基于科學(xué)教學(xué)元問題的教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“牛頓第一定律”為例

葉德偉 何沂琳

(1.浙江大學(xué)教育學(xué)院，浙江 杭州 310028；2.杭州師范大學(xué)附屬未來科技城學(xué)校，浙江 杭州 311121)

教學(xué)元問題是教學(xué)起始、首要和本質(zhì)的問題，是能夠統(tǒng)領(lǐng)整個(gè)教學(xué)過程的核心、根本問題?？茖W(xué)教學(xué)元問題可視為科學(xué)教學(xué)原點(diǎn)的根本性問題，它規(guī)定與引領(lǐng)著科學(xué)教學(xué)的方向。具體來說，就是站在學(xué)生立場(chǎng)，針對(duì)特定科學(xué)課題，像專家那樣一致性地回答：“為什么學(xué)？從育人的不同角度闡釋清楚學(xué)習(xí)該主題的價(jià)值與意義；學(xué)什么？厘清具體學(xué)習(xí)哪幾個(gè)點(diǎn)、它們之間有什么邏輯關(guān)系等；怎樣學(xué)？突出并顯化科學(xué)思維過程，明晰要發(fā)展的具體能力和品格；何謂學(xué)會(huì)？實(shí)施多元評(píng)價(jià)，如傳統(tǒng)與表現(xiàn)、形成與終結(jié)等相結(jié)合?！盵1]厘清每個(gè)科學(xué)課題的教學(xué)元問題，把握其背后所蘊(yùn)含的育人目標(biāo)、實(shí)現(xiàn)路徑與評(píng)價(jià)方式，對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展具有十分重要的價(jià)值。因此，本文以科學(xué)教學(xué)元問題為主線，對(duì)牛頓第一定律的教學(xué)路徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并為教師依托科學(xué)教學(xué)元問題進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)、促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展提供建議。

一、為什么學(xué)——牛頓第一定律的育人價(jià)值

教育的最終目的是育人，但這并不意味著可以否認(rèn)知識(shí)學(xué)習(xí)的重要價(jià)值。素養(yǎng)不可能憑空形成，學(xué)科知識(shí)是素養(yǎng)形成的重要載體，是學(xué)校教育活動(dòng)得以開展的一個(gè)“阿基米德點(diǎn)”[2]。在學(xué)習(xí)牛頓第一定律前，學(xué)生已初步學(xué)習(xí)了“力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”，在這之后還將繼續(xù)學(xué)習(xí)二力平衡、摩擦力等內(nèi)容，牛頓第一定律起到了承上啟下的作用；此外，牛頓第一定律是牛頓運(yùn)動(dòng)定律的“開篇定律”，既能使學(xué)生理性認(rèn)識(shí)力與運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，也可為后續(xù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

與傳統(tǒng)課堂不同的是，指向?qū)W生核心素養(yǎng)發(fā)展的課堂在重視科學(xué)知識(shí)與技能學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，更注重在知識(shí)學(xué)習(xí)過程中挖掘素養(yǎng)目標(biāo)，充分發(fā)揮科學(xué)學(xué)科的育人價(jià)值。顯然，牛頓第一定律學(xué)習(xí)也蘊(yùn)含著促進(jìn)學(xué)生科學(xué)本質(zhì)理解、科學(xué)精神形成、核心素養(yǎng)發(fā)展的重要育人價(jià)值。牛頓第一定律學(xué)習(xí)過程中蘊(yùn)含的控制變量、實(shí)驗(yàn)+推理、轉(zhuǎn)換等科學(xué)方法，是學(xué)生未來進(jìn)一步進(jìn)行科學(xué)學(xué)習(xí)、解決現(xiàn)實(shí)問題的重要武器；同時(shí)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)牛頓第一定律過程中所蘊(yùn)含的百折不撓、不畏失敗的科學(xué)精神對(duì)學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)研究并非一蹴而就、科學(xué)是不斷探索真理的過程具有十分重要的價(jià)值。

二、學(xué)什么——牛頓第一定律的學(xué)習(xí)目標(biāo)

