核心素养导向下的物理概念进阶教学模式研究

杨成滔 洪哲新 黄家茵 皮飞鹏

摘 要：核心素养导向下的物理概念进阶教学是当前教育研究的热点问题，但是现有的研究存在进阶培养核心素养意图含糊、进阶路径过于灵活以及层级理解不饱和等问题.本文以“热机效率”教学为例，结合物理学科核心素养的内涵，在学习进阶层级发展模型的基础上，进一步构建核心素养导向下的物理概念进阶教学模式，以经验、映射、关联层级进阶促进学生物理观念形成，以系统层级进阶促进学生科学思维提升，以整合层级进阶促进学生科学品质凝炼，希望能为优化物理概念教学提供参考.

关键词：核心素养;学习进阶;物理概念教學

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）18-0011-04

作者简介：杨成滔（1996-），男，广东广州人，硕士研究生，研究方向：中学物理教学;

洪哲新（1991-），男，广东汕头人，硕士研究生，研究方向：中学物理教学;

黄家茵（1996-），女，广东茂名人，硕士研究生，研究方向：中学物理教学.

通讯作者：皮飞鹏（1965-），男，湖南人，博士，副教授，硕士生导师，研究方向：物理课程与教学研究.

近年来，以物理学科核心素养为导向的课堂教学改革成为中学物理教育改革的重要方向，提升学生综合素质、发展学生物理学科核心素养成为课堂教学的重要目标.物理学科核心素养主要包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个要素.其中，物理观念是物理概念和规律在头脑中的提炼与升华，是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础[1]. 因此，让学生在头脑中形成正确的物理概念是形成物理观念的必然选择.以此为背景，北京师范大学郭玉英教授团队建构了符合我国学情的学习进阶发展层级模型[2]（见表1），揭示学生概念理解的发展规律并创设促进学生概念理解、培养学生关键能力的课堂教学模式.同时，何春生、任虎虎等许多一线教师基于学习进阶展开针对核心概念的教学改进研究，从实践上帮助学生逐步形成物理核心素养[3-4].因此，在核心概念的教学中应用学习进阶模式（见表1），对“教学设计尺度下的进阶”[5]进行积极探索，能为一线教师的教学设计提供进阶视角下的教学方案，从而促进教师改进物理概念教学，达成与课标要求相适应的教学目标.

目前，运用学习进阶提高学生物理核心素养的教学应用研究大致分为两类：一类主要基于已划分的进阶层级对某一具体素养进行进阶路径规划[6-7]，一类则对教学进行核心素养视域下的进阶[8-9].二者都以使学生理解概念、发展学生能力为目的，其中，前一类研究虽在提高模型建构能力[10]与科学论证能力[7]上有较为具体的教学模式与案例，但在其他方面涉及较少，特别是缺少陶冶科学态度与责任方面的模式和案例.而后一类研究在学习进阶与核心素养结合的紧密性方面还有待加强，通过进阶培养核心素养的意图仍不够明确;在具体的进阶路径上过于灵活、不易把握，缺乏逻辑清晰、可操作性强的核心素养进阶模式;在对整合层级的理解上仍不饱和，有其他的进阶可能.有鉴于此，本文希望在借鉴已有研究的基础上，建构一种更有针对性地发展学生物理核心素养的进阶教学模式，试图通过经验、映射、关联层级进阶促进学生物理观念形成，通过系统层级进阶培养学生科学思维与探究能力，通过整合层级进阶陶冶学生科学态度与责任，是核心素养导向下的物理概念教学进阶模式，为优化物理概念教学提供参考.

1 核心素养导向下的物理概念教学进阶模型建构

学习进阶理论认为：学习是一个逐渐积累、不断演进的过程.学生对某一内容主题的理解存在多个不同的中间水平，在学习某个内容主题时，对该内容的理解和思考将日趋成熟、不断深入[11].学生从形成经验到学会概念需要经过许多个不同的中间阶段，简称“阶”.“阶”的确定不只是基于知识的逻辑结构，而是由学习者和知识主客体共同决定，正是一个个连续的“阶”将学习的起点和终点连接起来[3].因此教师需要在“阶”与“阶”之间通过设置具体的进阶路径以辅助学生逐步完成从经验到概念的转变.在此基础上，本文设计了针对学生物理概念学习的进阶教学模式（如图1所示）.

首先，教师需要从学生已有经验出发创设问题情境，带着问题进入课堂教学，以此激发学生求知欲;之后，教师引导学生完成从问题情境到相关物理概念的映射过程，并对该概念作出解释，让学生认识到该问题与所学习的物理概念有关，初步认识物理概念;再次，教师引导学生对概念进行加工，将所学概念与其他相关的物理知识、规律进行关联，继续深化学生对概念的理解.以上三个过程对应着从经验、映射到关联的进阶，主要目的是帮助学生形成对物理概念的正确认识.接着，在系统层级的进阶中，学生需要尝试利用刚学的物理知识对教师最初提出的情境问题及其变式进行解决，待学生完成思考后，与教师讨论问题解决的具体思路，并动手验证讨论的结果，以问题解决的方式培养学生的科学思维与探究能力.最后在整合层级进阶中，教师将所学到的物理概念与跨学科知识进行整合，通过认识历史上的著名科学过程与事实使学生体会科学态度与精神，提升学生的社会责任感.

本模式具体有以下三方面的特点.

1.1 依照学生认知发展模型实施教学，完善学生物理观念

本模式旨在让学生在长期课堂教学中体会“生活物理情境引发问题—寻找物理概念映射—与物理知识进行关联—解决物理问题”的循环过程，使学生能从自身经验出发建构科学知识，不断深化知识内容，不断完善知识结构，以此达到深入地把握物理概念的目的，有助于逐渐形成最初步的物理观念.

