中學(xué)生物理概念理解能力的進(jìn)階設(shè)計(jì)
——以浮力概念為例

丁建楠

(咸陽市西咸新區(qū)秦漢中學(xué) 陜西 咸陽 712000)

1 引言

學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)提到的“關(guān)鍵能力”是整個(gè)基礎(chǔ)教育階段培養(yǎng)工作的關(guān)鍵點(diǎn).能力一詞既是當(dāng)代教育研究術(shù)語同時(shí)也出現(xiàn)在心理學(xué)上.目前得到廣泛認(rèn)可的能力的概念則是德國著名心理學(xué)家弗朗茨·維納特給出的:“個(gè)體自身具備的或通過學(xué)習(xí)掌握的、可用以成功且負(fù)責(zé)任的解決問題的知識(shí)、技巧、態(tài)度、意志和社交手段.”[1]在我國，教育心理學(xué)領(lǐng)域的學(xué)者對(duì)能力與各學(xué)科學(xué)習(xí)的融合——即學(xué)科能力的構(gòu)建，也在不斷地進(jìn)行研究，同時(shí)也取得了階段性成果.在新一輪的初高中課程改革工作中，很明顯在生物、物理、化學(xué)等學(xué)科中注重以科學(xué)思維為主的學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng).

物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)首先是物理觀念的構(gòu)建，因此學(xué)生要掌握學(xué)科核心概念.近年來，學(xué)科核心概念成為中外科學(xué)教育研究的熱點(diǎn)問題之一.學(xué)科核心概念是學(xué)生科學(xué)認(rèn)識(shí)發(fā)展的核心.美國《新一代科學(xué)教育框架》中提到，學(xué)科核心概念指該學(xué)科最高度概括、最具代表性的概念，在不同的學(xué)段都具有學(xué)習(xí)與探究的意義，是該學(xué)科的主干部分.通過對(duì)這些概念的掌握，學(xué)生能夠搭建起該學(xué)科的發(fā)展體系，領(lǐng)悟該學(xué)科的本質(zhì).相比于學(xué)科中眾多而又散亂存在的事實(shí)或技能，掌握學(xué)科核心概念能很大程度上減輕學(xué)生的認(rèn)知負(fù)擔(dān)，幫助學(xué)生更深入地探索更重要的觀點(diǎn)和規(guī)律，了解更復(fù)雜的觀念，建構(gòu)學(xué)科體系，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科學(xué)的整體認(rèn)識(shí)[2].“學(xué)習(xí)進(jìn)階”是指學(xué)生在某個(gè)學(xué)段探究某一主題的過程中，所遵循的連貫的、逐漸深入的思維路徑的描述.就像蓋房子一樣，在不同的學(xué)段和課程標(biāo)準(zhǔn)的要求下，學(xué)生盡全能所能蓋起的房子高度.一旦教師對(duì)核心概念的學(xué)習(xí)進(jìn)階處理得不好，就會(huì)導(dǎo)致學(xué)生對(duì)核心概念的理解不到位，從而影響整個(gè)學(xué)科的學(xué)習(xí).

2 中學(xué)物理概念理解能力的進(jìn)階

在整個(gè)中學(xué)物理學(xué)習(xí)階段，有大量的瑣碎的物理現(xiàn)象和物理事實(shí)，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)任務(wù)繁重而又凌亂.其實(shí)物理學(xué)是由事實(shí)、概念、規(guī)律與方法構(gòu)成的系統(tǒng)化理論體系，本身具有內(nèi)在統(tǒng)一性.因此學(xué)生要學(xué)好物理，首先需要教師在物理教學(xué)中應(yīng)該選擇并圍繞“少而精”的學(xué)科核心概念進(jìn)行教學(xué).概念學(xué)習(xí)的深入是一個(gè)進(jìn)階過程，隨著學(xué)科核心概念的學(xué)習(xí)進(jìn)階而分階段進(jìn)行.在這里采用我國學(xué)者在層級(jí)復(fù)雜度和知識(shí)整合等認(rèn)知理論的基礎(chǔ)上提出的科學(xué)概念理解發(fā)展的層級(jí)模型，如表1所示[3].

