基于“四線五階”課堂模式構(gòu)建科學(xué)概念的教學(xué)

摘要：科學(xué)大概念背景下的教學(xué)，對大概念進(jìn)行分層解析，獲得學(xué)科核心概念、主題核心概念、重要概念、基礎(chǔ)概念等。如在“質(zhì)量守恒”這個重要概念基礎(chǔ)上組織“四線五階”課堂模式教學(xué)，以情境、問題、活動和目標(biāo)這四條立柱式主線為建構(gòu)概念的抓手，并從“質(zhì)量守恒”中剝離出“反應(yīng)物和生成物的質(zhì)量”這個進(jìn)階變量，從“呈現(xiàn)事實，感知模型”“分析推理，假設(shè)模型”“實驗論證，驗證模型”“分析評估，完善模型”“遷移預(yù)測，應(yīng)用模型”這五階層層遞進(jìn)，最終構(gòu)建概念模型。

關(guān)鍵詞：四線五階;概念建構(gòu);進(jìn)階變量;質(zhì)量守恒

文章編號：1008-0546（2020）10-0007-07

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3 969/j.issn.1008-0546.2020.10.002

國際科學(xué)教育普遍圍繞大概念進(jìn)行課程設(shè)置，義務(wù)教育階段的科學(xué)教育也不例外。一般認(rèn)為，大概念包括核心概念、共通概念。大概念對自然界中的各種可觀測的自然現(xiàn)象有廣泛的解釋能力，是一種強大的解釋模型[1]。以《初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》為綱要編寫的浙教版科學(xué)教材，就是以科學(xué)大概念為核心，通過設(shè)置不同的科學(xué)概念層次結(jié)構(gòu)，分主題對原有的物理、化學(xué)、生物和自然地理等內(nèi)容進(jìn)行概念重構(gòu)而編寫全新的章節(jié)。一般說來，科學(xué)大概念包括4個層次的概念層次，它們之間的關(guān)系按照抽象概括水平從低到高依次為“基礎(chǔ)概念”“重要概念”“主題核心概念”和“學(xué)科核心概念”[2]。

一、“質(zhì)量守恒”的概念層級

重要概念是構(gòu)成一個學(xué)科的知識主體，數(shù)量比較多，如“質(zhì)量守恒”就是一個重要概念，它的上位主題核心概念是“化學(xué)反應(yīng)”，再上位的學(xué)科核心概念是“物質(zhì)的運動與相互作用”。而在每個學(xué)科中，都是由如“質(zhì)量守恒”之類的重要概念構(gòu)成了“物質(zhì)科學(xué)”的知識主體。同時，像“質(zhì)量守恒”這種重要概念，它本身還具有一定的層次結(jié)構(gòu)，所以還可以繼續(xù)分層構(gòu)建不同的層級，其下位還有基本概念（如反應(yīng)物、生成物、分子、原子、元素等）和關(guān)系概念（如反應(yīng)物和生成物質(zhì)量的變化，分子、原子等種類與數(shù)目的變化等）兩個亞層次，我們可稱之為基礎(chǔ)概念。它們的關(guān)系如圖1所示。

北師大郭玉英教授團(tuán)隊和王磊教授團(tuán)隊分別基于高中物理和化學(xué)學(xué)科，引入國際中著名的學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，通過多年的實證研究發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)科學(xué)（物理和化學(xué)學(xué)科）的概念的理解有一定的發(fā)展層級模型。郭玉英教授領(lǐng)銜的關(guān)于概念理解的層級模型，對科學(xué)概念建構(gòu)影響甚大。這種模型將概念的理解分為5個層級，分別是：

