基于核心概念下的初中科學逆向設計對策探究
——以浙教版八年級科學“變阻器”為例

徐麗芳

《義務教育科學課程標準(2022年版)》(以下簡稱“課標”)設置13個學科核心概念和4個跨學科概念，聚焦核心概念教學，成了落地新課標的必然之路。調(diào)查科學教師備課現(xiàn)狀，鮮有教師立足核心概念開展教學設計，更多以分散的課時概念進行教學。這樣的教學，前后課時分離，概念構建分散，整體性缺失，甚至由于概念定位不準，教學目標落實，教學效率低效。指向?qū)W科核心概念的教學是指在構思科學教育的目標時，在知識方面不是一堆事實和理論，而是趨向于核心概念，這些核心概念及進展過程可以幫助學生理解與其在校以及離開學校以后的生活有關的一些事件與現(xiàn)象。逆向設計是確定學習目標后，將學習評價設計前置于學習過程設計，促進學生深度學習，指向“教—學—評”一致。因此，開展核心概念引領下的初中科學逆向設計教學，是實現(xiàn)淺層學習到深度學習、知識學習到素養(yǎng)發(fā)展的重要路徑。

一、 核心概念引領：連接知識與素養(yǎng)

《美國新一代科學教育標準》闡述了概念各層級的關系，如圖1。第一層為學科基本和技能等事實性知識及統(tǒng)攝性較低的分解概念，屬于“小概念”范疇；第二層是基于學科內(nèi)知識整合的核心概念與方法的核心概念；第三層是基于跨學科內(nèi)容整合的概念或主題；第四層是哲學觀念。其中第二層、第三層、第四層屬于“大概念范疇”。因此，核心概念屬于“大概念”界定領域。

核心概念是居于學科中心構成學科骨架、能反映學科本質(zhì)特征的概念。核心概念不同于一般的科學概念，具有較強的聚合能力，聚合起不同的知識，揭示其內(nèi)在聯(lián)系。立足核心概念，統(tǒng)領教學設計，實現(xiàn)了知識與素養(yǎng)的關聯(lián)。以核心概念統(tǒng)攝，建立概念構建進階模型，能夠統(tǒng)一、有序、進階地實現(xiàn)概念構建，突出概念構建的有序性和進階性。此外，核心概念作為統(tǒng)攝地位，有利于聚焦教學設計目標，實現(xiàn)教學評一體化的教學設計的落地。

以“變阻器”為例(如圖1)，第一層，學科基本知識、技能等事實性知識?！白冏杵鞯亩x”“變阻器的功能”。第二層，基于學科內(nèi)知識整合的核心概念與方法。如“導電能力是物質(zhì)的一種特性”“影響電阻的相關因素”“抽象模型”。第三層，基于跨學科內(nèi)容整合的概念或主題，即跨學科概念或共通概念。如“結(jié)構決定功能”等共通概念。第四層是統(tǒng)攝其他所有知識的哲學觀念，在科學領域包括對科學本質(zhì)的認識。

圖1 變阻器

二、 逆向設計：連接目標、任務和評價

逆向設計是指向“教學評一體化”，實現(xiàn)學科概念教學，落地核心素養(yǎng)的有效路徑。其設計理念為“確定預期目標→確定評估證據(jù)→確定學習任務”。依據(jù)學習內(nèi)容和學生情況，確定預期目標，再將評估證據(jù)設計前置于學習任務設計。

