大概念統(tǒng)攝下的小學(xué)科學(xué)“天體運(yùn)動(dòng)”學(xué)習(xí)進(jìn)階研究

李中國(guó) 郭念琪

【摘 要】大概念是圍繞涉及重要科學(xué)領(lǐng)域的有結(jié)構(gòu)、有聯(lián)系的科學(xué)核心概念和模型，構(gòu)成學(xué)科課程學(xué)習(xí)框架，處于學(xué)科的統(tǒng)攝地位。學(xué)習(xí)進(jìn)階是以學(xué)科大概念為基礎(chǔ)，以課程標(biāo)準(zhǔn)與教材為依據(jù)，依照學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律所開展的教學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐。從小學(xué)科學(xué)“天體運(yùn)動(dòng)”大概念中提煉出四個(gè)核心概念，依據(jù)各核心概念的學(xué)習(xí)進(jìn)程劃分進(jìn)階維度，提出進(jìn)階評(píng)級(jí)要求，確定成就水平，融合學(xué)習(xí)維度與關(guān)鍵能力的培養(yǎng)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)軌跡，以此為腳本進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)。最終提出整合核心概念，厘清進(jìn)階路線；依據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)階模型，開發(fā)教學(xué)設(shè)計(jì)；強(qiáng)調(diào)及時(shí)反饋，促進(jìn)“教”“學(xué)”“評(píng)”相一致，最終實(shí)現(xiàn)大概念的有效教學(xué)。

【關(guān)鍵詞】小學(xué)科學(xué) 天體運(yùn)動(dòng) 大概念 學(xué)習(xí)進(jìn)階

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）明確提出，小學(xué)生應(yīng)該掌握核心概念，同時(shí)針對(duì)每一條概念設(shè)置三個(gè)學(xué)段的進(jìn)階過程。這一要求反映了學(xué)習(xí)進(jìn)階與大概念之間的緊密聯(lián)系，強(qiáng)調(diào)了通過對(duì)學(xué)科內(nèi)容進(jìn)行整合與重構(gòu)可以更好地適應(yīng)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展和學(xué)習(xí)需要。為了響應(yīng)這一教育理念并促進(jìn)其在小學(xué)科學(xué)教育中的實(shí)施，科學(xué)教師的教學(xué)必須以學(xué)習(xí)進(jìn)階為指導(dǎo)原則，精心設(shè)計(jì)與開展教學(xué)活動(dòng)，確保學(xué)生的學(xué)習(xí)過程始終圍繞大概念展開，以實(shí)現(xiàn)科學(xué)知識(shí)的深度掌握和綜合運(yùn)用。科學(xué)大概念不僅為教學(xué)提供了清晰的方向和框架，更是連接教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容、方法和評(píng)估的紐帶，具有深遠(yuǎn)的教育價(jià)值和實(shí)踐意義。

一、小學(xué)科學(xué)課程中“天體運(yùn)動(dòng)”概念圖譜

（一）“天體運(yùn)動(dòng)”概念解析

天體運(yùn)動(dòng)是天文學(xué)和物理學(xué)的核心概念之一，涉及天體（如地球、月亮、太陽和其他星球）在太陽系中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。這一概念已經(jīng)成為科學(xué)教育的重要組成部分。在新課標(biāo)中，“天體運(yùn)動(dòng)”被確定為小學(xué)科學(xué)教育的重要主題，強(qiáng)調(diào)了地球自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)、月球運(yùn)動(dòng)和太陽系的基本特性等核心概念。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)新課標(biāo)開展了一系列研究，探討了如何有效地整合“天體運(yùn)動(dòng)”的概念和教學(xué)實(shí)踐。

