“脑科学+核心素养”视域下概念教学案例分析

2023-09-12董黎军李建雄赵夫辰李子明

物理教学探讨 2023年8期

董黎军李建雄赵夫辰李子明

摘要：脑科学的发展促进着人类智慧与才能的提升。脑科学强调了学习过程中意义建构对学生科学思维、情境创设对学生认知引导、学生情绪和评估对学习效果等方面的影响。学生创新思维的培养、关键能力的获得、必备品格的形成，无不依赖于“学什么”“怎么学”“学到什么程度”。因此，在学习过程中，将脑科学与教育规律相融合，可促进学生大脑的发展，进而掌握物理规律。在脑科学理论指导下，围绕过程性的“教”与“学”，建构相应的评价体系，从而探索物理概念教学中的“教—学—评”一致性的路径。

关键词：脑科学；物理概念；核心素养；案例

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2023）8-0031-5

脑科学的“保证和觉醒系统”“信息接受和处理系统”“评估和情绪系统”“调节与控制系统”四大系统制约并影响着学生学习的效果［１］。而从脑科学出发的课堂教学，将教师的教、学生的学以及过程性评价紧密地结合在一起，形成以学促教，以教促改，以改促评，进而利用评价促进学生深度学习及改进教师的教学行为，并在将“学—教—评”融合、贯穿于教与学的全过程中，达到开发学生大脑潜力的目的。

以“密度”概念教学为例，探索“脑科学+核心素养”视域下的物理概念课堂教学。

1 “脑科学+核心素养”视域下“密度”概念教学分析

【课标分析】通过实验，理解密度。

【教学目标】通过比值法建立密度的概念；通过实验探究，明白密度概念的图像表述方式、数学表述方式和文字表述方式；能从数学和物理的角度解释密度概念的内涵，准确说出密度常用的单位，能解释密度的现象。

（1）学什么：密度概念建立的分析、归纳、比值类比的思维方法；密度概念呈现的三种形式；密度是物质的一种特性；密度的单位。

（2）学到什么程度：课标明确指出“通过实验，理解密度概念”。其学习的程度为“描述、解释”，即能够运用比值法建立密度概念的处理方法，能举例说明密度大小的决定因素，能用密度知识解释与密度有关的问题。

（3）怎么学：通过情境创设，激发学生求知的欲望；通过活动探究，利用比值法得出密度的概念；通过实验结论，解释密度是物质的特性，记住密度的单位及其常见的数据；通过活动解释相关的物理现象。

【教材分析】本节课内容是初中物理第一个（理解层次）重要的概念，也是学习力学体系承上启下的核心概念。教学中要引导学生根据实验原理、实验仪器以及实验要测定的对象，自主设计实验步骤及实验表格，并根据测量结果计算出物质的密度；通过速度概念的类比，加深比值法对物理概念学习的重要意义。

【学情分析】学生还不能从物理学和数学的角度去区分密度，对密度单位的组成、符号、读法、写法、kg/m3与g/cm3之间的关系等还会混淆。尤其是对密度概念的表述形式、密度概念的内涵与外延、密度的公式理解不深。

针对以上问题，首先，通过直观的实验，引导学生在合作探究、小组讨论过程中自主建构密度概念。其次，从学生的最近发展区入手，以数学思维为工具，通过速度概念的类比，逐步抽象形成密度概念。最后，在学生运用密度公式进行解题时，要注重思维的培养与方法的引领，使其熟练运用密度概念。

【学习目标】

（1）通过实验，学会用比值法定义密度概念。

（2）通过密度概念的建立过程，能从物理学和数学的角度去区分密度的含义。

（3）能准确说出密度的常用单位，能解释密度的现象。

【学习重点】

（1）通过实验探究，学会用比值的方法定义密度的概念。

（2）应用密度的概念、公式，解决生产生活中的问题。

【学习难点】在实验探究的基础上，利用“比值”定义密度概念，能准确解释密度是物质的一种特性。

【评价】脑科学围绕学习目标，将教育方式、教育资源、教育规律和脑科学的规律融合统一起来。具体来说，由于学习目标设计是明确的、可操作的、可测量的和可评价的，因此，可根据学习目标设计相应的教学活动和教学评价，明确学生学什么及学到什么程度，从而保证三者的内在一致性。

