指向核心素养发展的初中物理学科项目化学习——以“物质的比热容”为例

陈梦姣 张月兰

(苏州工业园区星湾学校,江苏 苏州 215021)

《义务教育物理课程标准(2022年版)》提出,课程育人的价值体现在发展学生的核心素养,物理课程育人价值在于学生通过学习逐步形成适应个人终身发展和社会发展需要的正确价值观.课程倡导开展学科项目化学习,以提升学科的实践育人、综合育人,从而充分体现学科育人价值.学科项目化学习通过贯穿始终的驱动性问题,引领学生思维从低阶向高阶,提升学生的学习主动意识、社会担当和高阶思维.学科项目化学习的知识观指向的是与学科本质有关的核心概念或关键概念、能力的整体理解,定位更综合、更上位.[1]学科项目化学习进课堂,以课时为单元展开微项目研究,实现学生学习进阶,发展学生的核心素养.本文分别从观念进阶、思维进阶、探究进阶、态度进阶4个方面阐释项目研究落脚于物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任4个维度.学科项目化学习课例“物质的比热容”获得2022年江苏省初中物理优质课比赛一等奖,是学科项目化学习进课堂的实践样例.

1 核心知识聚合物理概念,实现观念进阶

建立物理观念是发展学生核心素养的维度之一.通过对物理概念的认知、理解达成物理观念的形成,追求物理概念和规律的本质性理解.学科项目化学习是用学科概念作为聚合器,以此聚集更多的知识信息,将事实性的知识整合起来.[1]学科项目化学习包含的环节有:核心知识、驱动性问题、高阶认知、学习实践、公开成果、学习评价等,其中核心知识是从核心概念到关键概念再到知识点的知识体系,体现结构性、层次性、系统性,推进观念的不断进阶.观念进阶的过程理应体现和符合认知发展,其5个层级分别为经验、映射、关联、系统和整合,是从简单到复杂,从零散到系统的过程.[2]埃里克森等人在概念为本的课程设计中指出:从事实到主题再到概念是一个知识不断抽象化的过程,为了促进学生的真正理解与迁移,需要上升到概念以上的层级来进行思考.以学生的认知发展层级为参考,基于这一课程设计理论,结合物理概念的学科特点,凝练出物理学科项目化学习过程中的认知结构模型,如图1所示.

图1 认知结构模型

认知结构包括以下环节:从情境中获取经验;映射到学科知识;关联知识间的定性或定量关系,获得核心概念;将核心概念整合成系统化关键概念;在理解情境中现象的成因、迁移至其他生活现象的过程中,洞察物理概念本质,形成相应的物理观念.学生从物理学视角形成超越事实的概念框架,完成知识的总体认识,站在更高位、更本质的视角解释自然和实际问题,实现从掌握低单元知识点到高阶物理观念的转变.

以学科项目化学习设计“物质的比热容”的教学结构模型,如图2所示.课堂以实验再现的方式呈现情境:“湖边和内陆的温度不同”,找寻生活中零散事实经验;发现物理问题进而建立该现象到物理知识的映射,关联到Q和Δt的关系;通过实验初步体验、深度体验,寻找Q吸、m、Δt的关系和Q放、m、Δt的关系,多个物理量的定性、定量关系;系统协调变量关系,构建比热容的核心概念;用比热容知识解释“湖边为什么凉快”,加深对核心概念的理解;迁移至建构海陆风模型和解释海陆风成因,深化对比热容概念的本质性理解;不断形成并内化“比热容大,温度变化慢”的物理观念.教学结构主线清晰,学生的认知分层推进,经历比热容概念建构的过程,实现学生主动的观念进阶.

图2 教学结构模型

2 高阶认知引领学习活动,实现思维进阶

实现思维进阶是发展学生核心素养的维度之一.通过低阶认知活动推进高阶认知活动发生,追求科学思维的深度、系统的形成.从马扎诺的学习维度框架来看,高阶认知包含6种:问题解决、创见、决策、实验、调研、系统分析.低阶认知包含:获取和整合知识、拓展和精炼知识.低阶学习是高阶学习的基础,两者密不可分.学科项目化学习,以解决问题为导向,注重低阶认知和高阶认知的统整,经历认知策略的升级.以低阶认知为起点,基于生活经验或实验现象,进行收集、归纳比较,从生活问题升格为物理问题,实现特殊问题向一般问题解决的过程,经历分析综合、推理论证、质疑批判、探查原因、优化修正等高阶认知过程.解决问题的过程,推动学生主动思考,系统思考,实现思维进阶.

图3为“物质的比热容”的认知进阶设计.从“今夏炎热”情境联想到“水边温度和内陆温度可能不同”的生活经验唤起记忆开启低阶认知.通过模拟实验确认情境的真实性,进而分析并寻找物理量之间关系,逐步跃迁到高阶认知.利用苏科版教材中的实验装置初步获取数据启动低阶认知,引导学生反思实验过程并优化实验装置:将外加热改为内加热,减少热损失;将实验室温度计改为数字温度计,增加读数的及时性;将玻璃棒搅拌改为机械式搅拌,并将水和沙调整为水和油,实现受热更均匀,获得更精确的实验数据,对数据发表创见,整个过程促进高阶认知的发生.从表格中水和油的数据,比较“不同物质吸热升温的不同”启动低阶认知,归纳同种物质吸热升温的特点,利用描点作图法进行分析评价,寻找定量关系,建立物体热容的概念,持续探查原因,优化修正,得到物质的比热容的概念,达成高阶认知的发生.