學(xué)習(xí)目標(biāo)是教學(xué)的靈魂，支配著教學(xué)的全過程，并規(guī)定教與學(xué)的方向。[3]《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》(以下簡(jiǎn)稱“《科學(xué)課標(biāo)》”)提出“科學(xué)課程旨在培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)”的課程總目標(biāo)，并將科學(xué)課程旨在培養(yǎng)的核心素養(yǎng)界定為“科學(xué)觀念”“科學(xué)思維”“探究實(shí)踐”“態(tài)度責(zé)任”四個(gè)方面。[4]科學(xué)課程總目標(biāo)對(duì)某一具體課題的學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)作用，這就要求牛頓第一定律內(nèi)容應(yīng)圍繞核心素養(yǎng)的四個(gè)方面設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)；此外，關(guān)于牛頓第一定律內(nèi)容，《科學(xué)課標(biāo)》提出了“描述牛頓第一定律”[4]的內(nèi)容要求。因此，本文結(jié)合牛頓第一定律的育人價(jià)值，以及《科學(xué)課標(biāo)》對(duì)牛頓第一定律的內(nèi)容要求，從科學(xué)課程旨在培養(yǎng)的核心素養(yǎng)的四個(gè)方面建構(gòu)牛頓第一定律的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

科學(xué)觀念：歸納、總結(jié)伽利略、笛卡兒、牛頓等人的研究結(jié)論，用科學(xué)的語言說出牛頓第一定律的主要內(nèi)容；回顧牛頓第一定律的學(xué)習(xí)過程，提煉牛頓第一定律學(xué)習(xí)的關(guān)鍵步驟，并在真實(shí)情境中運(yùn)用牛頓第一定律，深入理解力與運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系。

科學(xué)思維：依托科學(xué)史的知識(shí)，對(duì)比“力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”的知識(shí)，質(zhì)疑“力是維持物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”的觀點(diǎn)。

探究實(shí)踐：利用控制變量、轉(zhuǎn)換等科學(xué)方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和數(shù)據(jù)記錄表，探究不同阻力對(duì)小車速度變化快慢的影響，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)+推理的科學(xué)方法推導(dǎo)出小車不受任何外力時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況。

態(tài)度責(zé)任：回顧科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)牛頓第一定律的關(guān)鍵步驟，體會(huì)勇于探究的科學(xué)精神。

三、怎么學(xué)——牛頓第一定律的學(xué)習(xí)過程

大量研究表明，真實(shí)的任務(wù)情境和符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律的優(yōu)質(zhì)科學(xué)問題對(duì)學(xué)生科學(xué)概念建構(gòu)和科學(xué)探究能力發(fā)展具有十分重要的價(jià)值。因此本文以指向?qū)W生核心素養(yǎng)發(fā)展的學(xué)習(xí)目標(biāo)為導(dǎo)向，以指向牛頓第一定律概念建構(gòu)的學(xué)習(xí)任務(wù)為載體，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)學(xué)生概念建構(gòu)路徑的問題鏈，厘清學(xué)生建構(gòu)牛頓第一定律的路徑。

學(xué)習(xí)任務(wù)一：收集證據(jù)，反駁“力是維持物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”的觀點(diǎn)(詳見表1)。

表1 學(xué)習(xí)任務(wù)一學(xué)生概念建構(gòu)路徑

設(shè)計(jì)意圖：由科學(xué)史引入，結(jié)合具體生活現(xiàn)象，使學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；接著，要求學(xué)生動(dòng)手進(jìn)行定性實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的證據(jù)反駁亞里士多德的觀點(diǎn)，能夠有效提升學(xué)生的證據(jù)意識(shí)。

學(xué)習(xí)任務(wù)二：設(shè)計(jì)方案，探究“不同阻力對(duì)物體速度變化快慢的影響”(詳見表2)。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生小組合作動(dòng)手動(dòng)腦，經(jīng)歷提出問題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和數(shù)據(jù)記錄、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、得出結(jié)論等科學(xué)探究過程，科學(xué)探究能力能夠有效提升；同時(shí)，教師在引導(dǎo)學(xué)生探究的過程中顯化了控制變量、轉(zhuǎn)換、實(shí)驗(yàn)+推理等科學(xué)方法，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)科學(xué)方法的理解。

表2 學(xué)習(xí)任務(wù)二學(xué)生概念建構(gòu)路徑

學(xué)習(xí)任務(wù)三：歸納總結(jié)，得出牛頓第一定律(詳見表3)。

表3 學(xué)習(xí)任務(wù)三學(xué)生概念建構(gòu)路徑

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)論結(jié)合科學(xué)家們的發(fā)現(xiàn)歸納牛頓第一定律，并對(duì)整個(gè)學(xué)習(xí)過程進(jìn)行回顧反思，不僅有利于學(xué)生體會(huì)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)牛頓第一定律的艱辛，體悟科學(xué)家們勇于探究、百折不撓的科學(xué)精神，更能使學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)不是一成不變的，在新證據(jù)支持下已有結(jié)論可以被修正，是一個(gè)不斷探究的過程。