2 教学设计过程

2.1 激疑引趣，促进深度连接

【视频引课】请同学们观看视频——神奇的“泡沫铝和气凝胶”的特点及其应用。新材料的研究与应用促进了科学技术巨大的进步，这些新材料与本节课的学习内容息息相关。

【评价】脑科学证实，当环境刺激输入时，神经元之间、不同神经结构之间的纤维连接会自主地生长，形成新的突触连接，并修正或者剪切已经存在的神经连接［２］。因此，在新课引入环节，播放视频材料“泡沫铝和气凝胶”的特点及其应用，指向下一步教学活动，激发学生的学习兴趣，调动学生的好奇心，吸引學生的注意力，为探究学习本节课内容奠定基础。

2.2 任务驱动，把握目标方向

【学习目标】利用多媒体呈现本节课的学习目标。

【评价】脑科学研究认为，教师应该关注学生的学习动机、课堂情绪、思想映射等，以实现教育的最大价值，优化学生的学习过程［２］。因此，该环节用多媒体呈现学习目标，让学生清楚学习目标与学习方向，沿着“提出问题—探究问题—解决问题”的思路开展科学探究。

2.3 诱惑冲突，激发思考意识

问题1：如何鉴别图1中物体（铜、铁、铝、木）是什么材料？根据什么鉴别？

问题2：老师手中还有一组材料，它们是油漆过的铜、铁、铝、木块（图2），怎样来鉴别？王冠的秘密也是用相同的方法破解，依据的就是物质的另一种特性——密度。

【评价】脑科学表明，教学要创设真实、丰富、复杂的学习情境，激发学生探究的动力，消除学生对失败的恐惧［２］。本环节精心设计情境问题，激活学习动机，遵循“情境—问题—探究—交流—反思—迁移”的教学逻辑，沿着“激疑—设疑—探疑—质疑—解疑”的问题主线，围绕“问题—证据—解释—交流”的先决性条件开展探究活动，教师巡视指导。

2.4 任务导向，凸显科学探究

问题3：同种物质，质量与体积的比值是否相同？

问题4：不同物质，质量与体积的比值是否相同？

问题5：实验中需要测量的物理量有哪些？

问题6：这些物理量用什么工具测量？

【活动一】探究同种物质的质量和体积的关系（表1）。

（1）数据分析：将实验数据填入表格，指导学生在数据关系不易直接观察到时，可以借助图像建立坐标系、描点、连线处理数据，并发现物理量间的关系。

（2）分析论证：将实验数据填入表格，并在图像中正确描点（图3），通过数学归纳和观察图像得出结论——同种物质，质量与体积的比值相同。

结论：通过数学归纳和观察图像得出结论——同种物质的质量与体积成正比或质量与体积的比值是定值。

问题7：水的密度是1.0×103 kg/m3，它的含义是：_____________________________。

【活动二】探究不同物质质量与体积的比值（表2、图4）。

问题8：既然同种物质的质量与体积的比值相同，不同物质的质量与体积的比值不同，那么，“质量与体积的比值”可以反映什么呢？

结论：通过数学归纳和观察图像得出结论——不同种物质，质量与体积的比值不同。

接下来，通过类比匀速直线运动速度的定义，学习密度的概念，指出“比值定义法”。

【评价】以开发脑力为目标的课堂教学，更加注重学生学习的主体性、过程的动态性、方式的多样性等，突出学生进行深度学习，从而实现高效且可持续的课堂教学效果。本环节通过活动一、二，运用比值法，归纳抽象出密度概念（对应学习目标1和2）。整个学习过程，沿着预设的活动形成密度概念建立过程，突出了概念建构的意义与策略，即为什么研究密度的概念，怎么研究，采用了什么实验的手段和什么思维方法。总体来说，该环节理清了概念表述的形式——图像、文字、公式；阐述了密度概念的内涵，即对象的特有属性；学习内容环环相扣，学生表现行为积极向上，迁移在速度概念中使用到的比值法，运用“启发式、讨论式、探究式、参与式”等多种学习方式，学生学习方法和个性特征有效凸显。