“變阻器”是八年級上冊第四章“電路探秘”第四節(jié)的內(nèi)容。本節(jié)課前，學生已經(jīng)學習了串并聯(lián)電路、影響電阻的基本因素，對電路和電阻的基本知識有了一定了解；本節(jié)課后，將進一步深入學習歐姆定律及電路分析。而電路分析，離不開變阻器。通過改變電路中電阻的大小，使得電流大小改變，進而控制電路，是電路分析中基礎的方式。因此，認識變阻器、理解變阻器原理、學會變阻器使用方法，對整章電路知識的學習尤為重要。教材中安排了“根據(jù)影響電阻大小因素的分析，改變電阻大小的方法有哪些？你認為最簡單的方法是什么？”的思考與討論，引導學生從“影響導體電阻大小的因素”思考改變電阻大小的方法?；瑒幼冏杵鞯慕Y(jié)構與原理部分，教材用“改變鎳鉻合金一端的觸電”圖片陳述相關內(nèi)容。本節(jié)課設計將此環(huán)節(jié)改為學生動手活動，學生自主實踐過程中分析問題、構建新知，重在培養(yǎng)學生分析能力、解決實際問題的能力。經(jīng)過滑動變阻器原理的學習，實現(xiàn)“實物圖——結(jié)構示意圖——符號”的模型構建過程，發(fā)展學生科學思維能力。在教材活動中，要求根據(jù)實物圖連接電路，使用滑動變阻器，改變電路中的電流，教學中設計該環(huán)節(jié)，使用滑動變阻器，深刻理解其功能。最后，教材呈現(xiàn)旋鈕型變阻器，引導學生分析，重在培養(yǎng)學生分析問題、匹配模型、運用遷移的能力。

(一)確定預期目標

教學目標是教學的出發(fā)點和歸宿分析，通過研讀課標，分析學業(yè)要求和核心素養(yǎng)內(nèi)涵，從核心素養(yǎng)四個維度出發(fā)，確定預期目標，如表1所示：

表1 “變阻器”預期目標

(二)確定合適的評估證據(jù)

逆向設計要求教師教學設計時，將評價作為重要的內(nèi)容嵌入課堂，且優(yōu)先于學習任務的設計。要“像評估員一樣思考”，思考衡量學生理解程度的指標。因此，評估證據(jù)應該依據(jù)學生的表現(xiàn)進行評價，顯化學生思維，展現(xiàn)學習進程，細化量規(guī)與證據(jù)指標。結(jié)合課標和核心素養(yǎng)要求，設計學習目標、學習任務和評價維度，如表2所示。

表2 學習目標、學習任務和評價維度

(三)確定教學流程，設計學習任務

依據(jù)學習目標和評價任務，設計了三大環(huán)節(jié)、兩項量規(guī)評價、五項學習任務，為“變阻器”一課提供建議，如圖2。

圖2 三大環(huán)節(jié)、兩項量規(guī)評價、五項學習任務

三、 教學過程：自主探究與遷移運用

(一)觀察現(xiàn)象，提出問題

活動引入：首先，邀請班級肺活量最大的男生上來吹氣，吹動塑料盒，測試其肺活量。再邀請一名學生上臺吹動塑料盒，保持在某一個位置不變。

師：同學們觀察到了什么現(xiàn)象？

生：金屬杠向右滑動，小燈泡變亮了。

生：為什么金屬杠向右滑動燈泡變亮了呢？

師：很好，這位同學提出：為什么金屬杠向右滑動燈泡變亮了呢？

[設計意圖]：提出問題是科學探究能力重要表現(xiàn)。教師通過創(chuàng)設真實的情景，激發(fā)學生的興趣。在真實情景中引發(fā)學生深度思考，提出適合探究的科學問題。本環(huán)節(jié)采用呈現(xiàn)自制教具“肺活量測量儀”，測試學生肺活量的學習活動引發(fā)學生對器材現(xiàn)象的思考，提出問題：“為什么金屬杠向右滑動燈泡變亮”。

(二)自主探究概念建構

1. 科學探究，發(fā)現(xiàn)規(guī)律

師：我們來仔細觀察這個關鍵裝置。同學們分析金屬桿向右擺動的過程中，引起了金屬絲什么變化？

生：擺動前，接入電路的金屬絲長度為PB，向右擺動后，接入電路金屬絲長度為P′B。向右擺動，使得接入電路的金屬絲長度變短了。

生：接入電阻的電阻絲長度變小→電阻變小→電流變大→燈變亮。

師：那么這樣的一個裝置，就可以通過改變電阻的長度實現(xiàn)電阻大小的改變，我們可以給它取個名字，稱為“滑動變阻器”。同學們用桌子上的鉛筆芯和電路原件，組裝電路，滑動P，改變鉛筆芯的長短，看看是否能否達成上述效果？

