基于物質(zhì)和能量觀建構(gòu)的初中科學教學策略研究

徐 承 翔

(溫州市教師教育院，浙江 溫州 325000)

發(fā)展學生核心素養(yǎng)是當前推進基礎(chǔ)教育改革的重要內(nèi)容。核心素養(yǎng)導向下初中科學課程育人目標追求從科學觀念、科學思維、探究實踐、態(tài)度責任等方面體現(xiàn)學生通過科學課程學習后內(nèi)化的具有科學特性的品質(zhì)?？茖W觀念是科學素養(yǎng)中的關(guān)鍵內(nèi)容[1]，縱觀科學觀念的歷史演進，可以發(fā)現(xiàn)科學觀念教育對學生自然觀、世界觀、人生觀的建立，創(chuàng)新精神的激發(fā)，批判性思維的形成，科學態(tài)度責任的培養(yǎng)等都具有重要作用。因此，科學觀念教育也是推進核心素養(yǎng)導向下科學教育改革的重要內(nèi)容。筆者在初中科學教育實踐中，嘗試從培養(yǎng)學生“物質(zhì)和能量觀”方面進行深入實踐研究，力求實現(xiàn)從知識為本到觀念建構(gòu)為本的教學，促進學生核心素養(yǎng)發(fā)展。

一、“物質(zhì)和能量觀”建構(gòu)的內(nèi)涵

科學觀念不是知識簡單的積累，而是學生對所學知識深度理解的基礎(chǔ)上提煉和概括出來的，是學生在多年后當具體知識遺忘后保留在頭腦中的對事物的認識或做出判斷和抉擇的依據(jù)。美國《新一代科學教育標準》中提出“物質(zhì)與能量觀”是七個跨學科觀念之一?？鐚W科觀念可以認為是所有科學領(lǐng)域中均可運用的思維方式，是一種融合物理、化學、生物、工程等學科特點的思考方式，最終的核心價值是打破學科壁壘，培養(yǎng)學生科學的思想觀念和綜合素養(yǎng)。

《義務(wù)教育初中科學課程標準(2011年版)》(以下簡稱科學課標)中強調(diào)“注重自然科學中統(tǒng)一的概念和原理，引導學生認識自然界的內(nèi)在統(tǒng)一性，體現(xiàn)綜合性科學課程的課程性質(zhì)?！盵2]浙教版初中《科學》教材定位于綜合理科課程，在物質(zhì)科學、生命科學、地球與宇宙空間科學等領(lǐng)域均有“物質(zhì)”和“能量”的相關(guān)教學內(nèi)容。如物理學科從機械能、電能、光能、勢能等能量形式與物質(zhì)的變化角度，體現(xiàn)物體間相互作用又遵循能量轉(zhuǎn)化與能量守恒?；瘜W學科中，認識物體由物質(zhì)組成，物質(zhì)由微粒構(gòu)成；化學變化可以產(chǎn)生新物質(zhì)并伴隨能量變化，其本質(zhì)是原子的重新排列因而遵循質(zhì)量守恒定律；在生命科學領(lǐng)域中則更多考慮物質(zhì)與生物質(zhì)能、太陽能之間的關(guān)系，生物個體生命活動過程及生物圈生態(tài)系統(tǒng)中處處伴隨物質(zhì)和能量的流動、循環(huán)及轉(zhuǎn)化等。雖然不同學科對于能量的詮釋不完全相同，但都可以反映作為跨學科觀念的“物質(zhì)與能量觀”的流動思想、循環(huán)思想和守恒思想。

二、“物質(zhì)和能量觀”建構(gòu)的承載體系

分析浙教版初中《科學》教材和科學課標，根據(jù)郭玉英教授提出的科學概念理解發(fā)展的層級模型，學生建構(gòu)“物質(zhì)和能量觀”可以分為經(jīng)驗、映射、關(guān)聯(lián)、系統(tǒng)、整合等進階層級(如表1所示)。[3]

