續(xù)佩君 王 岳 宋詩偉

(1. 首都師范大學，北京 100048； 2. 北京師范大學附屬中學京西分校，北京 100042； 3. 北京第二十中學，北京 100085)

1 背景、事實與問題的提出

2017年9月,黨辦和國辦在聯(lián)合發(fā)布的“關(guān)于深化教育體制機制改革的意見”(以下簡稱“意見”)中的明確要求:“要注重培養(yǎng)支撐終身發(fā)展、適應時代要求的關(guān)鍵能力”,其具體內(nèi)容為認知能力、合作能力、創(chuàng)新能力與職業(yè)能力，并指出其基本途徑是“在培養(yǎng)學生基礎(chǔ)知識和基本技能的過程中,強化學生關(guān)鍵能力培養(yǎng)”.[1]顯然,此處的關(guān)鍵能力都屬于綜合性能力．2018年發(fā)生的中興事件和中美貿(mào)易戰(zhàn)使國人現(xiàn)實感受到要實現(xiàn)我們的強國夢,教育必須和急需加強這4種關(guān)鍵能力的培養(yǎng)．

關(guān)鍵能力亦是2017版普通高中課程標準(以下簡稱“課標”)所強調(diào)的一個基本內(nèi)容:“各學科基于學科本質(zhì)凝練了本學科的核心素養(yǎng),明確了學生學習該學科課程后應達成的正確價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力”;[2]“學科核心素養(yǎng)是學科育人價值的集中體現(xiàn),是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力．”[3]由此似可認為,貫徹課標發(fā)展學生核心素養(yǎng)的要求也就是在培養(yǎng)學生的關(guān)鍵能力．

然而,對照并分析上述文件,不難發(fā)現(xiàn)在關(guān)鍵能力的內(nèi)容、培養(yǎng)力度與效率上,尚存在值得思考之處．第一，學科核心素養(yǎng)中的關(guān)鍵能力既然是基于學科發(fā)展凝練出的就必然是帶有學科特色的關(guān)鍵能力(以下簡稱“學科關(guān)鍵能力”);從學習遷移的理論上看它與“意見”所指的綜合性關(guān)鍵能力當然相關(guān),但也理應存在一定差異．即此關(guān)鍵能力非彼關(guān)鍵能力．第二，內(nèi)容上,學科關(guān)鍵能力僅是學科核心素養(yǎng)的一個組成部分．途徑上,學科關(guān)鍵能力的培養(yǎng)理應是“課標”培養(yǎng)學生綜合性關(guān)鍵能力的基礎(chǔ)環(huán)節(jié),其培養(yǎng)正如“意見”所指出的，可“在培養(yǎng)學生基礎(chǔ)知識和基本技能的過程中”強化培養(yǎng),并還需學生自己在頭腦中將其進行某種內(nèi)化——實現(xiàn)彼此間的融合、遷移與貫通．于是,在教學實踐中,一線教師如何在全面落實培養(yǎng)學科核心素養(yǎng)的同時再進一步發(fā)展綜合性關(guān)鍵能力,就成為值得探討的一個問題．

2 對“問題”解決思路的理性思考

著名的美國政治哲學家羅爾斯曾試圖解決這樣一個問題:當解決方案中的任何一種都不能得到各個社會利益群體的普遍認肯時,人們能做的,就是暫時放下政治領(lǐng)域的一些觀念分歧,回到最基本的理性共識上來．[4]

2.1 “問題”形成的前提與解決“問題”的可能性

上述問題之所以形成,源于兩個事實．一個是“基于學科本質(zhì)凝煉”出來的(學科)關(guān)鍵能力,與兩辦“意見”所提的關(guān)鍵能力在內(nèi)容上相關(guān)聯(lián)但又不盡相同;另一個是一線教師需要積極貫徹“課標”培養(yǎng)核心素養(yǎng)的要求,同時也理應落實中央兩辦“意見”的精神．這兩個事實,在“課標”要求與“意見”精神都要落實的前提下,生成了上述問題．對這一問題的過于簡單化處理,或削弱核心素養(yǎng)的培養(yǎng),或閹割“意見”對關(guān)鍵能力的落實．

