基于整合學(xué)習(xí)進(jìn)階的初中物理概念教學(xué)設(shè)計(jì)

摘 要：整合與發(fā)展是當(dāng)今科學(xué)教育改革的核心理念.整合學(xué)習(xí)進(jìn)階是對學(xué)生思維方式、認(rèn)知過程和能力發(fā)展的整合式描述，其與學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展相融共生.本文以“大氣壓強(qiáng)”為例，基于整合學(xué)習(xí)進(jìn)階的相關(guān)理論，嘗試構(gòu)建整合科學(xué)概念與科學(xué)解釋的學(xué)習(xí)進(jìn)階分析框架，并以此設(shè)計(jì)教學(xué)活動，從而將相關(guān)理論研究轉(zhuǎn)化為實(shí)踐成果.

關(guān)鍵詞：整合學(xué)習(xí)進(jìn)階;科學(xué)概念;科學(xué)解釋;大氣壓強(qiáng)

中圖分類號：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）20-0043-04

作者簡介：吳弟斌（1982-），男，重慶巫溪人，本科，中學(xué)一級教師，研究方向：單元教學(xué)設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)進(jìn)階.

當(dāng)今教育變革的主題是促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展[1]，并引領(lǐng)課堂教學(xué)更加關(guān)注學(xué)生知識、能力、態(tài)度和價值觀的整合發(fā)展，整合學(xué)習(xí)進(jìn)階正是在此背景下應(yīng)運(yùn)而生的教學(xué)設(shè)計(jì)模型.利用其對學(xué)生思維方式、認(rèn)知過程和能力發(fā)展的整合式描述，為初中物理概念教學(xué)的設(shè)計(jì)提供重要的分析框架.本文以“大氣壓強(qiáng)”為例，嘗試將科學(xué)概念與科學(xué)解釋的學(xué)習(xí)進(jìn)行進(jìn)階整合，并以此為框架進(jìn)行教學(xué)活動設(shè)計(jì)，從而使得教學(xué)設(shè)計(jì)更加科學(xué)化、精細(xì)化，也更加貼近學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn).

1 整合學(xué)習(xí)進(jìn)階的理論進(jìn)展

1.1 概念的提出

學(xué)習(xí)進(jìn)階是在2004年美國基礎(chǔ)教育階段科學(xué)學(xué)業(yè)成就評價委員會向美國國家研究理事會提交的報告中第一次被正式提出，并成為美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》的核心編寫依據(jù).我國北京師范大學(xué)郭玉英教授所帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)先后構(gòu)建科學(xué)概念、科學(xué)解釋和科學(xué)論證的學(xué)習(xí)進(jìn)階發(fā)展層級模型，并在此基礎(chǔ)上提出整合學(xué)習(xí)進(jìn)階的認(rèn)知模型[2].學(xué)生真實(shí)的學(xué)習(xí)過程是復(fù)雜的，學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展也是多個因素交互作用的結(jié)果[3]，所以，整合學(xué)習(xí)進(jìn)階更加貼近教學(xué)一線，也更加精確地描述學(xué)生的思維方式與科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展.

1.2 整合的變量與維度

在整合學(xué)習(xí)進(jìn)階的理論研究與發(fā)展過程中，北京師范大學(xué)郭玉英物理研究團(tuán)隊(duì)在科學(xué)概念發(fā)展層級模型（經(jīng)驗(yàn)、映射、關(guān)聯(lián)、系統(tǒng)、整合）的基礎(chǔ)之上，以不同的變量與維度建立了多個整合學(xué)習(xí)進(jìn)階模型.如張靜博士以心智模型與建模教學(xué)為變量，提出“基于心智模型進(jìn)階的導(dǎo)引式建模教學(xué)模式”[4];姚建欣博士將核心觀念和關(guān)鍵能力的進(jìn)階發(fā)展進(jìn)行融合，提出整合學(xué)習(xí)進(jìn)階認(rèn)知模型，并對“能量”主題進(jìn)行教學(xué)實(shí)證研究[5];弭樂老師以科學(xué)概念層級進(jìn)階為主線，在概念進(jìn)階的關(guān)鍵點(diǎn)上滲透整合論證活動，從而實(shí)現(xiàn)概念理解與科學(xué)論證能力的協(xié)同發(fā)展[6].

1.3 研究愿景

整合學(xué)習(xí)進(jìn)階研究的最終目的是描繪學(xué)生思維發(fā)展的清晰圖景，從而有助于教師選擇最恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方式[7].當(dāng)前的研究表現(xiàn)出顆粒度較大，主要用于課程開發(fā)、學(xué)習(xí)測評和教師培訓(xùn)，而要使整合學(xué)習(xí)進(jìn)階能走進(jìn)教學(xué)一線，就需要開發(fā)顆粒度更?。ㄟm用于一節(jié)課或幾節(jié)課）的進(jìn)階模型.只有學(xué)習(xí)進(jìn)階領(lǐng)域?qū)＜遗c一線教師建立廣泛的合作，貢獻(xiàn)各自的智慧，才能使整合學(xué)習(xí)進(jìn)階研究真正地促進(jìn)教學(xué)實(shí)踐.

