基于整合的进阶式教学设计研究——以概念进阶与论证进阶为例

弭 乐 郭玉英

(1. 盐城师范学院教育科学学院,江苏 盐城 224002; 2. 北京师范大学物理学系,北京 100875)

学习进阶引领了21世纪科学教育的变革与发展．核心素养以整合的视角对学生发展的必备品格和关键能力进行了梳理和提炼．基于整合的学习进阶,即“整合式进阶”是在凝练核心素养的背景下,对已开发出的学习进阶的统整和系统化,融合了核心观念和关键能力的进阶发展的认知模型,其更契合当代科学教育的发展理念．[1]

科学概念学习进阶描述了学生在不同复杂度等级上的认知水平;[2]科学论证学习进阶描述了与逐渐复杂的认知负荷相关联的论证结构水平．[3]科学论证对建构和批判做出了重要区分,能够有效支持学生的概念理解．[4]从学习进阶的角度研究科学论证,并将其与概念学习进阶进行整合,提供了一种整合概念学习与论证能力进阶发展的规划,也更贴近科学课堂的实际需求．所以,整合式进阶教学是对真实认知发展的描述和总结,是学习进阶发展的理想形式,是对核心素养发展轨迹的精确描述．

本文以概念进阶与论证进阶进行整合的教学理论框架为基础,建构了整合图,结合实例探讨整合式进阶的教学设计,并讨论教学设计的实践效果以及对后续研究的展望．

1 建构概念理解发展进阶与科学论证进阶的整合理论图

本文基于“整合发展”理念,针对发展学生物理学科核心素养的需要,对已有的相关文献进行了系统梳理．基于本研究团队开发的科学概念发展层级模型(分为5个逐级进阶的层级:经验、映射、关联、系统、整合)、[5]科学论证五要素结构(包括观点、推理、事实证据、理论依据和反驳),[6]参考了奥斯本建立的科学论证学习进阶(初级、中级、高级),[7]从大概念入手开展教学,借鉴Chen(2016)等呈现关键要素,并构建关联的方法,[8]建构了概念学习进阶与科学论证整合的教学理论框架．[9]

以理论框架为指导,整合思路如下:教学在大概念引导下提出研究问题,学生基于问题的驱动沿着科学概念理解的发展层级模型深入学习物理概念．与此同时,教学以科学概念层级的进阶为主线在概念进阶的关键点上渗透整合论证活动,从而实现概念理解与科学论证能力的协同发展．具体如图1所示．

图1 概念理解发展进阶与科学论证进阶的整合图

关于整合论证活动的设计,本文借鉴了Gotwals等(2012)的整合范式,即分别开发概念和科学实践能力的学习进阶,随后将两者不同层级的描述整合,利用整合后的表现期望来设计教学活动开展教学．[10]因此,本文整合论证活动的设计是通过表现期望发生的,而表现期望是通过概念进阶和论证进阶的整合确定的．已有研究表明,高水平的论证活动往往涉及较高层级的概念知识,而伴随着物理概念理解的深入,学生的论证能力也会逐步得到发展．[6]因此,在设计整合的表现期望时,本文将某一复杂度层级的概念理解表现与相应能力水平的论证表现进行了整合,例如将低层级的概念理解表现与低水平的论证表现进行了整合．

具体来说,例如选择主题概念理解进阶的某一层级(例如映射层级)与论证能力发展的某一进阶水平(例如初级水平)相结合,描述出整合的表现期望．基于该表现期望设计整合论证系列活动1,促进学生从具备经验层级的知识以及不能建构科学观点或证据,整合发展到具备映射层级的知识进行初级论证的能力．同理,若学生达到具备映射层级的知识进行初级论证的能力,再将概念关联层级的表现期望与论证中级水平B的表现期望结合,基于该整合的表现期望设计整合论证系列活动2,促进学生整合发展到具备关联层级的知识进行中级论证B的能力,以此类推．

综上,教师在“整合发展”理念的指引下,以科学概念层级的进阶发展为主线,在概念进阶的关键点上渗透不同水平的整合论证活动,同时注重教学策略(例如口头论证、书面论证等)的运用,促进学生概念理解和论证能力的协同发展．