然而,如果注意到學科關(guān)鍵能力與“意見”所提關(guān)鍵能力,在內(nèi)容上的關(guān)聯(lián)與培養(yǎng)途徑上一致的實際例子,不難看到解決該問題的可能.例如物理學科的數(shù)理邏輯推證能力與化學學科的宏觀辨識與微觀探析都具有創(chuàng)新能力的功能,然而反之都不盡然．這種“一致”成分表明,培養(yǎng)學科核心素養(yǎng)(含學科關(guān)鍵能力)是必須的;而“反之都不盡然”，例如創(chuàng)新能力并不僅靠數(shù)理邏輯推證就都能解決的，是學生需要具有一種意識，創(chuàng)新能力不是學會可以實現(xiàn)創(chuàng)新的具體的一招半式,而是求創(chuàng)求新并與尋找其實現(xiàn)途徑、方法的自覺意識．當學生明白了這種“一致”與“不盡然”,上述問題的解決就有了可能．

2.2 “問題”解決的突破口

一方面,根據(jù)教學與我們自身成長的經(jīng)驗可知,在同一個內(nèi)容(任務(wù)、問題)的解決過程中可以培養(yǎng)不同的能力．對教學過程而言,這可能取決于教師采取的不同教學方法或?qū)W生自己的學習方法．例如測量重力加速度，可以從教材建議的實驗探究入手,在學生自學并擬定實驗報告初稿的基礎(chǔ)上組織學生實驗教學;也可以從討論不同的實驗方案入手(自由落體,斜面,單擺),對不同方案的實驗原理進行可行性及系統(tǒng)誤差分析,然后選擇最可幾方案并思考實驗器材的選擇和相應的實驗步驟,進行試操作,最后再進入實驗探究．前一過程側(cè)重培養(yǎng)學生的自學、實驗、探究等能力,后一過程則側(cè)重發(fā)展學生的創(chuàng)新、合作、推證、實驗和探究能力．這一事實表明在一個具體的知識點學習過程中,培養(yǎng)學科核心素養(yǎng)可以與發(fā)展“意見”所要求的關(guān)鍵能力同時進行;或者說“意見”要求的關(guān)鍵能力與課標義指的學科關(guān)鍵能力可以在理科一個具體知識點的學習過程中相輔相成地發(fā)展．這將成為解決上述兩個問題的突破口．另一方面,由關(guān)鍵能力與學科關(guān)鍵能力的差異,可將關(guān)鍵能力作為一個獨立于學科核心素養(yǎng)之外的整體,以實現(xiàn)加強關(guān)鍵能力培養(yǎng)的力度與效率．

2.3 “問題”解決的基本思路

中學的理科教學,除少數(shù)內(nèi)容外(如物理中的狹義相對論、宇宙大爆炸等)基本都是通過觀察、實驗建立概念、規(guī)律來進行對客觀物質(zhì)的產(chǎn)生、存在、變化與發(fā)展的研究．這使高中理科教學在解決上述兩個問題上應該有一個基本共同的途徑．

受物理“課標”中物理觀念是“物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華”[2],以及生物“課標”中“學生應該在較好理解生物學概念的基礎(chǔ)上形成生命觀念”[5]的啟發(fā),需要先確定一個涉及學科核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力的基礎(chǔ)．根據(jù)上文討論，學生將形成兩個方向的發(fā)展，即學科核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力，但這兩個方向在發(fā)展過程中并非各自獨立而是相互作用、相輔相成的．學科關(guān)鍵能力在概念上屬于學科核心素養(yǎng)的一部分,學科核心素養(yǎng)的其余成分難論與關(guān)鍵能力不無相關(guān),故學科關(guān)鍵能力不需單列．

黑格爾認為,相互作用是比因果關(guān)系更高的范疇[6];恩格斯則指出“相互作用是事物真正的終極原因”[7]．分析學科核心素養(yǎng)所含要素之間、4個關(guān)鍵能力之間、關(guān)鍵能力與學科核心素養(yǎng)要素之間的相互作用,將成為下面討論的基本思路．