1.2 通过解决驱动问题与锚基任务，锻炼学生科学思维与科学探究能力

好的驱动问题和锚基任务一方面能激发学生学习的兴趣和好奇心，另一方面还能顺畅地引出需要科学理解和能力发展才能解决的具体任务情境[2].本模式的教学需要学生解决基于情境的实际问题，经历“明确问题、分析问题、提出思路、解决问题”的思维步骤，以此锻炼学生科学思维能力与探究能力.

1.3 通过STSE栏目与科学史的结合，陶冶学生科学态度与责任

本模式在整合层级中引入历史典型事件与著名科学家的经历进行学科浸透，通过融入HPS（History、Philosophy、Sociology of science的简称）教育理念的教学，让学生了解科学家在发明创造过程中的真实经历，体会科学家们认真严谨、实事求是、持之以恒的科学态度，增强社会责任感，使学生“在整合中发展”.

2 学习进阶理论下的“热机效率”教學设计案例

“热机效率”是热机工作性能的判断指标之一，学生若能掌握热机效率的概念不仅能加强学生对现代运输工具工作原理的认识，还能为“能量的守恒与转化”一节做铺垫，加强其对能量守恒定律的理解.不仅如此，从科学史的视角审视热机效率，使学生认识热机的发展进程与相关科学家在科技发展过程中做出的重要贡献，在物理知识“骨架”上添加“血肉”能够让学生对物理有更丰富的体验，更好地促进学生在科学态度、品质上的发展.为此选择 “内能的利用”中“热机效率”的概念教学进行示例.

2.1 热机效率进阶起点分析

初三的学生抽象逻辑思维能力正在不断加强，大多数学生能够对基本的生活现象具有较为清晰的认识，能建立初级的物理模型来解决物理问题.在学习本章前，学生有交通工具的概念，也已经掌握比热容、热值的相关知识，能够运用比热容与热值公式解决问题，知道热机的四个冲程，但对压缩冲程与做功冲程的能量转化理解处于“机械能转化为内能”“内能转化为机械能”的层次，没有具体思考过能量损耗的问题.

2.2 热机效率进阶终点预设

根据新课标，初中对“内能”的教学要求为“了解热机的工作原理，知道内能的利用在人类社会发展史上的重要意义”.对“能量”的要求是“从能量的转移和转化的角度了解效率”.为此将本节课的进阶终点预设为：（1）了解热机效率的概念;（2）能运用热机效率的计算方法解决实际问题;（3）认识与热机发展有关的物理学史，认识瓦特，体会瓦特的个人品质与精神.

2.3 热机效率进阶层级划分

结合人教版初中物理教材内容进行进阶教学实践，将进阶层级划分为：（1）认识汽车的排气现象;（2）了解热机效率概念;（3）掌握热机效率计算方法;（4） 能解决热机效率实际问题;（5）了解热机效率史实并反思总结.

2.4 具体教学设计方案（见表2）

3 小结与反思

本文在分析目前应用学习进阶培养物理核心素养的相关研究中存在不足的基础上，依据学习进阶的发展层级模型设计一种逐步完善学生物理概念理解、加强学生科学思维能力、陶冶学生科学态度品质的教学模式.课堂从经验到整合的进阶过程亦是学生从理解概念到思维锻炼再到情感体验的过程，逻辑清晰、目的明确，有利于逐步提高学生的物理学科核心素养.

另外，教师在使用该模式进行教学时也应当注意，在对整合层级的进阶教学进行设计时，需要找到符合学生认知规律、能陶冶学生科学态度与责任的学科知识进行教学，因此并不是所有跨学科的知识都要作为整合层级的进阶内容，如教师在解释U-I图像时，常常将斜率的含义与电阻进行关联，但斜率能引出的科学态度与责任相较于工业革命之类的知识会少一些，所以不适合作为整合层级而应作为关联层级的进阶内容.总而言之，在教学实践中，我们应当根据教学实际情况，灵活运用教学方式组织教学，以学生为主体，教师为主导，建构一种符合学生认知规律，从生活中来，能走向社会的教学.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]郭玉英，姚建欣.基于核心素养学习进阶的科学教学设计[J].课程·教材·教法，2016，36（11）： 64-70.

[3]何春生，郭玉英.基于学习进阶的课堂教学设计与实践——以“功”为例[J].物理教师，2016，37（10）： 23-26+31.

[4]任虎虎，张雨姝.学习进阶理论视阈下科学建模教学的实践与反思——以“超重和失重”教学为例[J].物理教师，2018，39（04）：21-23.

[5]姚建欣，郭玉英.学习进阶： 素养的凝练与范式的演变[J].教育科学，2018，34（04）：30-35.

[6]黄月勇.基于学习进阶的高中物理课堂建模能力培养实践——以“超重和失重”为例[J].华夏教师，2020（11）：72-73.

[7]刘青华.基于学习进阶理论提升学生科学论证能力的教学实践研究[J].中学物理教学参考，2019（09）： 5-8.

[8]马佳宏，韩叙虹.基于物理核心素养理念下的学习进阶教学设计——以“安培力的方向判断”为例[J].物理教师，2019，40（11）：17-19.

[9]周革润.基于物理核心素养下的学习进阶的教学设计——以“探究感应电流的产生条件”为例[J].物理教师，2019，40（05）：10-12.

[10]张静，郭玉英.从模型进阶到思维发展：物理建模教学设计与实践[J].课程·教材·教法，2020，40（02）： 113-118.

[11]张颖之.理科课程设计新理念：“学习进阶”的本质、要素与理论溯源[J].课程·教材·教法，2016，36（06）： 115-120.

（收稿日期：2021-06-23）