表1 “物質(zhì)和能量觀”建構(gòu)的課標和教材的承載體系

經(jīng)驗階段，學生具有尚未相互關(guān)聯(lián)的經(jīng)驗和零散的事實。如學生從“細胞”學習中接觸纖維素、二氧化碳、水等表示物質(zhì)的名詞，光能、熱能等表示能量的名詞，及細胞吸收營養(yǎng)而生長、生物會產(chǎn)生代謝廢物等一些零散的知識。

映射階段，學生初步建立事物具體特征與抽象術(shù)語之間的映射關(guān)系。如教材通過觀察蔗糖的系列活動，讓學生認識到宏觀的物質(zhì)是由肉眼看不見的微觀粒子構(gòu)成；基于之前“細胞學說”的學習，認識細胞也是由各種物質(zhì)組成的，由此讓學生體驗生命也是物質(zhì)的觀念；通過物態(tài)變化系列實驗，學生感知到吸熱、放熱現(xiàn)象，從而體驗“能量”與“物質(zhì)”不同但又有相關(guān)性的概念。

關(guān)聯(lián)階段，學生能建立抽象術(shù)語與事物多個可觀測特征之間的關(guān)聯(lián)。如除物質(zhì)三態(tài)變化伴隨能量變化外，溶解過程中的能量變化、電磁學中電能和機械能的轉(zhuǎn)化、生物體生命活動如體溫調(diào)節(jié)過程中物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)變等；系統(tǒng)學習物質(zhì)構(gòu)成的層級結(jié)構(gòu)；通過水循環(huán)初步認識物質(zhì)循環(huán)的全球性等。

系統(tǒng)階段，學生能從系統(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。從現(xiàn)象到本質(zhì)、從定性到定量、從個別到一般地深層次理解物質(zhì)的轉(zhuǎn)變、質(zhì)量守恒、物質(zhì)循環(huán)、能量的轉(zhuǎn)化和守恒等核心概念，逐步建構(gòu)“物質(zhì)和能量觀”。

整合階段，學生能統(tǒng)整科學核心概念對跨學科觀念的理解，是進一步內(nèi)化階段。在“物質(zhì)和能量觀”的“流動思想、循環(huán)思想、守恒思想”引領(lǐng)下，設(shè)計或解釋“在生態(tài)系統(tǒng)中如何讓能量更多流向?qū)θ祟愑欣姆较?、為什么永動機是不可能制造的”等一些實際問題。

因此，在科學課標統(tǒng)領(lǐng)下《科學》教材在編排上隱含導向“物質(zhì)和能量觀”建構(gòu)的線索。五個階段學生的學習進階，每個階段都深化理解上一階段學習的同時也為下一階段學習奠定基礎(chǔ)。

三、“物質(zhì)和能量觀”建構(gòu)的策略

1.注重核心概念的深層次理解以建構(gòu)“物質(zhì)和能量觀”

科學觀念的建構(gòu)不可能是空中樓閣，也不可能通過學習知識就能自發(fā)形成，而是需要學生積極主動探索，深層次理解所學知識和核心概念，在對知識深刻理解和遷移應用中不斷概括、反思、提煉而建構(gòu)形成?？茖W觀念、核心概念和科學事實之間的關(guān)系可以用圖1表示。自下而上看，科學觀念是若干科學事實在學生頭腦中的提煉和升華，科學課程中核心概念及其所涵蓋的具體知識充實、發(fā)展著科學觀念的內(nèi)涵；自上而下看，科學觀念對科學事實又具有引領(lǐng)作用，它賦予科學概念、科學事實能動性和靈活性，讓科學知識和科學概念有效遷移和應用。所以，需要對科學事實、科學概念深層次理解和學習以建構(gòu)科學觀念，而觀念的建構(gòu)又能反過來引領(lǐng)科學概念和科學知識深層次理解和應用。