2 整合科學(xué)概念與科學(xué)解釋的學(xué)習(xí)進(jìn)階分析框架

科學(xué)的實(shí)質(zhì)就是為自然現(xiàn)象提供解釋.科學(xué)概念是對事實(shí)、經(jīng)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等運(yùn)用科學(xué)方法進(jìn)行抽象與概括的結(jié)果，學(xué)生科學(xué)概念的形成和運(yùn)用科學(xué)概念解釋更多現(xiàn)象的過程都離不開科學(xué)解釋，其關(guān)系如圖1所示.在教學(xué)中，科學(xué)概念的學(xué)習(xí)過程同時也是科學(xué)解釋能力的提升過程，所以教師有必要整合科學(xué)概念與科學(xué)解釋的學(xué)習(xí)進(jìn)階，從而更好地刻畫學(xué)生的思維過程，促進(jìn)學(xué)生能力的提高.

人教版“大氣壓強(qiáng)”的學(xué)習(xí)安排在學(xué)生學(xué)習(xí)壓強(qiáng)和液體壓強(qiáng)之后，是對“壓強(qiáng)”概念的進(jìn)一步拓展和深化.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)對本節(jié)的要求是：知道大氣壓強(qiáng)及其與人類生活的關(guān)系.筆者通過分析發(fā)現(xiàn)，本節(jié)內(nèi)容在學(xué)生了解大氣壓強(qiáng)的存在及其大小之外，還要利用大氣壓強(qiáng)的知識解釋有關(guān)生活現(xiàn)象與關(guān)于大氣壓強(qiáng)應(yīng)用的實(shí)例，而且學(xué)生也需從生活現(xiàn)象和相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的嘗試分析、推理等過程中形成科學(xué)解釋，從而建構(gòu)關(guān)于大氣壓強(qiáng)的理解.可見，本節(jié)內(nèi)容主要包含科學(xué)概念的建構(gòu)和科學(xué)解釋能力的提升兩個方面，因此，本文從科學(xué)概念與科學(xué)解釋的角度進(jìn)行進(jìn)階分析，并整合相應(yīng)的分析框架，見表1.在此框架中，關(guān)于大氣壓強(qiáng)概念的學(xué)習(xí)進(jìn)階在已有經(jīng)驗(yàn)和知識的基礎(chǔ)上，結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，按照“大氣壓強(qiáng)的存在、大小、變化、應(yīng)用”四個方面依次進(jìn)階，體現(xiàn)邏輯遞進(jìn)關(guān)系;在科學(xué)解釋方面，從不能給出解釋到能用對應(yīng)的單一知識給予解釋，到用對應(yīng)的單一知識和研究方法給予解釋，到用微觀的模型嘗試解釋，再到綜合調(diào)用不同的知識進(jìn)行解釋，解釋的復(fù)雜度和抽象程度逐漸提高;每個層級的科學(xué)解釋要求與同級的科學(xué)概念層級要求相對應(yīng)，體現(xiàn)科學(xué)概念學(xué)習(xí)和科學(xué)解釋能力提升的同步發(fā)展，并為接下來的教學(xué)活動設(shè)計(jì)提供分析路徑.

3 基于整合學(xué)習(xí)進(jìn)階分析框架的教學(xué)活動設(shè)計(jì)

3.1 通過對比實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)一進(jìn)階起點(diǎn)，引入新課學(xué)習(xí)

課前布置：讓學(xué)生在家里利用生活物品制作與大氣壓強(qiáng)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)，并錄制實(shí)驗(yàn)視頻.

對比實(shí)驗(yàn)：播放學(xué)生用嘴將盆中的水吸入去底的飲料瓶中的課前實(shí)驗(yàn)，學(xué)生認(rèn)為水進(jìn)入飲料瓶是由于嘴產(chǎn)生的吸力;然后再拿出一個裝有飲料的瓶子，瓶蓋處插有吸管，并將瓶蓋與瓶身結(jié)合處以及與吸管結(jié)合處密封（播放制作視頻，展示吸管無異常），學(xué)生無法將飲料吸上來.

引導(dǎo)討論：學(xué)生發(fā)現(xiàn)無法用“吸力”解釋第二個實(shí)驗(yàn)，就會調(diào)動已有知識進(jìn)行猜測：瓶口密封，使得瓶內(nèi)沒有與外界相通的空氣.空氣和液體一樣具有流動性，可能也會向各個方向產(chǎn)生壓強(qiáng)，引出課題.