3 關(guān)鍵能力與學科核心素養(yǎng)協(xié)同發(fā)展的高中理科教學模型

下面討論中,學科核心素養(yǎng)的界定與要素內(nèi)容以各學科的“課標”(2017年版)為準,關(guān)鍵能力一詞的類別與內(nèi)涵以“意見”所提的4個關(guān)鍵能力為準．

3.1 模型建立依據(jù)的思考

以各理科課標規(guī)定的知識作為模型的基礎(chǔ),將學科核心素養(yǎng)作為一個整體,與關(guān)鍵能力分別作為通過學科知識培養(yǎng)的兩個方向和目標．它們彼此之間的相互作用將試做如下解析．將關(guān)鍵能力,學科核心素養(yǎng)與其要素以及學科知識都視為模型的基元．根據(jù)日常教學實踐與我們的常識,不難注意到模型基元具有以下特點：(1) 培養(yǎng)和發(fā)展關(guān)鍵能力與核心素養(yǎng)的基本載體都是學科知識及其應用,且這三者之間存在相互作用; (2) 核心素養(yǎng)要素的抽象程度高于關(guān)鍵能力,這表明學科核心素養(yǎng)的必要性及其重要性; (3) 核心素養(yǎng)的不同要素之間具有交叉性,即在教學中各個要素不是單獨孤立進行培養(yǎng)的,而是相互交叉滲透于具體知識的學習之中; (4) 核心素養(yǎng)要素與關(guān)鍵能力之間存在相互作用但在方向上有差異性;(5) 培養(yǎng)和發(fā)展關(guān)鍵能力的教學活動在性質(zhì)上存在類別性差異．

關(guān)于特點(3): 核心素養(yǎng)與其要素間的關(guān)系,在性質(zhì)上屬于整體與部分,整體的存在依賴各部分之間的相互作用,沒有相互作用,分離的要素構(gòu)不成整體，例如沒有粒子間的結(jié)合能就沒有原子．幾乎任何一個知識點,其概念的形成都可追溯出與核心素養(yǎng)要素間或明或隱的相互作用．物理核心素養(yǎng)的4要素(物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任)都是相互交叉與滲透的;外顯上,物質(zhì)、運動與相互作用等觀念本身不可分割,這些觀念與過程分析(即科學思維)及實驗探究等要素也外顯為難于分割;而能量觀念和要素“責任與態(tài)度”則是內(nèi)隱的，內(nèi)隱的內(nèi)容在一定條件下都可以被外顯.例如在用快速運動的小車遇阻驟停時車上木塊傾倒的實驗來使學生理解慣性概念時，如果深入分析慣性質(zhì)量并涉及慣性應用(如由此引出公交車上應多裝供乘客手扶(抓)的固定物)都可能使這兩個內(nèi)隱的內(nèi)容轉(zhuǎn)化為外顯．

關(guān)于特點(4): 在中學階段,學科核心素養(yǎng)中的不同要素與四個關(guān)鍵能力之間的作用不一定都是相互的．仍以物理為例,創(chuàng)新能力和科學探究要素之間是互相促進的,及兩者之間的作用是雙向的;但創(chuàng)新能力和物理觀念要素之間的作用是單向的,后者可以指導創(chuàng)新的方向或思路,前者則很難改變物理觀念(限中學物理)．

關(guān)于特點(5): 關(guān)鍵能力中的職業(yè)能力與其他3個能力的載體不盡相同,認知能力、合作能力與創(chuàng)新能力主要以知識的學習活動為載體,而職業(yè)能力還需借助綜合性社會化活動．

3.2 模型的建立

根據(jù)上述模型基元的5個特點,借助圖1建立學科核心素養(yǎng)與關(guān)鍵能力融合協(xié)同發(fā)展的理科教學模型:用圓形表示學科核心素養(yǎng)及所含的各個要素,用疊加形式表示要素間的交叉性相互作用,用平面框表示不同的關(guān)鍵能力,用直線和虛線箭頭表示模型中不同類型基元間作用的存在與方向;為鮮明區(qū)分作用的單向性,箭頭的一端變?yōu)閳A頭．考慮方便教師使用教學模型組織教學,模型還宜反映出模型基元的培養(yǎng)途徑與過程的程序性．為此可根據(jù)學科特點適當增加輔助元．