表1 科學(xué)概念理解發(fā)展的層級(jí)模型

3 浮力概念理解能力的進(jìn)階設(shè)計(jì)

以初中物理蘇科版“浮力”概念教學(xué)為例，浮力概念在整個(gè)初中物理中是比較重要且偏難的知識(shí).在課程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)浮力概念有著這樣的要求：通過實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)浮力；探究浮力大小與哪些因素有關(guān)；知道阿基米德原理，運(yùn)用物體的沉浮條件說明生產(chǎn)、生活中的一些現(xiàn)象.基于課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，按照層級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)浮力概念知識(shí)進(jìn)行梳理，利用問題的方式，得到浮力概念理解體系分析如表2所示.

表2 浮力概念理解體系分析表

教師在課前用浮力概念理解體系分析表對(duì)學(xué)生進(jìn)行測評(píng)，發(fā)現(xiàn)大多學(xué)生能夠說出氫氣球、輪船等例子是利用了浮力知識(shí)，關(guān)于什么是浮力？沉在水底的鐵塊受浮力嗎？一部分答不出，也就是說學(xué)生對(duì)浮力概念的理解只是到“經(jīng)驗(yàn)”層級(jí).因此，教師在浮力教學(xué)中應(yīng)著重后面4個(gè)層級(jí)的概念構(gòu)建.

由課前測評(píng)可知，學(xué)生已經(jīng)知道生活中一些應(yīng)用浮力的例子，因此便能自行總結(jié)出浮力的概念：一切浸在液體或者氣體中的物體都會(huì)受到向上的力，稱為浮力.但是部分學(xué)生對(duì)概念的理解流于表象，對(duì)此教師在教學(xué)過程通過引入新的情境和問題，拓展原有概念的內(nèi)涵和外延，促進(jìn)學(xué)生對(duì)浮力的理解.教師設(shè)計(jì)問題：那么在水中下沉的鐵塊受不受浮力？如何利用彈簧測力計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究？在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)如何測量鐵塊所受的浮力大?。客ㄟ^這3個(gè)問題的探究，學(xué)生就能全面理解浮力概念.同時(shí)在如何測量出鐵塊所受的浮力大小這個(gè)問題中，學(xué)生要運(yùn)用到前面所學(xué)的受力平衡的知識(shí)，因此很自然地將浮力納入到整個(gè)“運(yùn)動(dòng)與力”體系當(dāng)中，同時(shí)進(jìn)一步理解“牛頓第一定律”這個(gè)核心概念.

在探究“水中下沉的鐵塊受不受浮力？”的過程中，會(huì)發(fā)現(xiàn)浮力的大小在發(fā)生變化，這時(shí)教師抓住這個(gè)現(xiàn)象，提出問題：鐵塊在下沉過程中的浮力會(huì)發(fā)生怎樣的變化？這時(shí)學(xué)生順著剛才的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，探究“浮力的大小與物體浸入液體的深度有關(guān)嗎？”在這個(gè)探究過程中讓學(xué)生理解“物體排開液體的體積V排”與“物體自身的體積V物”的大小關(guān)系， 同時(shí)明白浮力的大小與物體浸入液體的深度無關(guān)，其更準(zhǔn)確的表達(dá)應(yīng)該是“浮力的大小與物體排開液體的體積有關(guān)”.再接著運(yùn)用控制變量的方法去探究其他可能的因素對(duì)浮力的影響.到此階段，學(xué)生對(duì)浮力概念的理解到了關(guān)聯(lián)層級(jí).

至此，我們認(rèn)識(shí)浮力和分析浮力都是從生活和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來分析的，還沒有認(rèn)識(shí)到浮力產(chǎn)生的本質(zhì)原因.這時(shí)教師可引導(dǎo)學(xué)生從壓強(qiáng)的角度去思考：正方體物塊浸在液體或者氣體中，它所受到的壓強(qiáng)如何計(jì)算？會(huì)導(dǎo)致物體產(chǎn)生什么樣的效果？讓學(xué)生從壓強(qiáng)的角度去理解浮力的本質(zhì)就是物體受到的上下的壓力差產(chǎn)生的效果，將浮力歸納到壓力之中，同時(shí)掌握浮力的另外一種計(jì)算方法：當(dāng)物體為規(guī)則物體時(shí)，其浮力的大小為物體受到的上下壓力差.之后通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證阿基米德原理，從而了解浮力的第三種計(jì)算方法原理法：F浮力=ρ液gV排.