設(shè)計(jì)意圖：課前實(shí)驗(yàn)增加學(xué)生的感性認(rèn)識，并為課堂學(xué)習(xí)提供真實(shí)素材.通過實(shí)驗(yàn)一誘發(fā)學(xué)生對生活中吸飲料的前概念認(rèn)識，再通過對比強(qiáng)烈的實(shí)驗(yàn)二激疑生趣，引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突.在引導(dǎo)討論中聚焦問題，統(tǒng)一進(jìn)階起點(diǎn)，從而進(jìn)入新課學(xué)習(xí).

3.2 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，證明大氣壓強(qiáng)的存在，并解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

演示實(shí)驗(yàn)：教師拿出曾經(jīng)演示液體壓強(qiáng)的玻璃圓筒，裝滿紅色的水，用紙片蓋住后倒置，并向不同方向傾斜，紙片和水均沒有掉落（如圖2所示）.引導(dǎo)學(xué)生分析原因，有同學(xué)認(rèn)為是大氣對紙片有壓強(qiáng)的原因，也有同學(xué)懷疑是紙片被水粘住.接著，老師將其中一個橡皮帽拔開，水和紙片瞬間掉落，說明紙片并非被水粘住，而是周圍空氣對其有壓強(qiáng).

自主實(shí)驗(yàn)：學(xué)生自選帶掛鉤的塑料吸盤、玻璃板和塑料針筒等器材，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明大氣壓強(qiáng)的存在.

實(shí)驗(yàn)解釋：（1）展示學(xué)生的自主實(shí)驗(yàn)，并解釋如何證明大氣壓強(qiáng)的存在.

（2）解釋引入新課的實(shí)驗(yàn)，即為什么瓶口密封后，我們無法將飲料吸上來？

（3）學(xué)生舉例說明生活中還有哪些現(xiàn)象能說明大氣壓強(qiáng)的存在.

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生對大氣壓強(qiáng)存在的認(rèn)識和建構(gòu)一個完整的科學(xué)解釋是一個循序漸進(jìn)的過程.在教學(xué)中，教師首先通過演示實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生觀察、思考、討論，用有力的證據(jù)排除學(xué)生心中的疑惑，確定大氣壓強(qiáng)的存在;再通過學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象作出解釋的過程進(jìn)一步理解如何將現(xiàn)象與結(jié)論統(tǒng)一起來;最后通過對引入新課實(shí)驗(yàn)和生活實(shí)例的解釋，讓學(xué)生摒棄原有的錯誤認(rèn)識，能用大氣壓強(qiáng)的存在解釋說明相關(guān)實(shí)例，從而達(dá)成能用對應(yīng)知識提供解釋的階一目標(biāo).

3.3 學(xué)史引入，分析設(shè)計(jì)，測定大氣壓強(qiáng)的大小

學(xué)史引入：17世紀(jì)中葉，意大利物理學(xué)家伽利略聽到一個奇特的事實(shí)：一臺抽水機(jī)最多只能把水抽到10米高，無論怎樣改進(jìn)抽水機(jī)，也不能把水抽得更高.引導(dǎo)學(xué)生討論對這個問題的看法.

學(xué)生解釋：抽水機(jī)抽水的實(shí)質(zhì)是大氣壓強(qiáng)將水壓上去，此現(xiàn)象說明大氣壓強(qiáng)只能支撐10米高的水柱，可見大氣壓強(qiáng)的大小大約相當(dāng)于10米高的水柱產(chǎn)生的液體壓強(qiáng)大小.

分析設(shè)計(jì)：引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)測定大氣壓強(qiáng)大小的方法.學(xué)生想到可以找一段超過10米的玻璃管，將里面裝滿水，然后倒立放置在水面上，通過測量大氣壓強(qiáng)能托住的水柱高度，就可以用p=ρgh計(jì)算出大氣壓強(qiáng)的大小.教師引導(dǎo)學(xué)生分析方案的可行性，可以怎樣改進(jìn)？在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生想到可以用密度大的液體，能支撐的液柱高度就會降低，水銀的密度最大，所以可以用水銀進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

設(shè)計(jì)意圖：通過物理學(xué)史引入，將學(xué)生帶回問題的原點(diǎn)，使學(xué)習(xí)更具探索性;學(xué)生在尋求解釋的過程中，明確測量大氣壓強(qiáng)的方法，理解其中涉及的轉(zhuǎn)換思想，使其達(dá)到能用對應(yīng)的知識和物理研究方法建立解釋的階二目標(biāo);最后在對方案的可行性分析和方案改進(jìn)中培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維與問題解決能力.整個過程循序漸進(jìn)，合理順暢地引入托里拆利實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生對大氣壓強(qiáng)的測量知其然，更知其所以然.