以物理學科為例,物理核心素養(yǎng)及關(guān)鍵能力協(xié)同發(fā)展的教學模型如圖1所示．圖1中最下端的“物理現(xiàn)象、實驗、概念規(guī)律”既是培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)的載體又是物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)起點,在由知識學習到物理核心素養(yǎng)形成需要采取“基于個體省悟之上的交流、點撥→融匯、頓悟、提煉→升華”的途徑．其中的人形圖示正是這一途徑的形象表示．不同理科的核心素養(yǎng)要素雖不相同,但也存在一些共性．例如地理學科(自然地理)的核心素養(yǎng)要素為綜合思維(對應科學思維)、區(qū)域認識(對應態(tài)度責任)、實踐能力(對應科學探究)和人地觀念(對應物理觀)．與物理學科的共性是都突出了價值觀念(基本價值觀)、實踐能力(基本活動經(jīng)驗)和思維(基本思想和方法)．

圖1 關(guān)鍵能力與學科核心素養(yǎng)協(xié)同發(fā)展的高中理科課堂教學模型

4 關(guān)鍵能力與學科核心素養(yǎng)協(xié)同發(fā)展教學模型的教學案例

以物理“電勢”一節(jié)為例,根據(jù)關(guān)鍵能力與學科核心素養(yǎng)協(xié)同發(fā)展的教學模型設(shè)計的教學案例如下．

4.1 學情分析與設(shè)計思路

從物質(zhì)觀念角度,學生在理性上似乎對物質(zhì)的兩種存在形態(tài)(實物粒子與場)已經(jīng)接受,但對其物理依據(jù)(具有的共同屬性)并不清楚．因此本節(jié)將在反映出電場對實物粒子的相互作用表現(xiàn)為力的基礎(chǔ)上,進一步闡明電場對實物粒子的相互作用還表現(xiàn)為能量．從場的力學屬性到能量屬性看,這是場概念的又一次重大進階;并同步涉及到物質(zhì)、運動與相互作用以及能量3個物理觀念．

由于學生對處在地球引力場中的物體只有重力勢能而沒有重力勢的概念,故難于使用類比組織電勢教學，強行類比還容易誘發(fā)學生由“物體的重力勢能”而誤認為電勢能就屬于電荷,進而累及電勢自然也屬于電荷．如何使學生理解電勢是電場的屬性而與電荷無關(guān),以及電勢能是電場與電荷雙方相互作用的產(chǎn)物,乃是本節(jié)課的兩個難點;同時也給學生綜合感受科學思維與科學探究對物理學的價值提供了機會．從場概念的這一重大進階到對電勢歸屬的辨析,都是學生認知發(fā)展的過程,探究方案的設(shè)計與實踐也給學生提供了創(chuàng)新與合作的機會．因此本節(jié)課具備體現(xiàn)物理觀念、科學思維、科學探究的交叉滲透與發(fā)展學生認知能力、合作能力與創(chuàng)新能力的基本條件．

4.2 教學目標(相關(guān)部分)

(1) 通過實驗和討論,從能量觀念的角度認知電勢概念,同時滲透物質(zhì)觀念與相互作用觀念在物理觀念中的絕對性．(2) 通過討論、思辨、實驗、分析、推證使學生初步建立電勢概念,認知電勢的物理意義及其與電勢能的關(guān)系與差異．(3) 通過上兩過程中的科學思維活動培養(yǎng)學生的認知能力、合作能力、創(chuàng)新意識與科學探究精神,同時誘發(fā)學生感受物理科學的概念體系之簡潔與嚴謹,體驗物理學對同一個數(shù)學式的不同物理語言表述可能意味著不同的物理深度與方法論意義,熏陶和豐富物理學科素養(yǎng)．

4.3 部分教學過程(簡錄)