四、何謂學(xué)會(huì)——牛頓第一定律的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)

學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)既能診斷學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成情況，又能加深學(xué)生對(duì)概念的理解，外化學(xué)生的核心素養(yǎng)。指向?qū)W生核心素養(yǎng)發(fā)展的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)提倡不再拘泥于評(píng)價(jià)學(xué)生的知識(shí)記憶情況，更注重評(píng)價(jià)學(xué)生能否運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問題。表現(xiàn)性評(píng)價(jià)要求學(xué)生利用已學(xué)知識(shí)表現(xiàn)出某種特定技能，既反映學(xué)生的知識(shí)學(xué)習(xí)情況，又反映學(xué)生能否在真實(shí)情境中使用知識(shí)，是外化學(xué)生素養(yǎng)、科學(xué)檢測(cè)學(xué)生是否達(dá)成既定目標(biāo)的重要工具。因此，本文設(shè)計(jì)了與學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)習(xí)路徑相匹配的牛頓第一定律表現(xiàn)性任務(wù)及其評(píng)價(jià)量規(guī)。具體如表4～6所示。

表4 任務(wù)一表現(xiàn)性評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)意圖：經(jīng)歷牛頓第一定律學(xué)習(xí)后，學(xué)生往往會(huì)認(rèn)為亞里士多德提出力是維持物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因的觀點(diǎn)是非?；闹嚨摹Ｒ虼?，在評(píng)價(jià)任務(wù)中讓學(xué)生了解亞里士多德提出該觀點(diǎn)時(shí)所處的時(shí)代背景及其他貢獻(xiàn)，既能體會(huì)其在兩千多年前進(jìn)行科學(xué)研究的不易、提出這樣的觀點(diǎn)對(duì)科學(xué)發(fā)展的重要價(jià)值，感受到科學(xué)的發(fā)展是一個(gè)曲折的、不斷探究的過程，又能通過所學(xué)知識(shí)反駁亞里士多德當(dāng)時(shí)提出該觀點(diǎn)的依據(jù)，進(jìn)一步反駁力是維持物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因的觀點(diǎn)。

表5 任務(wù)二表現(xiàn)性評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)意圖：教學(xué)過程中的斜面實(shí)驗(yàn)實(shí)際上與伽利略當(dāng)時(shí)所做的“理想斜面實(shí)驗(yàn)”有所不同，因此，讓學(xué)生查閱資料，理解并模擬伽利略“理想斜面實(shí)驗(yàn)”，并根據(jù)教學(xué)過程中斜面實(shí)驗(yàn)的原理遷移說出伽利略“理想斜面實(shí)驗(yàn)”的原理、步驟，從而評(píng)價(jià)學(xué)生是否真正理解教學(xué)過程中的斜面實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，書寫探究報(bào)告也是科學(xué)探究能力的重要組成部分，要求學(xué)生以探究報(bào)告的形式撰寫伽利略“理想斜面實(shí)驗(yàn)”的探究報(bào)告，能夠?qū)W(xué)生表達(dá)科學(xué)探究過程和結(jié)果能力作出有效評(píng)價(jià)。

表6 任務(wù)三表現(xiàn)性評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生能否運(yùn)用科學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題，是評(píng)價(jià)其獲得的是“惰性知識(shí)”還是“有活力的知識(shí)”的黃金標(biāo)準(zhǔn)。因此，通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，讓學(xué)生挖掘情境中的有效信息，將真實(shí)情境轉(zhuǎn)化為科學(xué)情境，從而運(yùn)用牛頓第一定律知識(shí)解決問題，這既有效評(píng)價(jià)了學(xué)生對(duì)牛頓第一定律的理解，也評(píng)價(jià)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的能力。

五、建議

基于以上設(shè)計(jì)過程以及科學(xué)教學(xué)元問題相關(guān)理論，本文為教師開展指向?qū)W生核心素養(yǎng)發(fā)展的科學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)提供三條建議。