經(jīng)驗：學(xué)生具有尚未相互關(guān)聯(lián)的日常經(jīng)驗和零散事實。

映射：學(xué)生能建構(gòu)事物的具體特征與抽象術(shù)語之間的映射關(guān)系。

關(guān)聯(lián)：學(xué)生能建構(gòu)抽象術(shù)語和事物數(shù)個可觀測的具體特征間的關(guān)系。

系統(tǒng)：學(xué)生能從系統(tǒng)層面上協(xié)調(diào)多要素結(jié)構(gòu)中各變量的自變與共變關(guān)系。

整合：學(xué)生能由核心概念統(tǒng)整對某一科學(xué)觀念（例如物質(zhì)觀念、能量觀念等）的理解，并建構(gòu)科學(xué)觀念間和跨學(xué)科概念（例如系統(tǒng)、尺度等）之間的聯(lián)系[3]。

這5個層級，對應(yīng)于概念構(gòu)建時認(rèn)知水平的5個階?？茖W(xué)概念的建構(gòu)不只是解決認(rèn)知發(fā)展路徑，科學(xué)概念的構(gòu)建還要解決認(rèn)知發(fā)展過程中不同思維層級水平的“立足點”問題。這個“立足點”就是學(xué)習(xí)過程的操作點，也是提高認(rèn)識效能的切人點。基于認(rèn)知心理學(xué)對概念的構(gòu)建，從每個科學(xué)概念的構(gòu)成要素出發(fā)，尋找構(gòu)成概念的核心要素作為進(jìn)階變量及其它們之間的關(guān)系，從而建構(gòu)科學(xué)概念。如“質(zhì)量守恒”的核心進(jìn)階變量是反應(yīng)物和生成物的質(zhì)量，構(gòu)成反應(yīng)物的微粒種類與數(shù)目和構(gòu)成生成物的微粒種類和數(shù)目等也是核心變量關(guān)聯(lián)的變量。

構(gòu)建科學(xué)概念需從生活事實出發(fā)，通過對生活事實的認(rèn)識，基于觀察等活動形成初步的心智模型;再通過假設(shè)、推理和論證等復(fù)雜的認(rèn)知行為對心智模型進(jìn)行修正，并最終形成概念模型;最終利用概念模型解釋、預(yù)測出現(xiàn)新問題的新結(jié)論和新現(xiàn)象。整個過程是一種主動的內(nèi)在心智行為，是科學(xué)概念建構(gòu)的過程。此過程分為5個層級，即5個階，如圖2所示：

圖2中的五階，與郭玉英教授的理解科學(xué)概念的5個層級是一一對應(yīng)和匹配的。

“呈現(xiàn)事實，感知模型”是基于真實情境，從學(xué)生日常生活經(jīng)驗和已經(jīng)學(xué)過的知識出發(fā)，感知概念模型的事實基礎(chǔ)，屬于“經(jīng)驗”層級水平。

“分析推理，假設(shè)模型”是從幾個事實出發(fā)，以分析和推理的思維方式提煉出幾個事實之間的共性特征，從而大致能假設(shè)科學(xué)概念模型，屬于“映射”層級水平。

“實驗論證，驗證模型”是利用實驗等活動，以實證的技術(shù)手段進(jìn)行科學(xué)概念模型的驗證，構(gòu)建概念內(nèi)涵中核心進(jìn)階變量關(guān)系，屬于“關(guān)聯(lián)”層級水平。

“分析評估，完善模型”是通過對概念的進(jìn)一步分析和評估，從本質(zhì)上揭示科學(xué)概念中各要素和變量之間的聯(lián)系，特別是變量之間的“自變”和“共變”關(guān)系，從而進(jìn)一步完善概念模型，屬于“系統(tǒng)”層級水平。

“遷移預(yù)測，應(yīng)用模型”是以概念模型來解釋和預(yù)測新情境中的新問題，需要把新建構(gòu)的科學(xué)概念融人整個學(xué)科觀念之中，屬于“整合”層級水平。

二、“質(zhì)量守恒”的建構(gòu)抓手

構(gòu)建概念模型的過程，不僅僅是指知識本身由淺入深的線性發(fā)展過程，而是作為整體的立體的心智發(fā)展過程。在這個心智發(fā)展過程中，有真實情境的設(shè)置，有核心問題的推動，有體驗活動的演進(jìn)，還有關(guān)于學(xué)習(xí)目標(biāo)的分設(shè)。情境、問題、活動和目標(biāo)就是科學(xué)概念建構(gòu)的“四線”。