在新課標(biāo)中，第九部分“宇宙中的地球”章節(jié)提出“地球繞地軸自轉(zhuǎn)”“地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)”“月球是地球的衛(wèi)星”“地球是一顆行星”“地球所處的宇宙環(huán)境”“太空探索拓展了人類對(duì)宇宙的認(rèn)知”六個(gè)核心概念，現(xiàn)將這六個(gè)核心概念進(jìn)一步提煉概括為“天體運(yùn)動(dòng)”“地球組成” “地球家園”。通過對(duì)新課標(biāo)與教材的梳理可以發(fā)現(xiàn)，天體運(yùn)動(dòng)章節(jié)貫穿小學(xué)、初中、高中始終，且在小學(xué)階段貫穿一至六年級(jí)三個(gè)學(xué)段，同時(shí)與初中課程緊密銜接。因此，結(jié)合2017年版課標(biāo)和2022年版新課標(biāo)，最終選取“在太陽系中，地球、月亮和其他星球有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)著”為最終構(gòu)建的大概念。在大概念的架構(gòu)過程中，通常有核心概念作為具體支撐。美國(guó)《K-12教育框架》將概念劃分為核心概念和關(guān)鍵概念，核心概念是整合某個(gè)學(xué)科內(nèi)容提煉出的對(duì)學(xué)科理解有非常重要意義的少數(shù)關(guān)鍵概念；關(guān)鍵概念則為其次級(jí)概念。

（二）小學(xué)科學(xué)課程中的“天體運(yùn)動(dòng)”概念矩陣

概念矩陣是一種有組織的知識(shí)結(jié)構(gòu)，能夠系統(tǒng)地展示不同概念之間的關(guān)系和層次結(jié)構(gòu)。在教育領(lǐng)域，它可以作為一種有效的工具，幫助學(xué)生理解和掌握復(fù)雜的科學(xué)概念。通過矩陣，教師可以分階段、分層次地引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，使學(xué)生由淺入深、循序漸進(jìn)地掌握知識(shí)。通過概念矩陣，學(xué)生可以更好地分析和評(píng)估概念之間的關(guān)系，培養(yǎng)邏輯思維和批判性思考能力。學(xué)習(xí)進(jìn)階研究若想要真正支持學(xué)生的學(xué)習(xí)，就需要以概念的認(rèn)知根基為起點(diǎn)，圍繞學(xué)生在該概念上的認(rèn)知發(fā)展構(gòu)建概念發(fā)展的主軸。為了更直觀地展示核心概念間的關(guān)系，借助概念矩陣，現(xiàn)依據(jù)核心概念關(guān)鍵詞和新課標(biāo)等相關(guān)文件，對(duì)核心關(guān)鍵詞剖析、串聯(lián)，刻畫出“天體運(yùn)動(dòng)”領(lǐng)域核心概念的學(xué)習(xí)矩陣。在該矩陣中，能夠看到以“地球”為中心詞展開的學(xué)習(xí)路徑是從原理到現(xiàn)象、從概念到認(rèn)識(shí)、從理性到感性，層層遞進(jìn)、環(huán)環(huán)相扣的過程。以本矩陣為依據(jù)，有助于接下來更好地構(gòu)建學(xué)習(xí)進(jìn)階路徑。（如圖1）

二、圍繞大概念構(gòu)建“天體運(yùn)動(dòng)”學(xué)習(xí)進(jìn)階

（一）劃分學(xué)習(xí)進(jìn)階維度

學(xué)習(xí)進(jìn)階維度一般是學(xué)科內(nèi)或科學(xué)實(shí)踐過程中的核心概念，通過追蹤學(xué)生在這些維度上的發(fā)展可以了解其整體學(xué)習(xí)進(jìn)程。本研究在提煉核心概念與構(gòu)建概念矩陣的基礎(chǔ)上，結(jié)合新課標(biāo)，對(duì)“天體運(yùn)動(dòng)”核心概念進(jìn)行維度劃分。（見表1）

（二）基于“天體運(yùn)動(dòng)”概念的學(xué)習(xí)進(jìn)階評(píng)價(jià)要求

以皮亞杰認(rèn)知結(jié)構(gòu)結(jié)論為依據(jù)，小學(xué)階段學(xué)生基本處于具體運(yùn)算階段（7～11歲），該階段兒童心理活動(dòng)的對(duì)象主要是抽象概念，有一定的運(yùn)算性（邏輯性），但思維活動(dòng)仍舊需要具體內(nèi)容的支持。因此，本研究在設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)進(jìn)階的過程中，始終以具體事實(shí)內(nèi)容為設(shè)計(jì)前提，在內(nèi)容編排、活動(dòng)設(shè)計(jì)上以概念的形成為目的。北京師范大學(xué)郭玉英、姚建欣團(tuán)隊(duì)參照了國(guó)外研究，引入認(rèn)知理論確立進(jìn)階變量，確定學(xué)習(xí)進(jìn)階的范式。在核心概念的學(xué)習(xí)進(jìn)階上，其團(tuán)隊(duì)依據(jù)層級(jí)復(fù)雜度和在知識(shí)整合的理論基礎(chǔ)上提出了“科學(xué)概念理解發(fā)展的層級(jí)模型”。參考該模型，以上文中維度——“晝夜更替”為例，劃分出進(jìn)階評(píng)價(jià)要求。（見表2）

