促进物理学科关键能力发展的初中课堂教学研究——以“密度”教学为例

谢晓雨 陈显灶 罗 莹

（1.北京师范大学物理学系，北京 100875；2.北京师范大学未来教育高精尖创新中心，北京 100875；3.北京师范大学厦门海沧附属学校，福建厦门 361026）

随着《普通高中物理课程标准（2017年版）》的颁布，高中物理教学进入了以核心素养为标志的新时代，对教师更是提出了在教学过程中落实物理学科核心素养的新挑战.物理学科核心素养是通过对物理学科的学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力，［1］其中关键能力是物理学科领域内处于核心地位、统领物理学习的能力，一直是中学物理教学的重点、难点.目前正在修订的《义务教育课标》同样也是围绕着核心素养进行的，不论是高中还是初中的物理教师都面临着如何在课堂教学中促进物理学科关键能力发展的新课题.因此，本文以初中物理密度教学为例，在概述物理学科关键能力的基础上，通过确立基于物理学科关键能力的教学行为目标，探讨在课堂教学中落实物理学科关键能力的解决之道，以期在初中物理教学中能够有效促进学生物理学科关键能力发展.

1 物理学科关键能力的概述

20世纪80年代起，诸多研究者对与物理学科的思维方法、科学探究密切相关的物理学科能力进行了一系列研究，其中受到广泛关注、具有代表性的研究有2个.文献［2］于20世纪80年代从知识、技能和能力3者的关系出发，结合中学物理教学的目标和特点提出：中学物理教学中需注重培养5方面能力（观察实验能力、思维能力、分析与解决问题能力、自学能力和创造性思维能力）；［2］文献［3］在20世纪末从广义和狭义角度对物理能力进行了研究，指出广义的物理能力是指顺利进行并完成物理学研究任务的个性心理特征，狭义的物理能力是指物理学习中必然获得发展的、直接影响个体完成相应物理学习任务的心理特征.［3］这些对物理学科能力的研究对中学物理教学与实践产生了重要影响.

伴随着基础教育围绕核心素养展开历程，21世纪10年代北京师范大学物理学科教育研究团队通过对物理学科关键能力的内涵及其活动表现框架的研究，将内隐于学生头脑中的能力外显，提出了描述学习层次深度的物理学科关键能力模型.该模型具有学习理解A、应用实践B 和迁移创新C3个能力维度，表征3种不同层次的物理学习活动对应的能力.每个能力维度中，都包含3个能力要素，描述对应的能力维度下具有的表现行为，具体模型如图1所示.［4］

图1 物理学科关键能力的模型

图1中的学习理解能力维度描述了学生在输入物理知识时需具备的能力，具有观察记忆A1、概括论证A2和关联整合A3等3个能力要素，涵盖了辨认物理现象、在实验或生活中概括物理内容和将物理内容构建联系、进行整合等活动所需的能力，是描述将物理知识内化为自身的知识体系的过程.应用实践能力维度描述了输入物理知识后，对学生对物理知识进行应用实践的能力，是物理学习的低水平输出过程，具有分析解释B1、推论预测B2和综合应用B3等3个能力要素，涵盖了在熟悉情境中运用单个或多个物理内容进行分析、推测等活动所需的能力.迁移创新能力维度描述了学生将物理知识进行迁移、创新性应用的能力，即物理学习的高水平输出，具有直觉联想C1、迁移与质疑C2和构建新模型C3等3个能力要素，描述将物理知识迁移至陌生情境中进行创造性应用活动所需要的能力.

物理学科关键能力模型中3 个能力A、B、C维度，具有明确的层级关系.学习理解能力A 维度是基础.只有先学习物理概念和规律、完成物理知识的输入后，才能进行物理学习的输出.在熟悉情境中进行应用知识的学习，能够发展应用实践能力B维度.经过应用实践融会贯通后，才能将物理知识迁移至陌生情境中解决新的、实际问题，能够发展迁移创新能力C维度.

在每个能力维度中，能力要素的难度也是从1至3依次上升的.例如，在学习理解能力A 维度中，首先要从生活或实验中观察与物理相关的内容，发展观察记忆A1能力要素；然后从中概括出简单的物理规律，发展概括论证A2能力要素；最后将多个物理内容进行关联和整合，发展关联整合A3能力要素.