下文中A、B、C、D表示該部分內(nèi)容與4個關(guān)鍵能力(綜合能力)以及物理學科核心素養(yǎng)兩類教學目標間的聯(lián)系．具體說，A部分落實認知能力與物質(zhì)觀念、相互作用觀念及科學思維;B部分落實認知能力、合作能力與物質(zhì)觀念、能量觀念及科學思維;C部分突出在合作基礎(chǔ)上的認知(即合作能力、認知能力)與能量觀念、相互作用觀念及科學思維;D部分在于體現(xiàn)創(chuàng)新能力與科學探究．

A. 師:大家已接觸過永磁場,電流的磁場,電磁感應中的電磁場,還有最近學的靜電場．你們覺得場與實物都有哪些不同,哪個是最根本的不同?(可以討論)

生:…

師:這么多不同,為什么還說場和實物一樣都是物質(zhì)?

生:客觀存在.

師:這是從哲學角度,從物理學角度呢?

投影照片(圖2-圖5),回憶實驗,分析意義.

圖2 永磁體間的相互作用

圖3 電流磁場與永磁體間相互作用

圖4 靜電場間的相互作用

圖5 變化的磁場與變化的電場之間的相互作用

觀看錄像,分析意義.

師:線圈中磁場突然增加、減少;平行板電容接上交流電．

師:投影問題,生討論.

生：根據(jù)以上可歸納出場與實物有一個什么相同點?(物質(zhì),相互作用)

已學的電場強度,是從哪個角度表明電場和實物一樣?(力或相互作用)

B. 師：試猜想還可能從什么角度說明電場和實物一樣?(從運動和能量)

建立電勢能概念.

師:(視情況)啟發(fā):一個物體的位置相對一個標準物體的位置(如地面)發(fā)生改變,物體的什么量將隨之發(fā)生改變?

演示建立電勢能概念的實驗(定性).

實驗器材:兩個相同的輕質(zhì)絕緣盒,兩個等質(zhì)空腔金屬球,電子起電機一臺,氣墊導軌,導軌滑塊2塊,膠帶．

實驗步驟:

(1) 用膠帶將兩個絕緣盒分別與兩個滑塊固定在一起,再將其中一個固定在氣墊導軌左側(cè)．

(2) 調(diào)平氣墊導軌,接通氣泵電源．將另一個帶有絕緣盒的滑塊放到導軌的右側(cè),再將兩個不帶電的空腔金屬球A、B分別置于左、右兩側(cè)的輕質(zhì)絕緣盒中(圖6)．

(3) 使B球隨滑塊向A盒做勻速運動．觀察現(xiàn)象．

(4) 用感應起電機將兩個金屬球帶上同種電荷,重復第(2)步,觀察現(xiàn)象．

實驗現(xiàn)象:當兩金屬球不帶電時,勻速運動的B球與靜止的A球(盒)發(fā)生碰撞后做反向運動．當兩金屬球帶同種電荷時,B球接近A球時速度減小,未與靜止A球碰撞就改做反向運動．

師:投影問題,生討論.

生：如何從能量角度分析B球的能量變化和B球的能量性質(zhì)?靜止的A球若不帶電,B球有勢能與勢能的變化嗎?

師小結(jié):處在外電場中的電荷具有電勢能ε.電荷一旦進入外電場,電荷即刻具有電勢能，這是電場一種能量屬性．

投影問題,生討論.

思考:B球的電勢能,從本源上說怎么變化的?(兩個電場之間的相互作用導致了B球的電勢能的變化)

思辨:電勢能屬與電荷的,電場的,還是雙方的?怎么證明你的思辨結(jié)果．(反例實驗:A球或B球周圍空間只有一個有電場,或A、B各自空間都沒有電場,B球都不可能有電勢能)

師小結(jié):電勢能屬于電場與處于電場中的電荷雙方的，即屬于系統(tǒng)的．

建立電勢概念.

師提問、追問：加深學生對相關(guān)概念物理意義,內(nèi)涵與功能界限的認知．

電場有使進入電場的電荷立即具有電勢能的屬性,那怎么區(qū)分不同電場這種屬性的強弱呢?

