“腦科學(xué)+核心素養(yǎng)”視域下概念教學(xué)案例分析

董黎軍 李建雄 趙夫辰 李子明

摘? ?要：腦科學(xué)的發(fā)展促進(jìn)著人類智慧與才能的提升。腦科學(xué)強(qiáng)調(diào)了學(xué)習(xí)過程中意義建構(gòu)對學(xué)生科學(xué)思維、情境創(chuàng)設(shè)對學(xué)生認(rèn)知引導(dǎo)、學(xué)生情緒和評估對學(xué)習(xí)效果等方面的影響。學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)、關(guān)鍵能力的獲得、必備品格的形成，無不依賴于“學(xué)什么”“怎么學(xué)”“學(xué)到什么程度”。因此，在學(xué)習(xí)過程中，將腦科學(xué)與教育規(guī)律相融合，可促進(jìn)學(xué)生大腦的發(fā)展，進(jìn)而掌握物理規(guī)律。在腦科學(xué)理論指導(dǎo)下，圍繞過程性的“教”與“學(xué)”，建構(gòu)相應(yīng)的評價體系，從而探索物理概念教學(xué)中的“教—學(xué)—評”一致性的路徑。

關(guān)鍵詞：腦科學(xué)；物理概念；核心素養(yǎng)；案例

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2023）8-0031-5

腦科學(xué)的“保證和覺醒系統(tǒng)”“信息接受和處理系統(tǒng)”“評估和情緒系統(tǒng)”“調(diào)節(jié)與控制系統(tǒng)”四大系統(tǒng)制約并影響著學(xué)生學(xué)習(xí)的效果［１］。而從腦科學(xué)出發(fā)的課堂教學(xué)，將教師的教、學(xué)生的學(xué)以及過程性評價緊密地結(jié)合在一起，形成以學(xué)促教，以教促改，以改促評，進(jìn)而利用評價促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)及改進(jìn)教師的教學(xué)行為，并在將“學(xué)—教—評”融合、貫穿于教與學(xué)的全過程中，達(dá)到開發(fā)學(xué)生大腦潛力的目的。

以“密度”概念教學(xué)為例，探索“腦科學(xué)+核心素養(yǎng)”視域下的物理概念課堂教學(xué)。

1? ? “腦科學(xué)+核心素養(yǎng)”視域下“密度”概念教學(xué)分析

【課標(biāo)分析】 通過實驗，理解密度。

【教學(xué)目標(biāo)】 通過比值法建立密度的概念；通過實驗探究，明白密度概念的圖像表述方式、數(shù)學(xué)表述方式和文字表述方式；能從數(shù)學(xué)和物理的角度解釋密度概念的內(nèi)涵，準(zhǔn)確說出密度常用的單位，能解釋密度的現(xiàn)象。

（1）學(xué)什么：密度概念建立的分析、歸納、比值類比的思維方法；密度概念呈現(xiàn)的三種形式；密度是物質(zhì)的一種特性；密度的單位。

（2）學(xué)到什么程度：課標(biāo)明確指出“通過實驗，理解密度概念”。其學(xué)習(xí)的程度為“描述、解釋”，即能夠運用比值法建立密度概念的處理方法，能舉例說明密度大小的決定因素，能用密度知識解釋與密度有關(guān)的問題。

（3）怎么學(xué)：通過情境創(chuàng)設(shè)，激發(fā)學(xué)生求知的欲望；通過活動探究，利用比值法得出密度的概念；通過實驗結(jié)論，解釋密度是物質(zhì)的特性，記住密度的單位及其常見的數(shù)據(jù)；通過活動解釋相關(guān)的物理現(xiàn)象。

【教材分析】 本節(jié)課內(nèi)容是初中物理第一個（理解層次）重要的概念，也是學(xué)習(xí)力學(xué)體系承上啟下的核心概念。教學(xué)中要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實驗原理、實驗儀器以及實驗要測定的對象，自主設(shè)計實驗步驟及實驗表格，并根據(jù)測量結(jié)果計算出物質(zhì)的密度；通過速度概念的類比，加深比值法對物理概念學(xué)習(xí)的重要意義。

【學(xué)情分析】 學(xué)生還不能從物理學(xué)和數(shù)學(xué)的角度去區(qū)分密度，對密度單位的組成、符號、讀法、寫法、kg/m3與g/cm3之間的關(guān)系等還會混淆。尤其是對密度概念的表述形式、密度概念的內(nèi)涵與外延、密度的公式理解不深。

針對以上問題，首先，通過直觀的實驗，引導(dǎo)學(xué)生在合作探究、小組討論過程中自主建構(gòu)密度概念。其次，從學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)入手，以數(shù)學(xué)思維為工具，通過速度概念的類比，逐步抽象形成密度概念。最后，在學(xué)生運用密度公式進(jìn)行解題時，要注重思維的培養(yǎng)與方法的引領(lǐng)，使其熟練運用密度概念。