圖1 科學觀念、核心概念和科學事實之間的關(guān)系

如對“呼吸作用”的學習中，不能僅停留在事實性知識層面。生物體在氧氣參與下將體內(nèi)復雜的有機物分解為二氧化碳和水等簡單無機物，是化學變化、物質(zhì)轉(zhuǎn)變；同時將有機物中化學能轉(zhuǎn)化為生物體生命活動所需能量或轉(zhuǎn)化為熱能釋放，是能量轉(zhuǎn)化；還有，基于“物質(zhì)轉(zhuǎn)變和能量轉(zhuǎn)化”關(guān)聯(lián)一些重要概念，如“化學變化同時伴隨能量變化”。如“生命是物質(zhì)的”，因為生命活動中的化學變化與非生命活動的化學變化實質(zhì)是一致的，呼吸作用其實質(zhì)是氧化反應，物質(zhì)在體內(nèi)的氧化反應與物質(zhì)在體外的鐵生銹、木炭燃燒等都可納入氧化反應都要放熱這一普遍規(guī)律中。如“物質(zhì)是循環(huán)的”，有機物來自光合作用將自然界中二氧化碳和水合成有機物，呼吸作用又將這些有機物分解為二氧化碳和水還回自然界，是碳循環(huán)、氧循環(huán)的部分環(huán)節(jié)。如“能量是轉(zhuǎn)化和流動的”，呼吸作用釋放的能量一部分以熱能形式散失，另一部分用于機體生命活動或機體的跑步、彈跳、勞作等機械運動或其他能量消耗。上述是對重要概念的深層次理解，形成知識的互相關(guān)聯(lián)和引申出新的認知和探索，不斷充實和發(fā)展“物質(zhì)和能量觀”這一跨學科觀念的內(nèi)涵，有利于學生建構(gòu)觀念。

2.注重事物和現(xiàn)象內(nèi)在科學統(tǒng)一性以內(nèi)化“物質(zhì)和能量觀”

愛因斯坦(1954)指出：“科學的目的，一方面是盡可能完整地理解所有感性經(jīng)驗之間的聯(lián)系，另一方面是通過最少個數(shù)的基本概念和基本關(guān)系的使用來達到理解的目的。[4]科學的目的就是要找到紛繁復雜的大千世界里的各種事物和現(xiàn)象間的聯(lián)系、規(guī)律，再建構(gòu)科學理論，最終回答一些大問題，形成科學的核心觀念。“物質(zhì)和能量觀”是跨學科觀念，有物理、化學、生物和工程等學科概念，也有反映各學科之間有意義的聯(lián)系、能給學生提供一個將各學科關(guān)聯(lián)起來的組織架構(gòu)，因此科學教育中有意識引導學生關(guān)注事實背后的科學內(nèi)在統(tǒng)一性，讓學生建立起理解世界的一致性的科學視角以內(nèi)化“物質(zhì)和能量觀”顯得非常重要。

借助科學史認識科學本質(zhì)及理解事物和現(xiàn)象內(nèi)在的科學統(tǒng)一性是內(nèi)化“物質(zhì)和能量觀”的有效途徑之一。如“電壓”概念對8年級學生來說抽象難理解，可以從“物質(zhì)和能量觀”建構(gòu)視角，并借助相關(guān)科學史資料、動手實踐活動、生活生產(chǎn)實際應用等設(shè)計教學。學生從觀看科學史視頻——“‘一條蛙腿’引發(fā)的電生理學起源和電池發(fā)明”認識了科學家研究“電”所經(jīng)歷的動物電、金屬電、化學電直到認識伏打電堆，實際上是逐步接近產(chǎn)生“電”的科學實質(zhì)——物質(zhì)化學變化過程中釋放出來的能量。接著再用檸檬、橙子等做水果電池實現(xiàn)二極管、音樂賀卡正常工作，憑借物理學的電壓、電流使物質(zhì)化學反應外顯出來。該項實踐活動重復科學家發(fā)明電池的關(guān)鍵步驟，感受電能與聲能、光能等其他形式能的轉(zhuǎn)化，體悟物理、化學、生物等多學科的融會貫通，更深層次地理解物質(zhì)和能量觀作為跨學科觀念的內(nèi)涵。最后，通過認識干電池、蓄電池、家庭照明電壓、三峽發(fā)電站發(fā)電電壓等實例，進一步拓展認識各種不同的電源中電能的產(chǎn)生及其輸出反映了不同的物質(zhì)轉(zhuǎn)變和能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。這樣通過實際生活生產(chǎn)中能量的流動、轉(zhuǎn)化和守恒，賦予了“電壓”這個抽象概念以具體、生動、真實的意義，而且在深層次理解概念的基礎(chǔ)上內(nèi)化“物質(zhì)和能量觀”，教學設(shè)計如圖2所示。