3.4 類比實(shí)驗(yàn)，建立微觀模型，解釋大氣壓強(qiáng)的變化

演示實(shí)驗(yàn)：為了說明大氣壓強(qiáng)的產(chǎn)生原因，幫助學(xué)生建立氣體分子運(yùn)動的微觀模型，利用透明塑料桶、乒乓球、電吹風(fēng)進(jìn)行模擬氣體分子運(yùn)動的演示實(shí)驗(yàn).通過在塑料桶內(nèi)放入數(shù)量不等的乒乓球來模擬在不同位置空氣的密度不同，通過改變電吹風(fēng)的的風(fēng)速來模擬不同溫度下的空氣分子運(yùn)動情況，乒乓球?qū)ν氨谧矒舢a(chǎn)生的平均壓強(qiáng)模擬大氣壓強(qiáng)的產(chǎn)生過程，從而使學(xué)生建立微觀的分子運(yùn)動模型，理解氣體壓強(qiáng)的大小與氣體密度和溫度有關(guān)，為解釋大氣壓強(qiáng)隨海拔高度的變化提供認(rèn)知基礎(chǔ).

學(xué)生解釋：呈現(xiàn)大氣壓和空氣密度隨海拔高度變化的圖片（如圖3所示），引導(dǎo)學(xué)生解釋其變化關(guān)系;呈現(xiàn)我國青藏高原邊防戰(zhàn)士生活的圖片和視頻，引導(dǎo)學(xué)生分析他們會遇到哪些困難，如何克服這些困難.

設(shè)計(jì)意圖：通過乒乓球的模擬實(shí)驗(yàn)，借助類比思維，幫助學(xué)生建立氣體分子運(yùn)動的模型，從而對氣體壓強(qiáng)的產(chǎn)生建立科學(xué)的認(rèn)識，并以此為基礎(chǔ)解釋大氣壓強(qiáng)隨海拔高度的變化，使學(xué)生學(xué)習(xí)順利進(jìn)階到階三水平.通過對邊防戰(zhàn)士所處環(huán)境和困難的分析，使學(xué)生理解邊防戰(zhàn)士的偉大，產(chǎn)生強(qiáng)烈的愛國情懷，并胸懷用科學(xué)知識服務(wù)祖國的志向.

3.5 回歸生活，聯(lián)系實(shí)際，解釋大氣壓強(qiáng)應(yīng)用的相關(guān)實(shí)例

演示實(shí)驗(yàn)：利用自制的透明飲水機(jī)模型（如圖4所示）演示其工作過程，學(xué)生觀察.

學(xué)生解釋：（1）解釋飲水機(jī)工作時水流動的過程;

（2）解釋學(xué)生課前實(shí)驗(yàn)：會吸水的杯子.

課后拓展：下列任務(wù)三選一，可以小組合作完成.

（1）有些水杯上設(shè)計(jì)一個通氣孔，請解釋這個孔有什么作用？

（2）輸液管的側(cè)面有一個通氣管，這個管有什么作用？先進(jìn)行猜測與理論分析，然后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

（3）國家推進(jìn)“鄉(xiāng)村振興”戰(zhàn)略，一位農(nóng)民伯伯想開辦一個養(yǎng)雞場，請你幫他設(shè)計(jì)制作一個小雞自動喂水器.

設(shè)計(jì)意圖：通過不同情境運(yùn)用概念建立解釋的過程，起到“活化”理解概念的作用;在建立解釋的過程中調(diào)用到不同知識，以提升學(xué)生的綜合分析能力，也使學(xué)生科學(xué)概念理解和科學(xué)解釋能力發(fā)展到階四水平.通過拓展任務(wù)將學(xué)習(xí)延伸到課外，任務(wù)的設(shè)計(jì)充分考慮學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)需求，同時還突出學(xué)以致用的特點(diǎn).

4 結(jié)束語

整合學(xué)習(xí)進(jìn)階從不同的變量與維度，對學(xué)生思維的發(fā)展過程進(jìn)行精確描述，將學(xué)習(xí)內(nèi)容與認(rèn)知過程進(jìn)行橫向與縱向整合，從而促進(jìn)學(xué)生能力的提升與素養(yǎng)的發(fā)展.在“素養(yǎng)本位”的教育當(dāng)代，切實(shí)需要教師更新教學(xué)觀念、轉(zhuǎn)變教學(xué)方式、優(yōu)化教學(xué)方法，整合學(xué)習(xí)進(jìn)階正是連接教、學(xué)、研同步發(fā)展的有效支架，是實(shí)現(xiàn)學(xué)生高品質(zhì)學(xué)習(xí)的有力保障，也應(yīng)成為一線教師教學(xué)研究的重要領(lǐng)域.

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（收稿日期：2021-06-22）