[設計意圖]：采用自制教具“肺活量測量儀”，測試學生肺活量的學習活動引發(fā)學生對器材現(xiàn)象的思考，聚焦核心問題：“為什么金屬杠向右滑動燈泡變亮”。采用問題導引，喚醒已有認知，引導學生從“影響電阻的基本因素”的角度，分析電路中的電阻和電流變化，進而構建通過改變電阻長度實現(xiàn)電阻改變的認知。設計“鉛筆芯”活動，讓學生真實體驗改變長度可以實現(xiàn)電阻的改變。通過接入電路的金屬絲長度變化的分析，得出變阻器的概念，進而聚焦“對現(xiàn)有裝置進行改進，設計出更小巧、變阻范圍更大的元件呢？”核心問題的教學。

教具備注：肺活量測試儀，即壓強計金屬桿，木頭兩端固定鎳鉻合金，將電池、開關、燈泡、鎳鉻合金、壓強計桿(液體壓強實驗所用長桿)串聯(lián)。將壓強計桿在鎳鉻合金上滑動時，改變鎳鉻合金接入電路的長度，改變電阻的大小，從而改變電流的大小，使得燈泡亮暗發(fā)生變化。

2. 實踐制作理解原理

師：同學們能否對現(xiàn)有裝置進行改進，設計出更小巧、變阻范圍更大的元件呢？請用器材盒中的材料，設計和制作簡易的變阻器，要求通過改變電阻的有效長度來改變電阻。器材：漆包線、金屬絲、長木頭、大頭針、導線若干、電池、燈泡、開關。

評價量規(guī)1：(前置量表)

學生分析、討論：嘗試分析“能緊密纏繞漆包線，刮去一側(cè)的油漆”的原因后進行設計、物化。

通過小組合作，生生、師生互評，歸納基本的涉及方法與步驟如下：

步驟1：密繞——節(jié)省空間、擴大范圍。將金屬絲纏繞在木頭上，增大金屬絲的長度。但是，金屬絲緊密纏繞，彼此接觸導通，并不能實現(xiàn)上述功能。

步驟2：涂漆——匝與匝之間彼此絕緣。解決上述問題，改用漆包線。漆包線，在金屬絲表面涂有絕緣漆，使得每圈金屬絲彼此不導通。但是，鱷魚夾在表面滑動時，也就不會導通，無法實現(xiàn)接通電路。

步驟3：刮漆——電阻絲與鱷魚夾導通。刮去鱷魚夾接觸的這層絕緣漆，且能夠使得彼此每匝之間不導通，解決上述問題。

師：同學們都非常優(yōu)秀。在這么簡短的時間里，完成了簡易變阻器的制作。那么，今天我們就來認識下電路中常用的原件——變阻器，呈現(xiàn)實物。

師：滑動變阻器——改變接入電路的有效長度來改變電阻大小，從而起到調(diào)節(jié)電路電流大小的作用。

同學們再回顧剛才我們經(jīng)歷的過程，我們從真實問題→項目設計→物化產(chǎn)品，很多產(chǎn)品都將經(jīng)歷產(chǎn)品“迭代”的環(huán)節(jié)，才能最終成為產(chǎn)品，應用于生活中。

[設計意圖]：通過設計制作簡易滑動變阻器的任務，引導學生分析問題、改進不足、設計物化，在真實的問題解決過程中，理解和驗證滑動變阻器的原理?；瑒幼冏杵魇峭ㄟ^改變接入電路中有效長度的方式，改變電阻的大小。設計制作環(huán)節(jié)，嵌入評價量規(guī)1，運用評價量規(guī)，規(guī)范學生設計制作的要求，促進學生對變阻器模型的構建。

3. 模型建構理解概念

任務一：認識滑動變阻器

1. 仔細觀察滑動變阻器各個結(jié)構，填寫結(jié)構名稱。

2. 說說各結(jié)構相當于簡易滑動變阻器中的哪部分結(jié)構。

總結(jié)：通過任務一和簡易滑動變阻器制作的過程，我們發(fā)現(xiàn)，可以將滑動變阻器進行簡化為結(jié)構圖，再抽象為電路符號，構建滑動變阻器的模型。