圖2 “物質(zhì)和能量觀”建構(gòu)視角設(shè)計“電壓”教學

3.注重學生知識結(jié)構(gòu)化過程以發(fā)展“物質(zhì)和能量觀”

美國國家研究理事會將學習進階定義為：“學生在一段較長的時間跨度內(nèi)學習或研究某個主題時，其思維方式由新手向?qū)＜肄D(zhuǎn)變的、連續(xù)的、有層級的發(fā)展路徑的描述?！标P(guān)于新手與專家的研究方面，專家的知識往往是結(jié)構(gòu)化的，知識間存在豐富的聯(lián)系，并具有層次性。[5]科學觀念建構(gòu)建基于核心概念的認知深化，而概念認知深化還要基于學習進階系統(tǒng)設(shè)計知識間的銜接以不斷促進學生知識結(jié)構(gòu)化，發(fā)展學生認知邏輯，從新手向?qū)＜肄D(zhuǎn)變，這樣能更有利于科學觀念的形成和發(fā)展。

例如，初中科學中“生態(tài)系統(tǒng)”內(nèi)容的學習是形成和發(fā)展“物質(zhì)和能量觀”的重要載體。依據(jù)課標和教材，基于物質(zhì)和能量觀視角設(shè)計知識間的銜接及其內(nèi)在邏輯關(guān)系，促進知識結(jié)構(gòu)化(如圖3所示)，以促進“物質(zhì)和能量觀”科學觀念發(fā)展。

圖3 “生態(tài)系統(tǒng)”知識內(nèi)在邏輯關(guān)系

在教學過程中注重觀念引領(lǐng)下的教學設(shè)計，“生物與環(huán)境相適應”模塊突出物質(zhì)和能量觀的基礎(chǔ)，即使學生具備物質(zhì)和能量影響生物生存，生物為獲取物質(zhì)和能量而存在競爭、捕食、互助、共生等關(guān)系的意識和觀念；在“種群和群落”模塊中，學生要進一步理解種群不是簡單的生物群體，而是與環(huán)境物質(zhì)和能量發(fā)生相互作用的生物群體，因此菜市場內(nèi)的所有鯽魚就不能稱為一個種群等；“食物鏈和食物網(wǎng)”模塊更加深刻地體現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與其物質(zhì)循環(huán)、能量流動功能的支持和維系關(guān)系，以及與生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的維持與反饋關(guān)系。這樣的設(shè)計可以促進學生的知識結(jié)構(gòu)化，讓物質(zhì)和能量觀在學生頭腦中不斷發(fā)展完善。