【學(xué)習(xí)目標(biāo)】

（1）通過實驗，學(xué)會用比值法定義密度概念。

（2）通過密度概念的建立過程，能從物理學(xué)和數(shù)學(xué)的角度去區(qū)分密度的含義。

（3）能準(zhǔn)確說出密度的常用單位，能解釋密度的現(xiàn)象。

【學(xué)習(xí)重點】

（1）通過實驗探究，學(xué)會用比值的方法定義密度的概念。

（2）應(yīng)用密度的概念、公式，解決生產(chǎn)生活中的問題。

【學(xué)習(xí)難點】 在實驗探究的基礎(chǔ)上，利用“比值”定義密度概念，能準(zhǔn)確解釋密度是物質(zhì)的一種特性。

【評價】 腦科學(xué)圍繞學(xué)習(xí)目標(biāo)，將教育方式、教育資源、教育規(guī)律和腦科學(xué)的規(guī)律融合統(tǒng)一起來。具體來說，由于學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)計是明確的、可操作的、可測量的和可評價的，因此，可根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)計相應(yīng)的教學(xué)活動和教學(xué)評價，明確學(xué)生學(xué)什么及學(xué)到什么程度，從而保證三者的內(nèi)在一致性。

2? ? 教學(xué)設(shè)計過程

2.1? ? 激疑引趣，促進(jìn)深度連接

【視頻引課】 請同學(xué)們觀看視頻——神奇的“泡沫鋁和氣凝膠”的特點及其應(yīng)用。新材料的研究與應(yīng)用促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)巨大的進(jìn)步，這些新材料與本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容息息相關(guān)。

【評價】 腦科學(xué)證實，當(dāng)環(huán)境刺激輸入時，神經(jīng)元之間、不同神經(jīng)結(jié)構(gòu)之間的纖維連接會自主地生長，形成新的突觸連接，并修正或者剪切已經(jīng)存在的神經(jīng)連接［２］。因此，在新課引入環(huán)節(jié)，播放視頻材料“泡沫鋁和氣凝膠”的特點及其應(yīng)用，指向下一步教學(xué)活動，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生的好奇心，吸引學(xué)生的注意力，為探究學(xué)習(xí)本節(jié)課內(nèi)容奠定基礎(chǔ)。

2.2? ? 任務(wù)驅(qū)動，把握目標(biāo)方向

【學(xué)習(xí)目標(biāo)】 利用多媒體呈現(xiàn)本節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

【評價】 腦科學(xué)研究認(rèn)為，教師應(yīng)該關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)、課堂情緒、思想映射等，以實現(xiàn)教育的最大價值，優(yōu)化學(xué)生的學(xué)習(xí)過程［２］。因此，該環(huán)節(jié)用多媒體呈現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)，讓學(xué)生清楚學(xué)習(xí)目標(biāo)與學(xué)習(xí)方向，沿著“提出問題—探究問題—解決問題”的思路開展科學(xué)探究。

2.3? ? 誘惑沖突，激發(fā)思考意識

問題1：如何鑒別圖1中物體（銅、鐵、鋁、木）是什么材料？根據(jù)什么鑒別？

問題2：老師手中還有一組材料，它們是油漆過的銅、鐵、鋁、木塊（圖2），怎樣來鑒別？王冠的秘密也是用相同的方法破解，依據(jù)的就是物質(zhì)的另一種特性——密度。

【評價】 腦科學(xué)表明，教學(xué)要創(chuàng)設(shè)真實、豐富、復(fù)雜的學(xué)習(xí)情境，激發(fā)學(xué)生探究的動力，消除學(xué)生對失敗的恐懼［２］。本環(huán)節(jié)精心設(shè)計情境問題，激活學(xué)習(xí)動機(jī)，遵循“情境—問題—探究—交流—反思—遷移”的教學(xué)邏輯，沿著“激疑—設(shè)疑—探疑—質(zhì)疑—解疑”的問題主線，圍繞“問題—證據(jù)—解釋—交流”的先決性條件開展探究活動，教師巡視指導(dǎo)。

2.4? ? 任務(wù)導(dǎo)向，凸顯科學(xué)探究

問題3：同種物質(zhì)，質(zhì)量與體積的比值是否相同？

問題4：不同物質(zhì)，質(zhì)量與體積的比值是否相同？

問題5：實驗中需要測量的物理量有哪些？

問題6：這些物理量用什么工具測量？

【活動一】 探究同種物質(zhì)的質(zhì)量和體積的關(guān)系（表1）。

（1）數(shù)據(jù)分析：將實驗數(shù)據(jù)填入表格，指導(dǎo)學(xué)生在數(shù)據(jù)關(guān)系不易直接觀察到時，可以借助圖像建立坐標(biāo)系、描點、連線處理數(shù)據(jù)，并發(fā)現(xiàn)物理量間的關(guān)系。