2 基于概念学习进阶与科学论证整合的教学设计

下面依据教学设计模型分别从基于进阶的学情分析、学习过程的设计、教学开发、反馈等4个环节对概念学习进阶与科学论证整合的教学设计展开分析．

2.1 基于进阶的学情分析

首先分析教学主题内容对应的核心概念,再依据概念进阶和论证进阶学习进阶框架进行前测和访谈,依据前测和访谈结果展开学情分析．描述学生在概念理解和论证能力方面的发展现状,进而确定将概念进阶和论证进阶进行整合的层级,例如从机械能主题教学前测中发现,学生对能量的形式和转化关系的理解,总体处于映射层级,即学生能以物体的速度为指标量,定性描述物体的“动能”与物体的质量、运动速度的关系;能以物体的高度为指标量,定性描述物体的“重力势能”和物体质量、高度的关系;意识到在能量转化的过程中有热量放出．而在科学论证能力发展上,学生主要分布在初级水平,学生能够基于证据选择适当的观点,或依据观点匹配适当的证据．另外,学生对科学论证的认识和能量概念的理解呈现分离的状态,没有形成整合理解．

2.2 学习过程的设计

根据学情分析的结果来规划整体的学习过程．将学习过程设计成一系列阶段性学习目标,每个学习目标对应不同水平的表现期望．学生从现有的认知状态出发,逐次经历各个中间认知状态,最终达到课题设定的目标状态．基于学习进阶的整合是通过概念进阶和论证进阶的整合表现期望实现的．在上例中,学生概念发展需要从映射层级经过关联层级和系统层级,最终达到整合层级;论证能力需要从初级水平经历中级B和中级A,最终达到高级水平．需要在各个层级上建构整合的表现期望．首先选择概念理解进阶的关联层级与中级论证B相结合,描述出整合的表现期望(图2),即第一个中间认知状态的表现期望．与此类似,描述出各个认知状态整合后的表现期望．

图2

2.3 教学开发

以学习过程的设计为脚本,开发具体的整合式进阶教学活动．首先依据大概念确定教学驱动问题,使其指向概念理解模型的初步建构．例如，依据能量概念提出“功是能量转化的量度吗?”引导学生建构能量转移概念的模型以及详述完整的论证过程．以驱动问题为导向,拟定教学流程和整合式进阶学习活动．

为帮助学生逐级进阶,本文参考了认知支架理论．认知支架有两个关键概念: (1) 学习者获得帮助,以便成功解决更复杂的任务,否则将是困难的; (2) 学习者借鉴了这种经验,能够改进过程技能和(或)内容理解．所以认知支架有助于构建学习任务,为学生处理更复杂的内容和技能提供支持．[11]本文以认知支架理论为基础提出了“概念支架”和“论证支架”两个认知支架,同时借鉴Gotwals(2013)等实践能力分层研究,[12]构建了基于认知支架的整合论证教学活动设计(表1),包括3个阶段(初级、中级、高级)、11个水平．每个阶段首先提供双支架(初级为单支架),再逐步撤去论证支架,最后撤去概念支架,旨在逐级规划学生概念理解与论证能力的协同发展．

表1 基于认知支架的整合论证教学活动设计

续表

概念支架包括有关知识内容或操作步骤的提示或暗示．论证支架包括论证结构要素名称的提示或暗示．基于认知支架的整合论证教学活动分为3个能力提升阶段:初级阶段、中级阶段和高级阶段．初级阶段(水平1、2)侧重发展学生映射层级的知识,以及提出观点的意识和能力,或者依据观点匹配证据的意识和能力;中级阶段(水平3-水平8)依次发展学生关联层级和系统层级的知识,以及基于证据进行推理和论证的能力； 高级阶段(水平9-水平11)侧重发展学生整合层级的知识,以及反驳论证的能力．

由学情分析可知，本阶段应利用整合论证活动2(表2),促进学生从具备映射层级的知识进行初级论证的能力,整合发展到具备关联层级的知识进行中级论证B的能力,即培养学生基于能量关联层级的知识建构推理的意识和能力．与此类似,设计其他各个教学阶段的整合论证系列活动．

表2 整合论证活动2(中级论证B活动)

续表

综上,利用基于认知支架的整合论证系列活动实现各个阶段的整合教学目标．教学中注重书面论证、口头论证、认知理解和社会协商,以及针对性的论证等教学策略的运用．

2.4 反馈

测试工具的设计按照“开发测试工具—事前分析—施测—数据分析”进行．首先从历年学科能力测试和教学改进中选择试题,随后根据概念进阶和论证进阶进行整合后的表现期望对每道试题进行事前分析,即将概念的某一层级融入某一水平的论证实践整合成一项评估试题,将评估试题与整合的表现期望进行对应匹配,评标按照等级赋分．依据认知支架理论,开发不同论证级别的测评工具,帮助教师及时掌控教学推进过程中学生对核心概念理解与科学论证能力整合发展的现状,作为调整与改进教学的依据．