2.5 厘清本质，养成思维习惯

（1）定义：某种物质组成的物体的质量与它的体积之比叫作这种物质的密度，即

问题9：密度与质量成正比，与体积成反比，这种说法对吗？为什么说物质的密度是物质的一种特性？

（3）单位：kg/m3或g/cm3，其中1 g/cm3=103 kg/m3

问题10：冰和水的组成成分相同，但密度不同，原因是什么？不同物质密度一定不同吗？

【联系实际】自然界的密度之最：被称为密度大王的黑洞，密度可达5×1019 kg/m3；“脉冲星”的密度高达1018 kg/m3；“中子星”的天体密度达1016 kg/m3；“白矮星”的天体密度为3.0×1010 kg/m3；锇的密度为22.6×103 kg/m3等。

自然界密度最小：锂的密度只有0.534 g/cm3，密度最小的气体是氢气。

【活动三】利用漏斗和不同饮料汁（表3）调制分层果汁饮料（图5）。

【评价】脑科学研究表明，探究式教学模式，不仅能显著提高学生的学习成绩，还能提高右脑倾向和形象思维［３］。若传输的信息与学生自身的经验有关聯，更有利于学生建构意义。本环节遵循学生学习心理发生规律，设计学习密度定义、公式、单位以及解决相关问题的活动（对应学习目标3）。学习内容的丰富拓展了学生的视野，学习过程的多种刺激、多种学习方式，加深了学生对密度概念的理解，问题导向的探究活动达到了教学活动与学习目标的一致性。

2.6 迁移应用，培养思维能力

问题1：气凝胶坚固耐用，是航天探测中不可替代的材料，在正常情况下呈现烟云状，主要成分是二氧化硅和含量为99.8%的空气。气凝胶的绝缘能力强，导热性和折射率很低，可以承受自身重量几千倍的压力和1 400 ℃的高温［３］。已知某大型飞机采用现在盛行的超高强度结构钢（ρ钢=7.8×103 kg/m3）制造，耗钢130吨，若采用气凝胶（ρ气凝胶=5×10-6 kg/m3）代替钢材来制造一架同样大小的飞机，则需气凝胶的质量为多少？

问题2：在测量液体密度的实验中，测得液体和烧杯的总质量m与液体体积V的关系如图6所示，则空烧杯的质量和液体的密度分别为_________________。

问题3：酒精消毒液已成为居家必备用品。小强利用天平、量筒等实验器材测量某酒精消毒液的密度。

（1）将天平放在___________上，将游码移至标尺左端的零刻度线处，此时指针位置如图7甲所示，应向___________调节平衡螺母直至天平平衡。

（2）测量步骤如下：

①在烧杯中倒入适量消毒液，用天平测出烧杯和消毒液的总质量为78 g；

②将烧杯中部分消毒液倒入量筒，液面位置如图7乙所示，量筒内消毒液的体积为_____cm3；

③用天平测出烧杯和剩余消毒液的质量，如图7丙所示，则其质量为___________g；

④消毒液的密度为___________g/cm3。

⑤测完密度后，小强发现，由于天平没调零，测量结果偏大2 g，则测得的液体密度________（选填“偏大”“偏小”或“不变”）。

（3）方案比较：如果在上述步骤②中，将烧杯中全部消毒液倒入量筒，再测液体体积得出的结论，与步骤②方案比较哪种好？

【评价】脑科学认为，情感因素影响着大脑最初进入的信息，即情感推动注意，注意推动学习［２］。为此，应该科学合理地设计课堂检测的对象、内容和方式，通过问题的解决来积累思维方法，并在测评中强化知识的来龙去脉，从而形成科学认知架构。检测本课的教学效果，较好地体现了“构建新的评价体系”的课程理念。

2.7 评价交流，健全思维品质