1.真實情境的設(shè)置

真實情境首先來源于現(xiàn)實生活的真實事件，是為課堂教學(xué)服務(wù)的，必須與教學(xué)內(nèi)容匹配，匹配度越高越有利于教學(xué);同時情境要求簡潔多樣，并且可控，以利于在課堂中堪擔(dān)教學(xué)重任。

結(jié)合比利時教育專家羅日葉的情境類型學(xué)和王俊民等[4]對試題情境的研究成果，“質(zhì)量守恒”“三階”中的概念構(gòu)建選擇了四個“異質(zhì)”的實驗作為情境（表1）。

2.核心問題的推動

課堂教學(xué)需要在情境中挖掘核心問題，從而推進(jìn)科學(xué)概念建構(gòu)的思維路徑。核心問題除了要注意頻次、設(shè)問方式等問題形式之外，還要關(guān)注問題的實質(zhì)內(nèi)容質(zhì)量，如問題與問題之間的關(guān)聯(lián)性，問題與情境的相關(guān)度，問題對概念建構(gòu)的影響度等。

基于課堂教學(xué)任務(wù)驅(qū)動的原則，“質(zhì)量守恒”概念建構(gòu)的核心問題的推動設(shè)計如表2所示。

3.體驗活動的演進(jìn)

體驗活動的主體是學(xué)生，為達(dá)到一定學(xué)生目標(biāo)的活動設(shè)計，是基于真實情境和核心問題驅(qū)動下的體驗性活動?！百|(zhì)量守恒”概念建構(gòu)中的一個體驗活動具體包括表3中的內(nèi)容。

4.學(xué)習(xí)目標(biāo)的分設(shè)

綜合我國中學(xué)生核心素養(yǎng)所要求的必備品格和關(guān)鍵能力，參考高中物理、化學(xué)、生物學(xué)科核心素養(yǎng)框架，制定初中科學(xué)學(xué)習(xí)目標(biāo)結(jié)構(gòu)框架為科學(xué)觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度四個維度，如表4所示。

三、“質(zhì)量守恒”的建構(gòu)過程

化學(xué)反應(yīng)過程中的質(zhì)量守恒定律的構(gòu)建，遵循科學(xué)概念建構(gòu)規(guī)律，縱向以五步進(jìn)階為方向?qū)訉舆f進(jìn)，橫向以情境、問題、活動和目標(biāo)四條主線為路徑全面展開。通過“四線五階”的課堂模式構(gòu)建“質(zhì)量守恒”概念模型，猶如一座五層大樓，情境、問題、活動和目標(biāo)就是大樓的四根立柱支撐著大樓;每一樓層相當(dāng)于構(gòu)建“質(zhì)量守恒”概念模型總?cè)蝿?wù)的一個“階”;核心進(jìn)階變量是化學(xué)反應(yīng)過程中反應(yīng)物和生成物的質(zhì)量。從科學(xué)本質(zhì)上看，這是科學(xué)論證水平在進(jìn)階過程中使構(gòu)建“質(zhì)量守恒”概念模型獲得論證充分，邏輯適洽，從經(jīng)驗判斷到理性工具，由定性觀察到定量實驗。如圖3所示。

1.呈現(xiàn)事實，感知模型

浙教版八年級下冊科學(xué)第3章第3節(jié)第1課時為質(zhì)量守恒定律。教材先展示“木頭燃燒后變成了灰燼，質(zhì)量減少了”和“蠟燭燃燒后質(zhì)量幾乎為零”兩幅圖片，引起化學(xué)反應(yīng)可能的“質(zhì)量不守恒”的實例，從而揭開學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)過程中物質(zhì)質(zhì)量變化的“迷思概念”。從學(xué)生課前的學(xué)情調(diào)查也可以看出，幾乎所有學(xué)生都認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)過程質(zhì)量是守恒的，只是他們大多不知道是什么原因“干擾了像蠟燭燃燒之類的化學(xué)反應(yīng)的質(zhì)量守恒”，無法進(jìn)行合理的解釋。