2 基于物理学科关键能力的教学行为目标的确立

目前，初中物理教学的教学目标常常采用知道、了解和理解等行为动词描述对物理概念、规律要求的认知程度，不能明确地指向物理学科能力的发展要求.要想在课堂教学中实现促进物理学科关键能力发展的目的，就需要明确对物理学科关键能力发展的教学要求.由于物理学科关键能力模型能将内隐的能力外显为具体的行为表现，明确地表征出学生物理学科关键能力的发展情况，所以这些具体行为表现就能够作为判断学生物理学科关键能力发展状态的标识.因此，通过物理学科关键能力模型与物理内容的融合，就能得到基于物理学科关键能力的教学行为目标.这样表述的教学目标，既能表达对物理内容的要求程度，又能表征对关键能力发展状况的要求，是对常规教学目标的一种提升.下面以初中物理课程中的密度概念为例，讨论教学行为目标的确立.

要确立密度概念教学行为目标，需要3个步骤.首先，分析《义务教育课程标准（2011年版）》（以下简称《课标》）和初中物理教材，因为课堂的教学目标必须与《课标》和教材的要求保持一致.《课标》要求学生通过实验理解密度，会测量固体和液体的密度，解释生活中与密度有关的现象.教材中用3节完成《课标》要求，按照密度的概念、测量物质的密度、密度与社会生活的顺序展开教学.其次，依据对密度概念相关的课堂教学的观察分析，以及对密度概念相关作业、期末考试和中考测评分析，找出与密度概念相关的学习行为表现.这里特别要关注能够反应物理学科关键能力发展状况的学习表现.最后，基于上述两方面的分析，采用学习行为表现的形式表述、按照能力要素撰写并整理教学行为目标，获得的密度概念的教学行为目标如表1所示.

表1 基于物理学科关键能力的密度教学行为目标

续表

3 指向物理学科关键能力发展的密度教学设计

教学设计的优劣对课堂教学有决定性的影响，优质的教学设计是获得高质量课堂教学的前提.对密度概念，初中生在日常生活中有基本的感知，知道不同物体的致密程度不同，但难以将其与密度概念、符号和定义建立联系.以密度作为工具，定量解释物理问题和理解密度是物质的属性是教学的难点，教学中常常出现教师多次讲解、学生仍不理解、学生死记硬背的现象.

综合考虑课标、教材的要求和学情分析，选取了表1中的6条教学行为目标作为新授课密度概念的教学目标，以大概念的视角从关注概念整合出发组织教学，力图在构建密度概念的同时发展物理学科关键能力.密度概念的教学过程如图2所示，其中含有了新课引入、密度概念构建和学以致用3个教学环节，7个教学活动及其对应的教学行为目标.

图2 基于物理学科关键能力的密度教学过程

为能在课堂教学中扎扎实实地促进物理学科关键能力的发展，本研究引入“七线教学过程设计”，［5］从知识、前认知、情境、问题、教学活动、学生活动和发展点7 个方面展开教学过程设计，让每个教学活动都能全方位地落实物理学科关键能力的教学行为目标.概括来说，基于物理学科关键能力的密度概念教学设计具有两个方面的特点.

（1）依据物理学科关键能力的内在逻辑，设计关键能力发展的课堂教学路径，并借助教学行为目标将物理学科关键能力落实到每个教学活动.

图2所展示的教学过程中的每个教学活动都有对应的教学行为目标，做到了每个教学活动都有对应的能力发展点，将物理学科关键能力的发展落实到了每个教学活动中.设计这一教学过程的步骤是：首先遵循物理内容和物理学科关键能力内在的逻辑关系，将教学行为目标进行排序，确定概念和能力的教学顺序，得到如图3 所示密度教学能力的发展线；然后将每个教学行为目标作为能力的发展点，展开一系列教学活动设计.每个教学活动都从“七线教学过程设计”的7个方面进行全方位地考量与设计，以保证教学行为目标（也是能力发展点）的达成.密度教学的能力发展路径及其每个发展点对应的教学活动，见图3.

图3 密度教学过程的能力发展路径及其发展点对应的教学活动

本设计为密度教学的新授课，教学的内容重点是建构密度概念，对应的能力重点是培养物理学科关键能力的学习理解能力维度.图3 中的能力发展路径遵循了物理学科关键能力得先从学习输入的学习理解维度，再到学习输出的实践应用维度的学习顺序，具体路径是：从观察记忆A1开始后，进行基于现象和实验的概括论证A2，再到将新概念与已有的概念进行关联整合A3，最后是分析解释B1的实践应用评估学习结果.