（2）分析論證：將實驗數(shù)據(jù)填入表格，并在圖像中正確描點（圖3），通過數(shù)學(xué)歸納和觀察圖像得出結(jié)論——同種物質(zhì)，質(zhì)量與體積的比值相同。

結(jié)論：通過數(shù)學(xué)歸納和觀察圖像得出結(jié)論——同種物質(zhì)的質(zhì)量與體積成正比或質(zhì)量與體積的比值是定值。

問題7：水的密度是1.0×103 kg/m3，它的含義是：_____________________________。

【活動二】 探究不同物質(zhì)質(zhì)量與體積的比值（表2、圖4）。

問題8：既然同種物質(zhì)的質(zhì)量與體積的比值相同，不同物質(zhì)的質(zhì)量與體積的比值不同，那么，“質(zhì)量與體積的比值”可以反映什么呢？

結(jié)論：通過數(shù)學(xué)歸納和觀察圖像得出結(jié)論——不同種物質(zhì)，質(zhì)量與體積的比值不同。

接下來，通過類比勻速直線運動速度的定義，學(xué)習(xí)密度的概念，指出“比值定義法”。

【評價】 以開發(fā)腦力為目標(biāo)的課堂教學(xué)，更加注重學(xué)生學(xué)習(xí)的主體性、過程的動態(tài)性、方式的多樣性等，突出學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，從而實現(xiàn)高效且可持續(xù)的課堂教學(xué)效果。本環(huán)節(jié)通過活動一、二，運用比值法，歸納抽象出密度概念（對應(yīng)學(xué)習(xí)目標(biāo)1和2）。整個學(xué)習(xí)過程，沿著預(yù)設(shè)的活動形成密度概念建立過程，突出了概念建構(gòu)的意義與策略，即為什么研究密度的概念，怎么研究，采用了什么實驗的手段和什么思維方法?？傮w來說，該環(huán)節(jié)理清了概念表述的形式——圖像、文字、公式；闡述了密度概念的內(nèi)涵，即對象的特有屬性；學(xué)習(xí)內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣，學(xué)生表現(xiàn)行為積極向上，遷移在速度概念中使用到的比值法，運用“啟發(fā)式、討論式、探究式、參與式”等多種學(xué)習(xí)方式，學(xué)生學(xué)習(xí)方法和個性特征有效凸顯。

2.5? ? 厘清本質(zhì)，養(yǎng)成思維習(xí)慣

（1）定義：某種物質(zhì)組成的物體的質(zhì)量與它的體積之比叫作這種物質(zhì)的密度，即

問題9：密度與質(zhì)量成正比，與體積成反比，這種說法對嗎？為什么說物質(zhì)的密度是物質(zhì)的一種特性？

（3）單位：kg/m3或g/cm3，其中1 g/cm3=103 kg/m3

問題10：冰和水的組成成分相同，但密度不同，原因是什么？不同物質(zhì)密度一定不同嗎？

【聯(lián)系實際】 自然界的密度之最：被稱為密度大王的黑洞，密度可達(dá)5×1019 kg/m3；“脈沖星”的密度高達(dá)1018 kg/m3；“中子星”的天體密度達(dá)1016 kg/m3；“白矮星”的天體密度為3.0×1010 kg/m3；鋨的密度為22.6×103 kg/m3等。

自然界密度最?。轰嚨拿芏戎挥?.534 g/cm3，密度最小的氣體是氫氣。

【活動三】 利用漏斗和不同飲料汁（表3）調(diào)制分層果汁飲料（圖5）。

【評價】 腦科學(xué)研究表明，探究式教學(xué)模式，不僅能顯著提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績，還能提高右腦傾向和形象思維［３］。若傳輸?shù)男畔⑴c學(xué)生自身的經(jīng)驗有關(guān)聯(lián)，更有利于學(xué)生建構(gòu)意義。本環(huán)節(jié)遵循學(xué)生學(xué)習(xí)心理發(fā)生規(guī)律，設(shè)計學(xué)習(xí)密度定義、公式、單位以及解決相關(guān)問題的活動（對應(yīng)學(xué)習(xí)目標(biāo)3）。學(xué)習(xí)內(nèi)容的豐富拓展了學(xué)生的視野，學(xué)習(xí)過程的多種刺激、多種學(xué)習(xí)方式，加深了學(xué)生對密度概念的理解，問題導(dǎo)向的探究活動達(dá)到了教學(xué)活動與學(xué)習(xí)目標(biāo)的一致性。