在學(xué)習(xí)物體的沉浮條件時(shí)，教師仍以提問的方式來讓學(xué)生思考：浸在液體中的物體，可能有幾種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)？對(duì)應(yīng)的受力應(yīng)該是怎樣的？學(xué)生結(jié)合“運(yùn)動(dòng)與力”的關(guān)系從而得到不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下浮力與重力的大小關(guān)系，再接著利用密度來表示重力，用阿基米德原理表示浮力，將浮力與重力的關(guān)系式展開，從而得到物體在不同的沉浮狀態(tài)時(shí)物體密度與液體密度的關(guān)系.此過程教師均是通過問題引入及公式引導(dǎo)，讓學(xué)生推導(dǎo)出物體的沉浮條件，進(jìn)一步幫助學(xué)生從“運(yùn)動(dòng)與力”的高層面去認(rèn)識(shí)浮力.

在科學(xué)概念理解發(fā)展的層級(jí)模型的理論指導(dǎo)下，嘗試構(gòu)建出浮力概念理解發(fā)展的層級(jí)，并按照此層級(jí)的高低發(fā)展順序，找出低層級(jí)向高層級(jí)的進(jìn)階點(diǎn)，并以此進(jìn)階點(diǎn)為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，幫助學(xué)生順利地完成對(duì)浮力概念的發(fā)展理解，促進(jìn)學(xué)生概念理解能力的形成.同時(shí)在整個(gè)進(jìn)階設(shè)計(jì)過程中緊緊地圍繞核心概念“牛頓第一定律”，幫助學(xué)生將浮力納入到“力與運(yùn)動(dòng)”主題中，從而更好地理解力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系.分析“浮力概念”的“進(jìn)階”主線可以發(fā)現(xiàn)，難度遞進(jìn)只是學(xué)生科學(xué)概念發(fā)展的一種表象，而復(fù)雜度的增進(jìn)才是科學(xué)概念學(xué)習(xí)進(jìn)階的核心變量.

4 總結(jié)

科學(xué)概念理解發(fā)展的層級(jí)模型從發(fā)展心理學(xué)和認(rèn)知科學(xué)的相關(guān)理論的角度構(gòu)建出來，教師結(jié)合具體的教學(xué)內(nèi)容來拓展和深化學(xué)習(xí)進(jìn)階研究中的進(jìn)階變量的選取與設(shè)計(jì)工作.也就是說，按照選取和設(shè)計(jì)的進(jìn)階變量，描述出在不同發(fā)展階段的學(xué)生所能完成的任務(wù)能力，進(jìn)一步為課程開發(fā)和教學(xué)設(shè)計(jì)提供參考.同時(shí)可以根據(jù)不同的層級(jí)目標(biāo)，設(shè)計(jì)出不同等級(jí)的習(xí)題，為學(xué)生的分層作業(yè)練習(xí)提供有力支持.

真正的科學(xué)概念的學(xué)習(xí)過程是復(fù)雜的，學(xué)生核心素養(yǎng)中“能力”的培養(yǎng)是多個(gè)因素交互作用的結(jié)果，常常是在某一主題下有多個(gè)關(guān)鍵能力的培養(yǎng)，某一關(guān)鍵能力的培養(yǎng)則要在許多主題下按難易程度不同反復(fù)進(jìn)行滲透[4].在這種多維度、多方面的融合發(fā)展上，現(xiàn)有的概念理解進(jìn)階研究才剛剛起步，我們按照提出的層級(jí)模型嘗試的進(jìn)階教學(xué)設(shè)計(jì)也只是一個(gè)探索性的嘗試，此研究仍需要進(jìn)一步豐富和發(fā)展.