在图3中，通过课堂教学活动实现每个能力发展点，具体的教学过程是：①通过感受物体的致密程度活动1，帮助学生体会生活中不同物体的致密程度不同，建立致密程度与质量、体积间的联系，达成A1-1和A1-2的能力发展点；②借助探究实验的活动2、3、4，让学生依次经历明确探究问题、提出猜想与假设、实验方案设计、实验数据收集和实验数据的处理等探究活动，帮助他们达成A2-1能力发展点；③活动5通过对实验数据的深入分析构建密度概念，同时也实现了A2-2能力发展点；④通过活动6对密度表的讨论将密度的概念与物质的一般属性整合，以建立概念间关联，达成A3-1能力发展点；⑤借助活动7密度在生活中的应用，评估学习成果的输出，达成B1-1能力发展点.

（2）通过实验探究获得构建密度概念的数据证据，在构建密度概念的同时发展物理学科关键能力的概括论证和关联整合能力要素.

物理概念建立的过程离不开实验探究，但由于实验探究过程耗时长、开放度高，在初中物理课堂教学中常常将实验探究用于规律课，很少用于概念课.图2展示的教学设计，在活动3实验方案设计与数据收集中将不易调整、学生操作耗时长的托盘天平换为电子天平以节约时间.在密度概念构建环节，巧妙地将实验作为构建密度概念的主要情境，通过对实验数据的深度挖掘来构建密度概念，更是同时发展了概括论证A2和关联整合A3能力要素.

图4展示了基于实验数据证据建立密度概念的3个层次.第1 层次是获得建立密度概念的数据证据.在活动4 中通过教师带领学生先观看数据表格，寻找物质质量与体积之间的规律，再观察图像确认上述结论的方式，让学生意识到由同种物质构成的物体质量与体积的比值是一个定值.第2 层次是基于数据证据，建立密度概念.建立密度概念的教学过程是一个论证为什么需要密度概念和密度是什么的过程，为发展概括论证A2能力要素提供了优良的环境.在活动5 中将物体的m与其体积V的比值定义为密度，并解读密度的物理意义、进行单位换算.第3 层级是概念整合，将密度整合至物质大概念.在活动6 中，以密度表为工具，挖掘其中数据的含义，完成学生认知从特殊物质（实验所用的铜、铁、铝）具有密度至固、液、气等所有物质均具有密度的发展，将密度概念提升至一般物质的属性，引出“密度是物质的一种属性、描述的是物质的致密程度”的概念，帮助学生将密度作为物质的一个“标签”，将其归属到物质的一般属性中.

图4 活动4、5、6的教学过程设计

在这样的教学过程中，实验探究的数据成为了密度概念构建的证据，用定量证据论证了密度概念构建，借助密度表的分析推进了密度概念的发展；在对应的课堂活动中，学生需要完成根据实验数据分析概括m与V的关系、基于数据论证密度概念和建立密度与物质属性间关联等活动；实现了在构建密度概念同时发展了物理学科关键能力中的概括论证（A2）和关联整合（A3）能力要素.

4 教学实践结果评估

为评估教学实践效果，研究团队选取了不同地区的、教学经验和水平相似的两名初中物理教师进行了课堂实践.课堂教学观察及其教学效果显示：在基于物理学科关键能力的密度课堂中，师生交互活跃、学生能够沉浸于教学情境，课堂注意力集中，参与度高.在探究实验过程中表现出，学生能自主设计并进行实验，依据教师提供的图表能总结出实验结论；课堂上学生紧跟教师的思路，构建了密度概念且能解决相关的密度问题，很好地完成了教学目标.

研究团队对密度概念理解和课堂投入度问题在课堂教学结束后进行了简单的问卷调查.问卷采用李克特五点量表，回收有效样本94 份，其结果如表2所示.

表2 课后问卷调查结果

表2 中的数据显示，密度课堂教学后，超过70%的学生都能将密度归属到物质的属性中去，完全认识到密度能够反映物质的疏密程度，是物质的一种属性，可将其作为鉴别物质的依据；没有选择不太认同或完全不认同的学生.同时，表2的数据也说明了课堂上学生注意力专注状况，接近90%的学生表示这节课非常具有吸引力，几乎全部学生都表示对此非常感兴趣，没有不感兴趣和经常走神的现象.

教学实践的效果表明，通过精心的教学设计是能够实现在物理概念教学的同时发展物理学科关键能力的，其具体的途径可概括为：基于物理学科关键能力将传统教学目标提升为整合物理学科关键能力与物理内容的教学行为目标；按照教学内容和能力的内在逻辑关系将教学行为目标排序，生成教学发展线；针对发展线设计教学活动，且将教学行为目标落实到每个教学活动中.