存在.學生利用生活中常見的掛鉤、注射器、玻璃杯與玻璃片,設計簡易的實驗,利用“掛鉤吸附在瓷磚上難以拔出”“注射器排盡空氣后,堵住注射器口,活塞難以拉出”“覆杯實驗”3個顯著的現象證明大氣壓強的存在,并改變上述3個實驗的方向以得出大氣壓強較大、空氣內部各個方向都有壓強的特點.

關聯階段(R).該階段從現象層面上升到理論層面,要求學生能利用科學知識解釋剛剛設計的實驗以證明大氣壓強的存在.學生利用已有的知識經驗,對上述現象的利用二力平衡、運動狀態、形變3個角度進行分析,從事實上升到理論,從定性到定量,證明大氣壓強的存在,并用科學的語言歸納出大氣壓強的含義.

整合階段(I).本階段要求學生從“解題者”上升到“命題者”,從理論層面再下沉到實踐層面.總結歸納上述3個實驗的共同點,總結出以上裝置均形成了“低壓”“密閉”的環境,并利用力的作用效果顯著地體現大氣壓強的存在及其特點,并利用已有的知識嘗試解釋生活中利用大氣壓強的常見現象,如海洋生物的吸盤.

2.2.2 從定性到定量的概念教學策略

經驗階段(E).經過核心知識一的學習后,學生已經對大氣壓強的存在及其特點有了一定的認知.學生完成馬德堡半球模擬實驗,利用顯著的感官體驗,定性得出大氣壓強很大的事實經驗.

映射階段(M).教師結合科學史的講解,還原馬德堡半球的實驗,學生通過受力分析,用科學的語言解釋該現象的原理,教師出示“十六匹馬才能拉開”的事實證據,定量體現大氣壓強很大的事實.

關聯階段(R).該階段基于以上學生對于大氣壓強很大的現象的定性與定量的了解,逐步上升到破解“大氣壓強有多大?”的謎團.學生利用托里拆利的模擬實驗,以水柱的高度直觀地表示出大氣壓強的大小,并利用已有知識經驗,理解該實驗裝置的原理,估算大氣壓強大小的實際數值.學生依據汞柱的高度、密度等數據,計算得出大氣壓強大小的準確數值.

整合階段(I).該階段從理論層面下沉實際實驗.學生利用注射器設計簡易的實驗方案,粗略測定大氣壓強的大小,對前幾個環節所學習的知識經驗進行綜合與鞏固,并將計算所得的數據與精確的數值進行對比,思考誤差來源.最后,教師介紹目前常用的水銀氣壓計與空盒氣壓計,拓展學生的知識儲備.

2.2.3 從抽象到實踐的概念教學策略

經驗階段(E).教師演示滴管取水,引發學生利用大氣壓強相關知識思考該現象的成因.

映射階段(M).該階段旨在利用大氣壓強相關科學知識定性分析滴管取水的過程.學生利用洗耳球與玻璃管模擬放大滴管取水的現象,使得實驗過程更加顯著.利用前面總結歸納出能證明大氣壓強存在的裝置的共同特點,解釋這個過程.

關聯階段(R).教師邀請一位學生上臺,利用吸管喝一口杯中牛奶.學生依據力學相關知識,并類比之前總結的滴管取水的原理,解釋吸管吸取液體的現象.學生頭腦風暴,思考“為什么吸到后面,越來越費力”的現象,將這個動態的過程與科學原理關聯,并思考如何解決這個問題如:在頂部開一個透氣孔保持牛奶瓶內的氣壓與外界相等.

整合階段(I).教師展示一個水閥不斷漏水的視頻,并拿出用管子、珠子、紗布制作的模型,讓學生感受連續取水的現象.學生綜合上述總結的管道內取水例子的原理,思考這個連續取水的動態過程,既拓展了學生的認知,也促進了學生利用科學知識解決實際問題的能力.

3 結語

本文依據大氣壓強相關知識概念提出3條概念教學策略,有助于學生將學習目標分解細化,在每一階段的教學中選擇合適的學習方法,循序漸進,引導學生達到潛在的發展水平,逐步從進階起點走向終點.