（三）“天體運(yùn)動(dòng)”成就水平的確定

成就水平是指在學(xué)習(xí)進(jìn)階所追蹤的發(fā)展路徑上存在多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的中間步驟，即學(xué)生對(duì)某一概念的理解及其理解水平。進(jìn)階水平往往決定了個(gè)體的學(xué)習(xí)成效。本研究以學(xué)者Plummer的研究成果為參照，依照上文科學(xué)概念發(fā)展的層級(jí)模型，結(jié)合小學(xué)階段學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)進(jìn)行了成就水平的劃分。需要強(qiáng)調(diào)的是，設(shè)計(jì)子任務(wù)時(shí)，應(yīng)注意能力進(jìn)階障礙，及時(shí)反饋進(jìn)階過程的成就水平，并提供合理的進(jìn)階工具支持。因此，在實(shí)際教學(xué)中，教師應(yīng)對(duì)學(xué)生成就水平節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有效性檢測(cè)，通過問卷調(diào)查、前測(cè)與后測(cè)試卷等方式進(jìn)行測(cè)評(píng)。通過對(duì)教科版科學(xué)一至六年級(jí)教材以及新課標(biāo)中“天體運(yùn)動(dòng)”相關(guān)概念的梳理，分析該主題中核心概念以及所包含的一般概念和學(xué)科事實(shí)性知識(shí)，并以此為基礎(chǔ)，借鑒優(yōu)秀教師的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以及和學(xué)生進(jìn)行交流討論，對(duì)維度一包含的內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)階水平的劃分，確定各水平的概念理解程度和預(yù)期行為表現(xiàn)，完成維度一學(xué)習(xí)進(jìn)階成就水平的設(shè)計(jì)。（見表3）

從表3可以看出，在水平一中，學(xué)生的學(xué)習(xí)水平在入學(xué)前多為簡(jiǎn)單事實(shí)的羅列；從水平一到水平二，學(xué)生對(duì)影子形成的原理有了初步的理性認(rèn)識(shí)，在此階段學(xué)生動(dòng)手進(jìn)行簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)，具有了初步的空間想象能力和模型思維；從水平二到水平三，學(xué)生明顯具有了推理能力和模擬實(shí)驗(yàn)的能力；從水平三到水平四，是學(xué)生深入學(xué)習(xí)的關(guān)鍵階段，學(xué)生對(duì)事實(shí)進(jìn)行抽象地理論概括，進(jìn)一步深化對(duì)模型的理解；水平五是進(jìn)階終點(diǎn)，同時(shí)也是中學(xué)階段學(xué)習(xí)進(jìn)階的起點(diǎn)，這一階段學(xué)生的學(xué)習(xí)需要起到鋪墊和銜接作用。學(xué)生可以進(jìn)行“天體運(yùn)動(dòng)”原理的概括以及熟練掌握模型，同時(shí)能夠通過復(fù)雜的邏輯推理對(duì)事實(shí)現(xiàn)象證明或預(yù)測(cè)。通過水平一、二、三和四目標(biāo)的達(dá)成，學(xué)生最終形成水平五的成就。這些不同的節(jié)點(diǎn)便構(gòu)成了學(xué)習(xí)進(jìn)階成就水平，每一水平階段都詳細(xì)描述了學(xué)生相應(yīng)的表現(xiàn)預(yù)期。

