基于核心概念下的初中科学逆向设计对策探究——以浙教版八年级科学“变阻器”为例

徐丽芳

《义务教育科学课程标准(2022年版)》(以下简称“课标”)设置13个学科核心概念和4个跨学科概念，聚焦核心概念教学，成了落地新课标的必然之路。调查科学教师备课现状，鲜有教师立足核心概念开展教学设计，更多以分散的课时概念进行教学。这样的教学，前后课时分离，概念构建分散，整体性缺失，甚至由于概念定位不准，教学目标落实，教学效率低效。指向学科核心概念的教学是指在构思科学教育的目标时，在知识方面不是一堆事实和理论，而是趋向于核心概念，这些核心概念及进展过程可以帮助学生理解与其在校以及离开学校以后的生活有关的一些事件与现象。逆向设计是确定学习目标后，将学习评价设计前置于学习过程设计，促进学生深度学习，指向“教—学—评”一致。因此，开展核心概念引领下的初中科学逆向设计教学，是实现浅层学习到深度学习、知识学习到素养发展的重要路径。

一、 核心概念引领：连接知识与素养

《美国新一代科学教育标准》阐述了概念各层级的关系，如图1。第一层为学科基本和技能等事实性知识及统摄性较低的分解概念，属于“小概念”范畴；第二层是基于学科内知识整合的核心概念与方法的核心概念；第三层是基于跨学科内容整合的概念或主题；第四层是哲学观念。其中第二层、第三层、第四层属于“大概念范畴”。因此，核心概念属于“大概念”界定领域。

核心概念是居于学科中心构成学科骨架、能反映学科本质特征的概念。核心概念不同于一般的科学概念，具有较强的聚合能力，聚合起不同的知识，揭示其内在联系。立足核心概念，统领教学设计，实现了知识与素养的关联。以核心概念统摄，建立概念构建进阶模型，能够统一、有序、进阶地实现概念构建，突出概念构建的有序性和进阶性。此外，核心概念作为统摄地位，有利于聚焦教学设计目标，实现教学评一体化的教学设计的落地。

以“变阻器”为例(如图1)，第一层，学科基本知识、技能等事实性知识。“变阻器的定义”“变阻器的功能”。第二层，基于学科内知识整合的核心概念与方法。如“导电能力是物质的一种特性”“影响电阻的相关因素”“抽象模型”。第三层，基于跨学科内容整合的概念或主题，即跨学科概念或共通概念。如“结构决定功能”等共通概念。第四层是统摄其他所有知识的哲学观念，在科学领域包括对科学本质的认识。

图1 变阻器

二、 逆向设计：连接目标、任务和评价

逆向设计是指向“教学评一体化”，实现学科概念教学，落地核心素养的有效路径。其设计理念为“确定预期目标→确定评估证据→确定学习任务”。依据学习内容和学生情况，确定预期目标，再将评估证据设计前置于学习任务设计。

“变阻器”是八年级上册第四章“电路探秘”第四节的内容。本节课前，学生已经学习了串并联电路、影响电阻的基本因素，对电路和电阻的基本知识有了一定了解；本节课后，将进一步深入学习欧姆定律及电路分析。而电路分析，离不开变阻器。通过改变电路中电阻的大小，使得电流大小改变，进而控制电路，是电路分析中基础的方式。因此，认识变阻器、理解变阻器原理、学会变阻器使用方法，对整章电路知识的学习尤为重要。教材中安排了“根据影响电阻大小因素的分析，改变电阻大小的方法有哪些？你认为最简单的方法是什么？”的思考与讨论，引导学生从“影响导体电阻大小的因素”思考改变电阻大小的方法。滑动变阻器的结构与原理部分，教材用“改变镍铬合金一端的触电”图片陈述相关内容。本节课设计将此环节改为学生动手活动，学生自主实践过程中分析问题、构建新知，重在培养学生分析能力、解决实际问题的能力。经过滑动变阻器原理的学习，实现“实物图——结构示意图——符号”的模型构建过程，发展学生科学思维能力。在教材活动中，要求根据实物图连接电路，使用滑动变阻器，改变电路中的电流，教学中设计该环节，使用滑动变阻器，深刻理解其功能。最后，教材呈现旋钮型变阻器，引导学生分析，重在培养学生分析问题、匹配模型、运用迁移的能力。