3 应用与效果

本文依托教学改进项目,针对机械能主题规划单元的学习过程和设计教学活动,开展准实验研究．选取S省E中学高一教师W及其所教两个班级为研究样本．教学前测显示学生在能量概念理解和科学论证两方面均无显著性差异,随机确定为实验班和对照班．使用相同的教材《普通高中课程标准试验教科书·物理》(人民教育出版社)和教学材料(练习册,测试卷)．为指导任课教师针对实验班实施整合教学,首先对教师展开培训,使其掌握整合教学的理念、方法和具体实施策略．教师以概念理解发展模型与科学论证进阶的整合思想为指导,进行基于认知支架的整合论证教学活动设计,以及实施整个主题单元内容的教学．对照班遵循常规教学模式．实验班和对照班课时数相同,每周3课时．

统计资料来源包括观察、小组写作、半结构化访谈和研究者的现场记录．其中小组写作来源于4次全班讨论(动能定理和机械能守恒各2次)中的6轮小组论证写作(讨论前和讨论后各收集1次),每班学生分为7组,共计收集84份(实验班和对照班各42份)小组写作．从能量概念理解和科学论证能力两方面分析小组写作．能量概念用4分制(0、1、2、3)赋分;科学论证按5要素分析: (1) 观点的准确性; (2) 注重证据质量的充分性; (3) 注重推理的证据质量; (4) 观点与问题之间的关系; (5) 观点与证据之间的关系．各要素用5分制(0、1、2、3、4)赋分．概念理解和科学论证均由两名独立评分者评分,评分者信度采用kappa计算,分别为0.89和0.85．由于样本量较小,故采用非参数统计Wilcoxon符号秩检验统计结果．下面分别从能量概念理解和科学论证两方面,对小组写作进行评分,并将结果进行汇总整理,如表3和表4所示．

表3 “能量理解”班级比较

表4 “科学论证”班级比较

对实验班和对照班的概念理解表现进行检验,第1轮没有显著性差异,从第2轮开始差异显著,到了第5轮和第6轮差异极其显著．统计分析表明,随着整合教学的深入开展,实验班学生与对照班之间存在显著性差异;对实验班和对照班的科学论证表现进行检验,第1轮差异不显著,从第2轮到第6轮差异持续显著．由统计分析可知,伴随整合教学的逐步深入,实验班与对照班之间的论证表现也存在显著性差异．为追踪实验班学生科学论证能力随时间的进展,按照5要素将结果进行汇总整理,如表5所示．

表5 实验班学生“科学论证”5要素表现统计表

在动能定理教学中,第1轮小组写作科学论证总分为3.11分,在第3轮总结写作中,总分显著提高到11.12分．Wilcoxon符号秩检验显示,学生的论证得分从第1轮到第3轮都有统计学上的显著提高．科恩d效应大小(Cohen’s d effect size)也证实同样结果．在机械能守恒定律教学中,第4轮小组写作论证总分为5.91分,到了小组总结写作总分显著提高到19.41分．Wilcoxon符号秩检验显示,学生依次经过两次整合教学全班讨论之后,小组写作论证得分都有显著性提高．科恩d效应大小也都是大效应量．

综合上述统计结果,全班讨论后小组书面论证的提高都具有统计学意义,即整合式进阶讨论具有显著的干预效果．研究显示实验班学生通过多轮整合式全班讨论,聚焦小组论证进阶陈述,以及有更多的机会书写科学论证,从而形成更高质量和更复杂的论证．

从科学论证评估的5个要素分析,在动能定理教学第1次全班讨论后,观点的准确性显著提高;在第2次全班讨论后,观点的准确性、观点与问题之间的关系显著提高;在机械能守恒定律教学第3次全班讨论后,除了注重推理的证据质量外,其他4个要素都有显著性提高;在第4次全班讨论后,全部论证要素都获得显著性改善．

综上,小组书面论证首先提高了观点的准确性,随后改善了问题、观点和证据之间的关系,最后提高了侧重于充分性和推理的证据质量．经过4次整合式进阶教学讨论以及相应6轮小组写作,实验班小组写作论证的5个要素水平均呈现显著的进阶发展．

4 讨论与展望

本文基于物理概念学习进阶与科学论证整合的理论框架,针对概念进阶的节点设置一系列整合的表现期望,开展逐级进阶的整合论证活动,学生按照进阶模型建构概念和论证以及与同伴进行互动学习．针对4次课堂讨论和6次小组写作,探讨整合式进阶教学对学生建构概念理解与发展科学论证能力的效果,实证结果有力支撑了研究设计．