（四）融合維度一構(gòu)建學(xué)習(xí)進(jìn)階軌跡

為了進(jìn)一步構(gòu)建和呈現(xiàn)學(xué)習(xí)進(jìn)階，本研究從認(rèn)知科學(xué)與教學(xué)論視角出發(fā)，對(duì)“天體運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)一步分析，用較為簡(jiǎn)單的軌跡進(jìn)行表征。學(xué)習(xí)軌跡是多元、多段、復(fù)雜的，不僅涉及概念理解和關(guān)鍵能力等多種認(rèn)知發(fā)展要素的協(xié)同發(fā)展路線，同時(shí)在軌跡中遵循“層級(jí)中間為主、內(nèi)部為輔”的多個(gè)層級(jí)的多段發(fā)展規(guī)律。本研究參照美國(guó)教育研究學(xué)會(huì)（AERA）年會(huì)上報(bào)告的研究，設(shè)計(jì)“天體運(yùn)動(dòng)”學(xué)習(xí)進(jìn)階的五段式學(xué)習(xí)軌跡。從圖3可以看出，學(xué)習(xí)進(jìn)階過程是不同認(rèn)識(shí)發(fā)展要素相互融合的遞進(jìn)式學(xué)習(xí)過程，自水平一到水平五的完成過程，也是認(rèn)知發(fā)展與關(guān)鍵能力的協(xié)同發(fā)展過程。

（五）以學(xué)習(xí)軌跡為腳本，設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)

相對(duì)于現(xiàn)有文獻(xiàn)的理論研究，本研究打破了“只見樹木，不見森林”的研究方式，依據(jù)維度一的學(xué)習(xí)軌跡設(shè)計(jì)相應(yīng)階段的學(xué)習(xí)活動(dòng)（見表4）。同時(shí)，教師在依據(jù)此教學(xué)活動(dòng)為設(shè)計(jì)依據(jù)時(shí)，要注重學(xué)生反饋，及時(shí)對(duì)學(xué)生的檢測(cè)結(jié)果和自我反思進(jìn)行不斷的修正與改進(jìn)。

三、“天體運(yùn)動(dòng)”學(xué)習(xí)進(jìn)階教學(xué)實(shí)踐策略

通過分析可知，基于大概念的學(xué)習(xí)進(jìn)階路徑不是一成不變的，而是在教學(xué)實(shí)踐中不斷迭代更替的過程。為了實(shí)現(xiàn)大概念的最終構(gòu)建，教師不應(yīng)僅僅依賴現(xiàn)有的學(xué)習(xí)進(jìn)階模型刻板套用于教學(xué)實(shí)踐，而是要將上述教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)變得更具備可操作性、靈活性。本研究以“天體運(yùn)動(dòng)”概念為例厘清學(xué)習(xí)進(jìn)階的路線，提出具體教學(xué)設(shè)計(jì)，以及“教”“學(xué)”“評(píng)”之間的關(guān)系，有助于更好地將學(xué)習(xí)進(jìn)階模型應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐。

（一）整合核心概念，厘清進(jìn)階路線

概念的整合更有助于學(xué)生宏觀把握科學(xué)知識(shí)，在準(zhǔn)確理解學(xué)科大概念的前提下，進(jìn)行核心概念的提煉梳理，科學(xué)規(guī)劃學(xué)習(xí)進(jìn)階路線。厘清進(jìn)階路線首先要確定進(jìn)階起點(diǎn)與終點(diǎn)，在小學(xué)科學(xué)課程中，進(jìn)階終點(diǎn)一般是小學(xué)畢業(yè)所要達(dá)到的成就水平。在科學(xué)課程內(nèi)部不同的概念有著不同的進(jìn)階路徑，教師在選取其中之一后，通過追蹤學(xué)生在某一概念的學(xué)習(xí)進(jìn)程如何，可以將其劃分為不同的進(jìn)階維度。本研究將“天體運(yùn)動(dòng)”劃分為五個(gè)維度，選取其中一個(gè)維度進(jìn)行多個(gè)互相關(guān)聯(lián)的成就水平劃分，根據(jù)學(xué)生的目標(biāo)水平達(dá)成情況，劃分為不同的科學(xué)發(fā)展層級(jí)。以該層級(jí)為參照可以反映出學(xué)生思維發(fā)展過程的普遍水平。教師通過觀測(cè)各水平的學(xué)生預(yù)期表現(xiàn)，可以自行開發(fā)出評(píng)估工具。特定的測(cè)評(píng)工具可以追蹤學(xué)生在該預(yù)期路徑上的發(fā)展情況。通過驗(yàn)證該測(cè)評(píng)工具，可以進(jìn)一步修正成就水平的劃分，依據(jù)最真實(shí)的測(cè)評(píng)成果進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。