任何教學(xué)都不是基于學(xué)生“空白認(rèn)知”的，而是建立在學(xué)生原有前概念、生活經(jīng)驗等基礎(chǔ)上。像教材中的兩例，就是學(xué)生“迷思概念”的直接原因。在建構(gòu)“質(zhì)量守恒”的同時，解決“迷思概念”也是非常重要的建構(gòu)科學(xué)概念的任務(wù)。

一階的進(jìn)階變量（反應(yīng)物和生成物的質(zhì)量）是通過學(xué)生直覺經(jīng)驗判斷來確定的（見表5）。 此環(huán)節(jié)僅僅是通過討論激發(fā)學(xué)生原有的“經(jīng)驗”，為構(gòu)建模型打下認(rèn)知基礎(chǔ)。

2.分析推理，假設(shè)模型

教材隨即安排“思考與討論”：

我們用過氧化氫制取氧氣時，反應(yīng)前后試管的總質(zhì)量會如何變化？如果把反應(yīng)生成的氧氣收集起來，加上氧氣的質(zhì)量，總質(zhì)量又會如何變化？

此“思考與討論”的最大意義，在于從方法論的角度對“一階”事實的質(zhì)疑，從而建立起“質(zhì)量守恒”的假設(shè)模型。“蠟燭燃燒后質(zhì)量幾乎為零”，這是我們以“看”為渠道進(jìn)行觀察獲得的直觀結(jié)果。“看”雖屬于觀察的重要渠道，但“看”并非觀察的全部;況且，獲得事實與證據(jù)，僅憑觀察還是不夠的，實驗也是不可缺少的研究方法。教材選擇的實例是本章第1節(jié)剛剛學(xué)過的化學(xué)反應(yīng)例證（用過氧化氫溶液制取氧氣）。學(xué)生不但熟悉整個實驗，而且能瞬間把“矛頭”聚集到反應(yīng)物或生成物有氣體參與或產(chǎn)生的情況，從而逃避了“看”的科學(xué)性。

二階的進(jìn)階變量（反應(yīng)物和生成物的質(zhì)量）是通過定性觀察，依據(jù)一定的事實證據(jù)判斷（如產(chǎn)生氣泡）來確定的（見表6）。

“二階”利用了兩個情境，第1個情境是聯(lián)系原有知識的結(jié)果，第2個從科學(xué)本質(zhì)的角度理解質(zhì)量守恒概念的形成。需要說明的是，第1個情境并不是教師直接展示的，而是延續(xù)“一階”的問題，通過學(xué)生舉例“生成”的。

此環(huán)節(jié)還沒有真正構(gòu)建“質(zhì)量守恒”，但已經(jīng)從事實經(jīng)驗出發(fā)，剝離出影響判斷化學(xué)反應(yīng)過程中質(zhì)量守恒的變量因素——“氣體”（包括固體粉末等）的參與或產(chǎn)生。

3.實驗論證，驗證模型

在完成“二階”的假設(shè)“質(zhì)量守恒”概念模型后，呼之欲出的任務(wù)就是通過實驗獲取事實與證據(jù)，解決“迷思概念”，建立真正的“質(zhì)量守恒”概念模型。

教材利用“白磷在封閉錐形瓶中灼燒”和“氫氧化鈉與硫酸銅溶液反應(yīng)”兩個實驗，獲取證據(jù)來形成質(zhì)量守恒定律，但僅這兩個實驗還沒有解決“二階”假設(shè)模型中的“氣體參與或生成影響質(zhì)量守恒判斷”的問題，故在課堂上增加了兩個實驗，分別是反應(yīng)后質(zhì)量減少的“鎂帶在空氣中的燃燒”實驗，質(zhì)量增加的“用酒精燈加熱銅絲”實驗。為了能精確而簡便地操作測量質(zhì)量，用精確度為O.Olg的電子臺秤代替教材里的天平。