1.制訂素養(yǎng)學(xué)習(xí)目標(biāo)，把握科學(xué)學(xué)科育人價(jià)值

課堂是核心素養(yǎng)落實(shí)到課程中最為微觀的層面，是核心素養(yǎng)落地的主戰(zhàn)場(chǎng)，因此，每堂課的學(xué)習(xí)目標(biāo)都應(yīng)指向?qū)W生核心素養(yǎng)的發(fā)展。具體看，指向?qū)W生核心素養(yǎng)發(fā)展的學(xué)習(xí)目標(biāo)應(yīng)具有以下四點(diǎn)特征：“有知識(shí)、展能力、化品格、顯素養(yǎng)”[5]。

為使學(xué)習(xí)目標(biāo)指向核心素養(yǎng)，學(xué)習(xí)目標(biāo)的設(shè)計(jì)應(yīng)在分析課標(biāo)要求、學(xué)生學(xué)情、可用資源的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析“該主題對(duì)學(xué)生未來社會(huì)生活有何價(jià)值？該主題蘊(yùn)含著何種學(xué)科觀念？該主題蘊(yùn)含的學(xué)科知識(shí)、學(xué)科觀念能與哪些關(guān)鍵能力和必備品格產(chǎn)生聯(lián)系？該主題所承載的關(guān)鍵能力和必備品格需要依托怎樣的真實(shí)學(xué)習(xí)情境？如何設(shè)計(jì)學(xué)生在真實(shí)學(xué)習(xí)情境中的表現(xiàn)路徑？如何評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)？”等問題，以此設(shè)計(jì)出指向?qū)W生核心素養(yǎng)發(fā)展的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

2.滲透科學(xué)方法教育，培養(yǎng)科學(xué)探究關(guān)鍵能力

“授人以魚，不如授人以漁。”與科學(xué)知識(shí)相比，科學(xué)方法具有更大的穩(wěn)定性和更普遍的適用性。[6]若在教學(xué)過程中滲透科學(xué)方法教育，使學(xué)生建構(gòu)起獲得、運(yùn)用科學(xué)知識(shí)的路徑，那么當(dāng)學(xué)生面對(duì)一系列遷移性較強(qiáng)的真實(shí)情境時(shí)，也能輕松解決問題。

在科學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)挖掘課程標(biāo)準(zhǔn)、教科書中直接呈現(xiàn)的或隱含的科學(xué)方法教育要求，結(jié)合具體的教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)確定所要教授的科學(xué)方法目標(biāo)層次，并選用與教學(xué)內(nèi)容相匹配的、符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展水平的教學(xué)策略與學(xué)習(xí)資源推進(jìn)科學(xué)方法教育，帶領(lǐng)學(xué)生像科學(xué)家一樣“發(fā)現(xiàn)”科學(xué)知識(shí)，逐步形成合理運(yùn)用科學(xué)方法解決問題的意識(shí)和行為。

3.設(shè)計(jì)多元評(píng)價(jià)方式，助推素養(yǎng)目標(biāo)真實(shí)落地

與傳統(tǒng)學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)不同，指向?qū)W生核心素養(yǎng)發(fā)展的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)更關(guān)注學(xué)生能否在現(xiàn)實(shí)生活中運(yùn)用知識(shí)解決問題。但某些真實(shí)問題情境是無法在標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試中再現(xiàn)的，這就需要運(yùn)用更加真實(shí)的、能夠體現(xiàn)學(xué)生所學(xué)所用的評(píng)價(jià)方式(例如替代性評(píng)價(jià)、表現(xiàn)性評(píng)價(jià)等)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)過程中制作“產(chǎn)品”以展示其所學(xué)所用。

教師應(yīng)設(shè)計(jì)與生活情境相近、體現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)要求的評(píng)價(jià)任務(wù)及評(píng)價(jià)量規(guī)，并在完成評(píng)價(jià)任務(wù)前將評(píng)價(jià)量規(guī)教給學(xué)生，使學(xué)生明確最高層次的任務(wù)表現(xiàn)和結(jié)果，持續(xù)不斷地改進(jìn)自己的“產(chǎn)品”。此外，“產(chǎn)品”的形式是多種多樣的，可以是物化產(chǎn)品(如模型、電路等)，也可以是書面產(chǎn)品(如論文、設(shè)計(jì)方案、研究報(bào)告等)，但不管形式如何都必須體現(xiàn)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)內(nèi)容以及評(píng)價(jià)任務(wù)的理解。