图3 认知进阶设计

学习过程多次经历认知进阶的过程,从现象到问题,从初探到深探,从定性到定量,增强学生科学推理、科学论证、质疑创新等思维能力的培养,实现学生多元的思维进阶.

3 驱动性问题贯穿学习过程,实现探究进阶

实现探究进阶是发展学生核心素养的维度之一.通过低阶认知活动推进高阶认知活动发生,追求科学探究真实的形成,此过程离不开驱动性问题.驱动性问题是根据学生年龄段特点而设置的指向抽象本质问题的真实问题.驱动性问题给学生提供探索空间,激发学生内在探究动力,帮助学生指明持续探究的方向.若本质问题较为复杂,可以利用问题链,不断引出新问题,使探究不断进阶,认知不断深入,概念逐渐明晰.在组织问题链时,应注意问题链具有指向性、连贯性、递进性和完整性.问题指向于核心知识的概念构建,问题具有连续性且不突兀,新问题产生于上一层问题的结论,逐步解决问题的同时推动概念体系的建构.

如图4所示,为“物质的比热容”的驱动性问题设计.结合江南水乡特点,和2022年夏季异常炎热的热点问题,以“湖边居住的舒适度”为切入点,从“湖边是否凉快”,到“湖边为什么凉快”“到了晚上湖边还凉快吗?”以及“夏季傍晚纳凉,为什么更喜欢湖边?”从“是否”到“为什么”是引导学生从简单问题入手实现解决复杂问题,从生活原始问题入手形成物理概念为目的,从现象判断入手理解问题本质为目的.从“是否”到“还”是引导学生在解决已有问题的基础上继续深度探究,在获得成就体验的基础上深化实验体验,在形成知识的基础上全面获取知识体系.驱动性问题进行递进式设置,推动学生猜想假设,设计实验获取信息,交流反思实验结论,引领比热容概念下的科学探究不断深入,提升科学探究能力,实现物理概念的本质性理解.

图4 驱动性问题设计

4 学习实践呈现学习价值,实现科学态度进阶

实现科学态度进阶是发展学生核心素养的维度之一.通过实际问题的发现推进学生真实的学习实践,获得科学态度的形成和进阶.学科项目化学习中的学习实践,包含探究性实践、社会性实践、审美性实践、技术性实践、调控性实践5类实践形态.[1]物理学科项目化进课堂以探究性实践为主,多样性实践综合,体现科学的探究性,更具包容性,经历有意义的学习实践历程,达到知、行、思合一.真实问题激发内驱,设置贴合实际的教学情境有利于发现真实问题,以此推动学生持续探究,保持对自然的好奇心,引导学生从物理视角像科学家一样思考、实践并反思,主动寻找科学本质,变外驱型学习为内驱型学习.真实实验培养态度,引导学生基于问题完成实验,尊重实验真实数据,合作实验完成优化实践,离析问题本质,培养学生实事求是、持之以恒的科学态度.真实身份强化责任,以真实身份代入,经历社会性、审美性、调控性等实践过程,利用跨学科知识解决驱动性问题,了解科学、技术、社会、环境之间是相互联系、相互促进、相互制约的关系,承担国家、城市建设的责任,为中华民族的繁荣昌盛贡献力量.

图5为“物质的比热容”的学习实践设计.

图5 学习实践设计

环节1:用情境诱导主动实践.观察湖边和内陆附近的温度不同实验现象,寻找多个物理量之间的本质关系,通过解决实际生活问题激发学生学习实践的欲望,明确提高居住舒适度的学科方向.

环节2:用实验引导积极实践.通过初步实践体验得到不同物质吸热升温不同.通过学生在沙盘上用插红旗的方式选择居住地,明晰水的比热容大,可提高居住舒适度.

环节3:用深思激发意义实践.通过对海风的有无、方向的确定、形成原因实验分析,建立陆风的模型.综合跨学科知识,除了海陆风外,由于地势海拔不同形成的山谷风、热岛效应形成的乡村风等.通过师生共同对沙盘中居住地的选取,明确水的比热容大进而影响气温,形成风,可多维度提升居住舒适度.

环节4:用展示分享实践.利用沙盘引导学生从城市建设、审美性等多方面考量,对已初具规模的城市进行舒适度提升的合理建议并实践.通过引流或增加绿化等方式,讨论并实施,集众人之力,理论联系实际,动手参与制作,完成一幅家园建设的作品.沙盘是学习实践的主线,将学习分解为“不同区域温度有所不同吗”“水的温度变化小”“风的成因”.沙盘是学习实践的展示,引导学生完成“明确方向”“初步选址”“优化选址”“设计规划”,实现由被动参与向主动学习的转化,体验学科价值,体悟学习的意义和责任.

学科项目化学习进课堂,是对传统物理课堂的积极创新,是围绕新课程标准进行的实践思考,充分体现学科性、综合性、时代性,更好地实现学生的全面发展,体现物理课程独特的育人价值,全面提升学生的核心素养.学科项目化学习不仅仅在课堂,时间延伸课堂内外,空间延伸校园内外,可基于学段特点突破学段安排,可基于学科知识突破学科布局,可基于学生兴趣突破课程设置.