（二）依據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)階模型，開發(fā)教學(xué)設(shè)計(jì)

以學(xué)習(xí)軌跡為腳本，設(shè)計(jì)學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)，進(jìn)而開始教學(xué)設(shè)計(jì)的具體開發(fā)。依據(jù)進(jìn)階模型，教學(xué)開發(fā)以驅(qū)動(dòng)問題和錨基任務(wù)為起點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生興趣和好奇心。好的驅(qū)動(dòng)問題和錨基任務(wù)以“天體運(yùn)動(dòng)”大概念中“地球每天自西向東圍繞地軸自轉(zhuǎn)，形成晝夜交替等有規(guī)律的自然現(xiàn)象”即“晝夜交替”概念為例，學(xué)生需要經(jīng)歷從水平三到水平四的進(jìn)階，同時(shí)為水平五的達(dá)成做鋪墊。基于此，在課堂伊始教師通過播放《流浪地球》的電影片段創(chuàng)設(shè)情境，提出一系列驅(qū)動(dòng)問題或錨基任務(wù)：（1）地球流浪之后，發(fā)生了什么變化？（2）為什么地球開始“流浪”了？（3）沒有了白天黑夜，你的生活將會(huì)變成什么樣？（4）太陽發(fā)生了什么變化？如果太陽不動(dòng)，只有地球動(dòng)是什么樣子？（5）反過來，地球不動(dòng)，太陽動(dòng)又是什么樣？（6）地球和太陽同時(shí)動(dòng)又是什么樣子？（7）日心說和地心說是否都成立？（8）如何驗(yàn)證你的假設(shè)呢？該節(jié)課的主要活動(dòng)是模擬實(shí)驗(yàn)，通過《流浪地球》創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)生好奇心，激活學(xué)生上一學(xué)段學(xué)習(xí)內(nèi)容的記憶片段，學(xué)生對(duì)地球與太陽的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有了初步的感性認(rèn)識(shí)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，得出多種晝夜交替現(xiàn)象的解釋。一系列的提問讓學(xué)生隨著科幻劇情盡情想象，有助于從已有的地球自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)概念進(jìn)行知識(shí)遷移，最終達(dá)到“晝夜交替現(xiàn)象有多種可能”“晝夜現(xiàn)象與地球和太陽的相對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)有關(guān)”的成就水平。學(xué)生在留有疑問的同時(shí)，也為“尋找證據(jù)推導(dǎo)證明地球自轉(zhuǎn)的方向，即地球自轉(zhuǎn)的方向與天體的東升西落相反，即自西向東”核心概念的學(xué)習(xí)做了隱性鋪墊。

（三）強(qiáng)調(diào)及時(shí)反饋，促進(jìn)“教”“學(xué)”“評(píng)”相一致

學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)應(yīng)該通過及時(shí)高效的課堂反饋不斷對(duì)學(xué)習(xí)進(jìn)階的水平節(jié)點(diǎn)不斷修正；新課標(biāo)所構(gòu)建的主要概念以課堂反饋的學(xué)生認(rèn)知發(fā)展為基礎(chǔ)不斷完善。因此，學(xué)習(xí)進(jìn)階的“教”“學(xué)”“評(píng)”三者是密不可分、相輔相成的。教師在教學(xué)過程中參照郭玉英團(tuán)隊(duì)研發(fā)的ADDIE學(xué)習(xí)模式，通過課堂反饋有效改進(jìn)教學(xué)，同時(shí)修正教師基于進(jìn)階的學(xué)情分析，不斷調(diào)整進(jìn)階過程。在現(xiàn)有研究中，如何高效地使三者有機(jī)結(jié)合還未有確定的模式。具體教學(xué)工作中，任課教師需通過問卷調(diào)查、學(xué)期前測(cè)、課堂前測(cè)以及后測(cè)等方式及時(shí)把握學(xué)生認(rèn)識(shí)發(fā)展變化水平，記錄并監(jiān)測(cè)學(xué)生對(duì)模糊概念、迷思概念的理解進(jìn)度。這就要求教師轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)“教書匠”角色，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探究、主動(dòng)反饋學(xué)習(xí)信息，改變傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方式。

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