(一)确定预期目标

教学目标是教学的出发点和归宿分析，通过研读课标，分析学业要求和核心素养内涵，从核心素养四个维度出发，确定预期目标，如表1所示：

表1 “变阻器”预期目标

(二)确定合适的评估证据

逆向设计要求教师教学设计时，将评价作为重要的内容嵌入课堂，且优先于学习任务的设计。要“像评估员一样思考”，思考衡量学生理解程度的指标。因此，评估证据应该依据学生的表现进行评价，显化学生思维，展现学习进程，细化量规与证据指标。结合课标和核心素养要求，设计学习目标、学习任务和评价维度，如表2所示。

表2 学习目标、学习任务和评价维度

(三)确定教学流程，设计学习任务

依据学习目标和评价任务，设计了三大环节、两项量规评价、五项学习任务，为“变阻器”一课提供建议，如图2。

图2 三大环节、两项量规评价、五项学习任务

三、 教学过程：自主探究与迁移运用

(一)观察现象，提出问题

活动引入：首先，邀请班级肺活量最大的男生上来吹气，吹动塑料盒，测试其肺活量。再邀请一名学生上台吹动塑料盒，保持在某一个位置不变。

师：同学们观察到了什么现象？

生：金属杠向右滑动，小灯泡变亮了。

生：为什么金属杠向右滑动灯泡变亮了呢？

师：很好，这位同学提出：为什么金属杠向右滑动灯泡变亮了呢？

[设计意图]：提出问题是科学探究能力重要表现。教师通过创设真实的情景，激发学生的兴趣。在真实情景中引发学生深度思考，提出适合探究的科学问题。本环节采用呈现自制教具“肺活量测量仪”，测试学生肺活量的学习活动引发学生对器材现象的思考，提出问题：“为什么金属杠向右滑动灯泡变亮”。

(二)自主探究概念建构

1. 科学探究，发现规律

师：我们来仔细观察这个关键装置。同学们分析金属杆向右摆动的过程中，引起了金属丝什么变化？

生：摆动前，接入电路的金属丝长度为PB，向右摆动后，接入电路金属丝长度为P′B。向右摆动，使得接入电路的金属丝长度变短了。

生：接入电阻的电阻丝长度变小→电阻变小→电流变大→灯变亮。

师：那么这样的一个装置，就可以通过改变电阻的长度实现电阻大小的改变，我们可以给它取个名字，称为“滑动变阻器”。同学们用桌子上的铅笔芯和电路原件，组装电路，滑动P，改变铅笔芯的长短，看看是否能否达成上述效果？

[设计意图]：采用自制教具“肺活量测量仪”，测试学生肺活量的学习活动引发学生对器材现象的思考，聚焦核心问题：“为什么金属杠向右滑动灯泡变亮”。采用问题导引，唤醒已有认知，引导学生从“影响电阻的基本因素”的角度，分析电路中的电阻和电流变化，进而构建通过改变电阻长度实现电阻改变的认知。设计“铅笔芯”活动，让学生真实体验改变长度可以实现电阻的改变。通过接入电路的金属丝长度变化的分析，得出变阻器的概念，进而聚焦“对现有装置进行改进，设计出更小巧、变阻范围更大的元件呢？”核心问题的教学。

教具备注：肺活量测试仪，即压强计金属杆，木头两端固定镍铬合金，将电池、开关、灯泡、镍铬合金、压强计杆(液体压强实验所用长杆)串联。将压强计杆在镍铬合金上滑动时，改变镍铬合金接入电路的长度，改变电阻的大小，从而改变电流的大小，使得灯泡亮暗发生变化。

2. 实践制作理解原理

师：同学们能否对现有装置进行改进，设计出更小巧、变阻范围更大的元件呢？请用器材盒中的材料，设计和制作简易的变阻器，要求通过改变电阻的有效长度来改变电阻。器材：漆包线、金属丝、长木头、大头针、导线若干、电池、灯泡、开关。

评价量规1：(前置量表)

学生分析、讨论：尝试分析“能紧密缠绕漆包线，刮去一侧的油漆”的原因后进行设计、物化。

通过小组合作，生生、师生互评，归纳基本的涉及方法与步骤如下：

步骤1：密绕——节省空间、扩大范围。将金属丝缠绕在木头上，增大金属丝的长度。但是，金属丝紧密缠绕，彼此接触导通，并不能实现上述功能。

步骤2：涂漆——匝与匝之间彼此绝缘。解决上述问题，改用漆包线。漆包线，在金属丝表面涂有绝缘漆，使得每圈金属丝彼此不导通。但是，鳄鱼夹在表面滑动时，也就不会导通，无法实现接通电路。