4.1 整合式进阶教学应重视社会协商与论证写作的交互影响

本文实施了整个主题单元的整合式进阶教学．与已有论证教学关注教授论证结构和基于前后测评估学生论证能力不同,整合式进阶教学要求学生将论证作为探究学习的基础,论证的进阶发展和实践没有脱离科学概念的学习．学生参与整合式进阶学习,有机会提出问题、建构观点,从资料中获取证据,参与更多的辩论实践,他们逐渐形成更复杂的论证和证据．他们逐渐完善了社会协商实践,理解了论证的含义,并体现在随后的口头论证和书面写作中．

研究发现,多数学生并非天生具备参与社会和认知的辩论实践能力,而是在参与建构者和批判者角色的实践中,理解社会谈判的核心要素组成,何时使用这些要素,如何从原始数据中获取证据,以及如何在全班讨论中达成共识．在全班讨论中,学生以小组讨论的方式进行讨论,最初关注构建自己的论点,以及批判他人论点．他们较少使用批判策略,而是致力于寻求信息．他们努力理解同伴的论点,很少发起挑战,即使学习环境和课程是为构建和批判科学知识而设计的．学生不太重视观点的公正性(即支持、辩护、拒绝),而更关注提出观点．随着时间的推移,学生持续开展整合式进阶活动和聚焦小组论证,他们开始使用挑战、辩护、拒绝和(或)支持来论证和陈述问题．他们在全班讨论中逐渐融入批判和科学概念的建构,学生的概念理解与论证能力呈现明显的进阶发展．

整合式进阶教学将讨论和写作作为认识论工具进行交互设计与实践,其内含社会协商与认知功能,激发学生从初步提出论点转变为建构或参与批判的关键核心要素,进而整合发展概念知识与论证能力．因此,开展整合式进阶教学实践,应统整社会和认知两方面,利用谈话和写作的交互循环建立逐级进阶的实践范式．

4.2 基于整合的教学设计,有助于驱动学生深入学习,为落实核心素养目标提供保障

整合式进阶教学是由实现TSTS(Taking Science to School,简称TSTS)学习进阶研究愿景过程中遇到的障碍驱动的．[13]早期学习进阶研究关注学生的概念获得,对学习进阶的描述限制在有限的水平和途径上,随后的学习进阶研究认识到学生学习的复杂性和可变性,试图将科学知识作为实践来建模,[14]在近年来以整合核心概念和关键能力的发展为主线的学习进阶引领着进阶研究的突破和转型．与单一的、固定的进阶模式不同,整合式进阶依据科学设计原则(假设、以研究为基础、教育意义)和核心要素(大概念、交织的维度、起点、中间步骤、多路径和高锚点)对进阶的多个方面产生影响．

多进阶变量的交织是学习进阶研究的一个重要方向,已有整合教学研究试图描述这些维度在重大进展中相互作用的方式．例如,在有机化学领域,学生对答案类型的认知影响了他们在多步合成问题上的表现;[15]学生对物理学中不确定性问题的理解可能涉及情感、社会和认知的进步．[16，17]与单维进阶学习相比,包含认知、程序和社会学习的多维交织的整合式进阶学习,有助于获得最大的学习收益．Sikorski等在学习进阶研究中提出“情境依赖”概念,将上锚从一种固定的、复杂的思维方式,转变为更广阔的、多元性和语境依赖性的认知方式,提出3种情境依赖模型:第1种模型将学习进阶视为工具箱或思维方式的集合,而不是一堆排列好的思考方式;第2种模型将学习进阶的进阶锚点定义为累积的,即每一级都明确地包括其低级水平的推理;第3种模型建立了一种更高层次理论,特别针对解决学生的情境依赖问题．[18]

本文吸纳前期研究成果,所建构的整合的教学设计,描绘了在教学影响下学生在某领域的概念理解与科学论证能力发展的蓝图．整合式进阶教学体现了大概念统领下的整合论证教学活动．基于整合的表现期望将学习过程设计成一系列阶段性学习目标．利用基于认知支架的整合论证系列活动实现各个阶段的整合教学目标．教学中注重书面论证、口头论证、认知理解和社会协商,以及针对性的论证等教学策略的运用,不仅提升了物理观念和科学思维,培养了责任意识、协作能力,严谨认真、实事求是的科学态度,而且内在地经历了科学本质教育,有利于落实物理学科核心素养课程目标．

综上,整合式进阶教学对核心概念和关键能力的发展进行整合式规划,在当前发展学科核心素养目标的形式下,将有广阔的发展前景．期望本模式及其所蕴含的整合式教学的思想为教育研究者或一线教师提供参考和启发．