怎么判斷一個電場中的不同空間點的這種能量屬性有沒有變化呢,像剛才實驗中A球附近的點與稍遠的或再遠的點?用E行不行?ε行不行?Q呢?為什么不行?

師生討論交流:……

生:老師,是否要引入新的物理量?

師:在已有的物理知識確實都不能解決新問題的時候,物理學才考慮引入新的物理量．為描述電場能量屬性而引入的物理量叫電勢U,也就是說電勢是描述電場能量屬性的物理量——這就是電勢的物理意義．

C: 好,那么怎么定義?

啟發(fā):描述電場力學屬性時,引入了電場強度,它是如何建立的?

生:把帶不同電荷量的球分別放進不同電場,看單位電荷量的電勢能誰大．

師:把“帶不同電荷量”的球分別放進“不同電場”?

生:不是,是把帶不同電荷量的球分別放進同一電場,還得是同一個點,看單位電荷量的電勢能誰大．

師:把帶電球放進電場,由于相互作用的必然存在,會不會加大或減弱原電場的能量屬性．

生:使用檢驗電荷．

師:對,因為檢驗電荷是理想模型．那么,電勢U的數(shù)學表述,單位?

生:U=ε/Q．

師:對U=ε/Q這一數(shù)學關(guān)系的文字描述有兩種:單位電荷量的電勢能與電勢能與電荷量之比．哪種說法才切合電勢的物理意義——描述電場能量屬性?

回答這個問題,先讓我們回到B球在氣熱導軌上向A球運動的實驗．我們知道A球電場的場強E是離A越遠越弱,設(shè)想B球為檢驗電荷,它進入A球電場之前的動能為Ek0,那么隨后B球的能量是怎么變化的,變化的值是用什么量度的?

生:B球:Ekb≠0，Ekb減小，同時ε增大直至Ekb=0,ε最大;B球反向運動,ε減小，同時Ekb增大．

電勢能和動能之間的轉(zhuǎn)化是用A電場的電場力做功來量度的．

師:由此分析,可有幾點結(jié)論?

生:A場中不同點的電勢U不一樣;因為B球的電荷量沒變但電勢能ε一直在變．而U好像和Q沒關(guān)系,只與A電場中的空間位置有關(guān)．

師:好,回到前面的問題，對U=ε/Q的文字描述,單位電荷量的電勢能與電勢能與電荷量之比,哪種說法更切合電勢?

生:“比”那種．因為U與電荷無關(guān);若把U定義表述為單位電荷的電勢能,那U從定義上就離不開電荷．

師:請大家把這一小段學習內(nèi)容做個小結(jié).

小結(jié):電勢U是描述電場能量性質(zhì)的物理量,屬于電場而不屬于場與電荷這一系統(tǒng)．檢驗電荷是理想模型．電勢U的值等于電場中的電荷的電勢能與所帶電荷量之比，

U=ε/Q．

師:在明確對U=ε/Q這個數(shù)學式的語言表述需要采取“比”的方式之后,我們還需要明白,其實將這類數(shù)學式子表述為“取單位量”和“之比”體現(xiàn)了兩種科學方法．取單位量,反映出科學比較的基本要求:要比較先定標;而兩個量之比,反映出在變中尋找(發(fā)現(xiàn))不變,即兩變量都在變的過程中什么量卻保持不變．這種不變源于事物本身的屬性,不會隨度量他的量而改變．就像質(zhì)量分布均勻的一塊物體,掰下一塊的ρ不會隨m與V變小而改變．

D: 師:投影提出問題和要求.

圖7 勻強電場中的電勢

思辨、推證,探究實驗: 如圖7所示．若電勢與電荷有關(guān):當將q1、q2先后放到A點時,以及將q1先后放在A點和B點時,UA與UB分別呈現(xiàn)什么關(guān)系?若電勢只與電場有關(guān)而與電荷無關(guān)；當將q1、q2先

后放到A點時,以及當將q1先后放在A點和B點時,UA與UB分別呈現(xiàn)什么關(guān)系?

探究實驗:從上述“思辨”中選取一個假設(shè)與推論,課下進行實驗設(shè)計．