步骤3：刮漆——电阻丝与鳄鱼夹导通。刮去鳄鱼夹接触的这层绝缘漆，且能够使得彼此每匝之间不导通，解决上述问题。

师：同学们都非常优秀。在这么简短的时间里，完成了简易变阻器的制作。那么，今天我们就来认识下电路中常用的原件——变阻器，呈现实物。

师：滑动变阻器——改变接入电路的有效长度来改变电阻大小，从而起到调节电路电流大小的作用。

同学们再回顾刚才我们经历的过程，我们从真实问题→项目设计→物化产品，很多产品都将经历产品“迭代”的环节，才能最终成为产品，应用于生活中。

[设计意图]：通过设计制作简易滑动变阻器的任务，引导学生分析问题、改进不足、设计物化，在真实的问题解决过程中，理解和验证滑动变阻器的原理。滑动变阻器是通过改变接入电路中有效长度的方式，改变电阻的大小。设计制作环节，嵌入评价量规1，运用评价量规，规范学生设计制作的要求，促进学生对变阻器模型的构建。

3. 模型建构理解概念

任务一：认识滑动变阻器

1. 仔细观察滑动变阻器各个结构，填写结构名称。

2. 说说各结构相当于简易滑动变阻器中的哪部分结构。

总结：通过任务一和简易滑动变阻器制作的过程，我们发现，可以将滑动变阻器进行简化为结构图，再抽象为电路符号，构建滑动变阻器的模型。

[设计意图]：比较变阻器实物和简易变阻器，认识变阻器的结果与功能。比较实物、结构示意图、符号，抽象出滑动变阻器的模型，发展学生的科学思维。模型构建，是一种由具体到一般，由具象到形象的过程。通过实物制作，示意图，再到符号，突破变阻器教学关键难点——接入电路的有效长度。

(三)迁移运用问题解决

任务二：使用滑动变阻器

1. 将电源、开关、灯泡、滑动变阻器用导线串联成一个完整电路。

2. 尝试移动滑动变阻器的滑片，使灯变亮。

3. 小组讨论：滑动变阻器使用方法和注意事项。

4. 分析肺活量测量仪的工作原理，解释相关现象。

评价量规2：

评价指标评价标准(每条标准满分3分,请根据真实表现程度按照0、1、2、3四个分值打分)我做到我改进实验操作1. 能熟练连接电路2. 能通过改变滑动变阻器,实现灯泡亮暗变化3. 能整理器材分析解释1. 能解释滑动变阻器中电流的流动2. 能解释移动滑动变阻器的滑片灯变亮的原因3. 能解释肺活量测量仪的工作原理

任务三：变形的变阻器

顺时针旋转变阻器的旋钮，台灯亮度变大，说明连入电路的是A，B，C中的哪两个接线柱？

[设计意图]：本环节设计在于使用滑动变阻器。任务一，旨在将连接滑动变阻器和电路图，深刻理解滑动变阻器的功能，第(4)小题呼应开头，解决“肺活量检测仪”的原理。任务二，旋钮型变阻器的连线，引导学生分析，重在培养学生分析问题、匹配模型、运用迁移的能力。

四、 总结与反思

(一)经历真实探究，提升科学探究能力

学生像科学家一样经历了真实的科学探究和科学实践过程，形成了科学方法和技能，加深了科学概念的理解。学生在不断的探究中，形成了自身对科学世界的理解，对科学解决问题的认识，建立了科学本质观。

(二)解决真实问题，落实科学核心素养

基于真实学习理论，学生只有在真实情景中才会发生真实学习，落地核心素养。本例中，学生充分认识了变阻器原理、制作、使用后，提出真实情境和问题。通过引导，引发学生使用，迁移新知，运用新知解决问题。在解决问题的过程中，学生对“变阻器”这一个概念更为清晰，对“结构决定功能”的跨学科概念理解更为深入。因此，在解决真实问题的过程中，学生不断加深对知识的理解，运用知识解决问题，形成固化科学素养。

(三)巧用评价量规，促进学习有效发生

可观察、可测量的评价量规，是有效学习真实发生的重要工具。评价量规指标化设计，实现了学生思维的可视化评价，克服了纸笔测试难以评价学生思维过程的不足。采用评价量规规范学生科学实验操作，引导学生自测和自评，不仅仅是教师评价学生学习任务是否达成的工具，更是学生学习的有效支架，帮助学生自主构建认知。

综上所述，传统教学设计程序是根据逻辑推理顺序逐步展开，其“目标”“活动”以及“评估”等关联度差、结构松散，教学闭环无法形成，整体性与持续性上体现不明显。逆向教学设计顺序则与传统教学设计相反，是从学习结果出发使学生对所学知识的理解更加深入、持久，更有利于学习者主体地位的发挥。