2.6? ? 遷移應(yīng)用，培養(yǎng)思維能力

問題1：氣凝膠堅固耐用，是航天探測中不可替代的材料，在正常情況下呈現(xiàn)煙云狀，主要成分是二氧化硅和含量為99.8%的空氣。氣凝膠的絕緣能力強(qiáng)，導(dǎo)熱性和折射率很低，可以承受自身重量幾千倍的壓力和1 400 ℃的高溫［３］。已知某大型飛機(jī)采用現(xiàn)在盛行的超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼（ρ鋼=7.8×103 kg/m3）制造，耗鋼130噸，若采用氣凝膠（ρ氣凝膠=5×10-6 kg/m3）代替鋼材來制造一架同樣大小的飛機(jī)，則需氣凝膠的質(zhì)量為多少？

問題2：在測量液體密度的實驗中，測得液體和燒杯的總質(zhì)量m與液體體積V的關(guān)系如圖6所示，則空燒杯的質(zhì)量和液體的密度分別為_________________。

問題3：酒精消毒液已成為居家必備用品。小強(qiáng)利用天平、量筒等實驗器材測量某酒精消毒液的密度。

（1）將天平放在___________上，將游碼移至標(biāo)尺左端的零刻度線處，此時指針位置如圖7甲所示，應(yīng)向___________調(diào)節(jié)平衡螺母直至天平平衡。

（2）測量步驟如下：

①在燒杯中倒入適量消毒液，用天平測出燒杯和消毒液的總質(zhì)量為78 g；

②將燒杯中部分消毒液倒入量筒，液面位置如圖7乙所示，量筒內(nèi)消毒液的體積為_____cm3；

③用天平測出燒杯和剩余消毒液的質(zhì)量，如圖7丙所示，則其質(zhì)量為___________g；

④消毒液的密度為___________g/cm3。

⑤測完密度后，小強(qiáng)發(fā)現(xiàn)，由于天平?jīng)]調(diào)零，測量結(jié)果偏大2 g，則測得的液體密度________（選填“偏大”“偏小”或“不變”）。

（3）方案比較：如果在上述步驟②中，將燒杯中全部消毒液倒入量筒，再測液體體積得出的結(jié)論，與步驟②方案比較哪種好？

【評價】 腦科學(xué)認(rèn)為，情感因素影響著大腦最初進(jìn)入的信息，即情感推動注意，注意推動學(xué)習(xí)［２］。為此，應(yīng)該科學(xué)合理地設(shè)計課堂檢測的對象、內(nèi)容和方式，通過問題的解決來積累思維方法，并在測評中強(qiáng)化知識的來龍去脈，從而形成科學(xué)認(rèn)知架構(gòu)。檢測本課的教學(xué)效果，較好地體現(xiàn)了“構(gòu)建新的評價體系”的課程理念。

2.7? ? 評價交流，健全思維品質(zhì)

請同學(xué)們從“知識層面”“方法層面”“思維層面”“探究層面”進(jìn)行評估與交流。

【評價】 腦科學(xué)研究表明，評價體系和評價方式的改革有助于提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)， 使學(xué)生的個性特長得到發(fā)展。而科學(xué)的評價，可使學(xué)生始終保持良好的心態(tài)、進(jìn)取的精神，最大限度地預(yù)防和減少學(xué)生的心理障礙疾患［４］。

準(zhǔn)確、系統(tǒng)、合理的評價與反思能夠鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力和自我評價能力，幫助學(xué)生更好地理清知識體系，發(fā)展學(xué)生善于總結(jié)、善于反思、善于評價的學(xué)科素養(yǎng)，真正發(fā)揮評價的育人功能，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展。

總之，以腦科學(xué)為基礎(chǔ)的“教—學(xué)—評”一體化，帶領(lǐng)教師走向了一個新的教學(xué)起點。腦科學(xué)突出了學(xué)習(xí)為中心、標(biāo)準(zhǔn)為綱領(lǐng)、目標(biāo)達(dá)成為基準(zhǔn)、評價為準(zhǔn)心的一體化復(fù)雜系統(tǒng)工程，為課堂教學(xué)改革、核心素養(yǎng)的落實奠定了堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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［２］馮春艷．腦科學(xué)知識及其在教學(xué)中的應(yīng)用［Ｊ］．基礎(chǔ)教育課程，２０２１，１７（９）：４０－４６．

［３］高峰．固體也能輕如煙［Ｊ］．華夏星火，２００２，９（１１）：６０．

［４］陶西平．腦科學(xué)與教育［Ｊ］．基礎(chǔ)教育參考，２００６，４（１２）：１．（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）