從學習進階的進階變量和內(nèi)容看，包括知識進階和能力進階，不僅是學生所學知識從碎片化到結(jié)構(gòu)化的進程設(shè)計，也是伴隨知識學習的能力發(fā)展進程設(shè)計[6]，因此，需要同時注重伴隨知識學習的思維能力發(fā)展設(shè)計。例如，基于培養(yǎng)學生觀察與記錄、科學解釋、科學推理等科學探究技能與科學關(guān)鍵能力的發(fā)展，設(shè)計“制作一個生態(tài)瓶并探究生態(tài)瓶維持平衡的條件”的驅(qū)動性任務(wù)。學生需要從物質(zhì)和能量角度思考：密封的生態(tài)瓶中除陽光、熱能外其余物質(zhì)都無法進入，瓶內(nèi)動植物如何獲得所需物質(zhì)？生態(tài)瓶內(nèi)動物、植物等個體數(shù)量該如何合理配置？如果柳條魚因生長而質(zhì)量增加，那么整個生態(tài)球的質(zhì)量是否變化？再如，基于培養(yǎng)學生識別與概括、分析、評價等能力的發(fā)展，設(shè)計一份科普寫作任務(wù)，要求：結(jié)合物質(zhì)和能量觀分析闡述“生物圈2號實驗”中大氣和海水酸化、氧氣濃度降低、水循環(huán)失調(diào)、物種大量死亡等(選擇一個角度)發(fā)生的原因及變化趨勢，設(shè)想解決問題的可能方法及說明該方法的理論推理過程。

“物質(zhì)和能量觀”反映物質(zhì)和能量的循環(huán)、流動和守恒，學生在自己制作的生態(tài)瓶或生物圈2號等真實實驗的實際問題中，將他們對所學知識的反思感悟應用于實踐，將蘊含于具體知識、概念中的思想、觀點和方法等抽象概括出來應用于實踐，則能強化學生對所學科學知識、思維方法的應用，及在應用過程中完善知識結(jié)構(gòu)化及能力提升，同時在問題解決中發(fā)展和完善科學觀念。

四、“物質(zhì)和能量觀”建構(gòu)的意義

“物質(zhì)和能量觀”對應的是“當事物發(fā)生變化或被改變時，會發(fā)生能量的轉(zhuǎn)化，但是在宇宙中能量的總量總是不變的”這一科學大概念。[7]周光召先生在《科學教育的原則和大概念》中文版序中強調(diào)：科學教育不應該傳授給孩子們支離破碎、脫離生活的抽象理論和事實，而是應當慎重選擇一些重要的科學觀念，用恰當、生動的教育方法，幫助孩子們建立一個完整的對世界的理解，初步形成科學態(tài)度，掌握科學方法，了解科學精神，構(gòu)建一個人健康協(xié)調(diào)發(fā)展的基礎(chǔ)。[7]而教師若能以科學大概念、科學觀念為引領(lǐng)設(shè)計教學，必然導向注重學科交叉融合、學習進階、真實問題情境中問題解決等遷移應用，從而有效促動教師教的方式變革，進而帶動學生學的方式的變革，才有可能讓學為中心的課堂真正發(fā)生。

筆者認為，以物質(zhì)和能量觀建構(gòu)導向下的教學設(shè)計思想符合周光召先生的倡導，吻合新教育時代下培養(yǎng)發(fā)展學生核心素養(yǎng)的理念。不管是“呼吸作用”“電壓”“生態(tài)系統(tǒng)”或是其他領(lǐng)域內(nèi)容的學習，都不局限于固化的知識點，而是借助這些載體，對物質(zhì)轉(zhuǎn)變、能量轉(zhuǎn)化、流動和守恒進行分析、解釋，從而逐步讓學生認識到他們所學的科學知識、進行的科學活動與他們周圍的世界是有聯(lián)系的，可以幫助他們理解周圍的事物，從而使學生成為一名能有依據(jù)地進行決策的公民。這應該是當今教師為核心素養(yǎng)下育人目標的達成而必須具備的教學設(shè)計或?qū)嵤┑哪芰Α?/p>

浙教版初中《科學》教材定位于綜合理科課程，有著將跨學科觀念融入科學教育的優(yōu)勢。圍繞跨學科觀念和核心概念組織教學內(nèi)容，建構(gòu)統(tǒng)一的概念體系，設(shè)計合理的學習進階，加強各學科知識間的聯(lián)系，實現(xiàn)科學本質(zhì)的內(nèi)在統(tǒng)一和助力學生科學素養(yǎng)的連貫發(fā)展，這將成為當今教師不懈追求和努力的方向。