[設計意圖]：比較變阻器實物和簡易變阻器，認識變阻器的結(jié)果與功能。比較實物、結(jié)構示意圖、符號，抽象出滑動變阻器的模型，發(fā)展學生的科學思維。模型構建，是一種由具體到一般，由具象到形象的過程。通過實物制作，示意圖，再到符號，突破變阻器教學關鍵難點——接入電路的有效長度。

(三)遷移運用問題解決

任務二：使用滑動變阻器

1. 將電源、開關、燈泡、滑動變阻器用導線串聯(lián)成一個完整電路。

2. 嘗試移動滑動變阻器的滑片，使燈變亮。

3. 小組討論：滑動變阻器使用方法和注意事項。

4. 分析肺活量測量儀的工作原理，解釋相關現(xiàn)象。

評價量規(guī)2：

評價指標評價標準(每條標準滿分3分,請根據(jù)真實表現(xiàn)程度按照0、1、2、3四個分值打分)我做到我改進實驗操作1. 能熟練連接電路2. 能通過改變滑動變阻器,實現(xiàn)燈泡亮暗變化3. 能整理器材分析解釋1. 能解釋滑動變阻器中電流的流動2. 能解釋移動滑動變阻器的滑片燈變亮的原因3. 能解釋肺活量測量儀的工作原理

任務三：變形的變阻器

順時針旋轉(zhuǎn)變阻器的旋鈕，臺燈亮度變大，說明連入電路的是A，B，C中的哪兩個接線柱？

[設計意圖]：本環(huán)節(jié)設計在于使用滑動變阻器。任務一，旨在將連接滑動變阻器和電路圖，深刻理解滑動變阻器的功能，第(4)小題呼應開頭，解決“肺活量檢測儀”的原理。任務二，旋鈕型變阻器的連線，引導學生分析，重在培養(yǎng)學生分析問題、匹配模型、運用遷移的能力。

四、 總結(jié)與反思

(一)經(jīng)歷真實探究，提升科學探究能力

學生像科學家一樣經(jīng)歷了真實的科學探究和科學實踐過程，形成了科學方法和技能，加深了科學概念的理解。學生在不斷的探究中，形成了自身對科學世界的理解，對科學解決問題的認識，建立了科學本質(zhì)觀。

(二)解決真實問題，落實科學核心素養(yǎng)

基于真實學習理論，學生只有在真實情景中才會發(fā)生真實學習，落地核心素養(yǎng)。本例中，學生充分認識了變阻器原理、制作、使用后，提出真實情境和問題。通過引導，引發(fā)學生使用，遷移新知，運用新知解決問題。在解決問題的過程中，學生對“變阻器”這一個概念更為清晰，對“結(jié)構決定功能”的跨學科概念理解更為深入。因此，在解決真實問題的過程中，學生不斷加深對知識的理解，運用知識解決問題，形成固化科學素養(yǎng)。

(三)巧用評價量規(guī)，促進學習有效發(fā)生

可觀察、可測量的評價量規(guī)，是有效學習真實發(fā)生的重要工具。評價量規(guī)指標化設計，實現(xiàn)了學生思維的可視化評價，克服了紙筆測試難以評價學生思維過程的不足。采用評價量規(guī)規(guī)范學生科學實驗操作，引導學生自測和自評，不僅僅是教師評價學生學習任務是否達成的工具，更是學生學習的有效支架，幫助學生自主構建認知。

綜上所述，傳統(tǒng)教學設計程序是根據(jù)邏輯推理順序逐步展開，其“目標”“活動”以及“評估”等關聯(lián)度差、結(jié)構松散，教學閉環(huán)無法形成，整體性與持續(xù)性上體現(xiàn)不明顯。逆向教學設計順序則與傳統(tǒng)教學設計相反，是從學習結(jié)果出發(fā)使學生對所學知識的理解更加深入、持久，更有利于學習者主體地位的發(fā)揮。