三階的進(jìn)階變量（反應(yīng)物和生成物的質(zhì)量）是通過較精密的電子臺秤定量測量獲取事實數(shù)據(jù)來確定的（見表7）。

四個實驗裝置的對比，特別是前面兩個與后面兩個的對比（前者在不密封環(huán)境中完成實驗，后者在密封容器中完成實驗），解決了反應(yīng)物有氣體或生成物有逃逸的問題。

實驗匯報總結(jié)時，最終形成的結(jié)論是“任何化學(xué)反應(yīng)都是遵循質(zhì)量守恒定律”，所以需要強調(diào)“質(zhì)量”的主體是“參與反應(yīng)的所有物質(zhì)”和“反應(yīng)生成的所有物質(zhì)”。

4.分析評估，完善模型

為從本質(zhì)上完善化學(xué)反應(yīng)過程質(zhì)量守恒概念模型，加深對質(zhì)量守恒概念的理解，教材安排了“思考與討論”：請以磷和氧反應(yīng)生成五氧化二磷為例用分子和原子的知識加以分析。

通過微觀模型表征化學(xué)變化過程，是基于本冊第2章中已學(xué)用模型的辦法表征“化學(xué)反應(yīng)是原子的重新組合”。用微觀模型和宏觀事實兩重表征（用化學(xué)方程式進(jìn)行符號表征是下一個課時的教學(xué)內(nèi)容），更有利于從本質(zhì)上加深對質(zhì)量守恒的理解。此環(huán)節(jié)從一個“磷燃燒”的實例推演到所有化學(xué)反應(yīng)。

最后，教材從總結(jié)的角度說明，化學(xué)反應(yīng)過程中，原子種類和個數(shù)及質(zhì)量不變，但分子數(shù)和物質(zhì)的狀態(tài)可能改變。

四階的進(jìn)階變量（反應(yīng)物和生成物的質(zhì)量）是通過微粒模型圖的本質(zhì)分析判斷來確定的（見表8）。

5.解釋預(yù)測，應(yīng)用模型

從建構(gòu)科學(xué)模型的規(guī)律來看，利用模型進(jìn)行解釋與預(yù)測新情境下的新現(xiàn)象和新問題，是科學(xué)模型整個過程中必不可少的環(huán)節(jié)，也是檢測科學(xué)模型建構(gòu)成效的環(huán)節(jié)。此環(huán)節(jié)選擇的材料是1756年俄國化學(xué)家羅蒙諾索夫發(fā)現(xiàn)質(zhì)量守恒定律的過程（表9）。羅蒙諾索夫發(fā)現(xiàn)質(zhì)量守恒定律比拉瓦錫早，可惜他身處俄國，而不是當(dāng)時科學(xué)的中心歐洲，影響力也就沒有拉瓦錫大了[6]。

引導(dǎo)學(xué)生對比羅蒙諾索夫的實驗與玻意耳的實驗，解釋實驗現(xiàn)象并預(yù)測結(jié)果，從科學(xué)本質(zhì)的角度進(jìn)一步深化建構(gòu)“質(zhì)量守恒”概念模型，同時科學(xué)史實具有顯現(xiàn)體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)（科學(xué)結(jié)果的演化和科學(xué)哲學(xué)觀的建構(gòu)）的功能。

五階的進(jìn)階變量（反應(yīng)物和生成物的質(zhì)量）是在科學(xué)史上的實驗基礎(chǔ)上，通過邏輯推理來確定的?！霸趯嶒灮A(chǔ)上的邏輯推理”是以伽利略和牛頓為代表的經(jīng)典科學(xué)時代科學(xué)家最強大的科學(xué)研究方法。

利用“四線五階”課堂教學(xué)模式是通過學(xué)科核心概念的構(gòu)建而得以實施的，學(xué)科核心概念在“四線五階”的教學(xué)中起到“中心骨架”作用，它能統(tǒng)整學(xué)科知識，形成統(tǒng)一的整體，使學(xué)科知識系統(tǒng)化，同時也將統(tǒng)整后的知識體系以解釋和預(yù)測的方式擴展到新情境和新問題，達(dá)到提高科學(xué)核心素養(yǎng)的目的。

參考文獻(xiàn)

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