郭玉英-围绕大概念学习进阶促进学生发展

北京师范大学物理系郭玉英[e-mail]原文出自《Science》杂志的主编，Alberts博士写的一篇有关小学科学教育的文章，转引自韦钰院士的博客案例1美国科学家费曼的经历诺贝尔物理学奖获得者美国科学家费曼（Feynman，1918－1988）在回忆他父亲对他的培养时，曾经说到这样一个故事：有一次一个孩子问我：看见那只鸟了吗？你知道它是什么鸟吗？我回答：我一点都不知道。他说：那是一只褐色的、会发喉音的画眉，你父亲什么也没教你吗？费曼说：完全不是这样，父亲教了我很多。注意：费曼的父亲教了他什么？是如何教他的？父亲说：看那只鸟！它的名字叫斯宾赛鸣鸟（我知道父亲其实并不知道这只鸟的正确名字）。父亲又说：在意大利它叫XXX；在中国它叫XXX；在日本它叫XXX；你可以知道用世界上不同的语言如何称呼这种鸟。但是，学完了这些，你实际上根本不了解这种鸟，你只知道世界上居住在不同地方的人对这种鸟有不同的称呼。所以，让我们来仔细观察这只鸟，看看它在做什么？（观察事物）那是我们应该考虑的。（我很小就知道，知道某个物体的名字和知道某个物体之间的差别）父亲说：比如说，看吧，这只鸟不停地在啄它的羽毛，它是不是一边走，一边在啄它的羽毛？（观察什么？怎样观察？）费曼：是！父亲：鸟为什么要啄它们的羽毛？（提出问题）费曼：可能是它们飞行时把羽毛弄乱了，它们啄羽毛，以便把它们的羽毛理顺。（做出假设）父亲又说：好吧，如果是这样，那么它们只需要在飞过以后啄一会儿，当它们落地一段时间以后，就不应该再啄它们的羽毛了。（根据假设进行推理）你知道我问你这个问题的目的吗？（引导深层次思维）父亲说：让我们仔细观察一下，它们是在刚刚落下时啄得最多吗？实际上要看清楚这一点，并不困难，比较一下那些刚刚落下的鸟和已经在地上走来走去的鸟，它们在啄羽毛上看不出差别。（通过观察检验假设）我说：我放弃我的想法，那些鸟啄它们的羽毛，并不是为了整理羽毛。（得出结论）父亲说：因为有虱子在咬它，虱子在吃羽毛上沾着的蛋白的屑屑。虱子的腿上常常有一些柔软的物质，更小的生物会吃它，这些小生物不能完全消化这些物质，就会排泄一些和糖类似的物质，细菌就会在其中生长。（做出解释）最后，父亲说：你要知道，哪里有食物存在，就一定会存在以它为食物而生存的，有生命的生物。（核心概念）费曼说，我现在知道，在那些鸟的脚上，可能存在的并不一定是虱子，在虱子的腿上也不一定有更小的生物，父亲告诉我的，也许在细节上并不准确，但是他却教给我根本上正确的东西。美国科学院Alberts院长引证了这段故事以后写道，我们每个人不可能都有像费曼那样的父亲，培养我们孩子的责任，就应该落在学校的身上。费曼的父亲要他观察的内容，围绕着建立一个核心概念—哪里有食物存在，就一定会存在以它作为食物的，有生命的生物。有些科学教科书上要求学生观察的内容常常没有明确的目的，似乎越细越好。要观察植物，大多是估计树有多高、多粗、什么形状；观察叶子的颜色、形状、大小等。要观察纸，就要求学生比较纸的厚薄、颜色、吸水性，再拉一拉，看结实不结实。各人看各人的，越细越好，看完了，各人有各人的标准和感受。天底下不同种类的树和树叶多的是；纸也各式各样、千奇百怪，我们课堂上能看到的只是“沧海一粟”。这样的观察结束以后，学生记住了有不同的叶子，有不同的纸，还有什么？案例启示：学科教学要促进学生核心概念和能力的共同发展。科学教育不应该传授给孩子支离破碎、脱离生活的抽象理论和事实，而是应当慎重选择一些重要的科学观念，用恰当、生动的方法，帮助孩子们建立一个完整的对世界的理解。---周光召大概念与学习进阶中学物理教材中的大概念进阶分析中学生概念发展现状和问题基于概念学习进阶的教学设计沸腾汽化物态变化物质的形态及变化物质沸点2005年，美国科学促进会(AAAS)提出大概念是“能将众多的科学知识联为一致整体的科学学习的核心”。大概念包括共通概念和学科核心概念：共通概念侧重于跨学科内容的组织，而核心概念多用来整合某一学科内的知识。共通概念是涉及科学、数学和技术等各个领域的最基本的概念，这些概念超越了学科界限，反映出不同学科的内在统一性，并且相对稳定，对于各种文化观念都普遍适用。美国大学理事会认为，共通概念“不仅对科学学习意义深远，而且还影响着数学、技术和工程等的学习”，有助于学生建立对所有学科的整体认识。美国新《框架》中提出了7个共通概念，分别是“模式”“因果关系：机制与解释”“尺度、比例和数量”“系统和系统模型”“能量与物质”“结构与功能”“变化、连续性和稳定”。我国《初中科学课程标准》在课程目标中提出“逐步加深对下列自然科学中统一的概念与原理的理解：物质、运动与相互作用，能量，信息，系统、结构与功能，演化，平衡，守恒。”学科核心概念是组织整合某个学科自身内容的少数关键概念，如美国新《框架》确定了13个核心概念：物质科学4个，生命科学4个，地球与空间科学3个，工程、技术和科学的应用2个。学科核心概念由若干重要概念构成，其中包括重要概念、原理、理论等的基本理解和解释，这些内容能够展现当代学科图景，是学科结构的主干部分。物质的结构和特性：物质的宏观状态和特征性质取决于物质的类型、组合和以分子、原子为单位的粒子的运动。相互作用、稳定性和变化：由相互作用产生的力构成一切物质结构和转变的基础，这些力的平衡或不平衡性决定了稳定性和系统内部的变化。能量及其转变：系统内部和系统之间的能量转换永远不会改变能的总量，但能量往往会耗散；系统所得的能量决定了任何过程会发生什么。波作为能量和信息携带者：我们对波的性能的理解再加上适当的仪器，让我们能利用波，特别是将电磁波化为声波，来对自然进行各种规模的、远远超过我们直接感知的探测。一级主题二级主题1.物质1.1物质的形态和变化1.2物质的属性1.3物质的结构与物体的尺度1.4新材料及其应用2.运动和相互作用2.1多种多样的运动形式2.2机械运动和力2.3声和光2.4电和磁3.能量3.1能量、能量的转化和转移3.2机械能3.3内能3.4电磁能3.5能量守恒3.6能源与可持续发展大概念是将众多的科学知识联为一致整体的科学学习的核心，能作为理解或探究更复杂概念的关键工具，与生活实际和重大社会议题相关，在整个学习过程中都具有可教性与可学性。对于促进学生科学素养的发展具有重要价值。基本概念规律大概念美国新框架学习进阶图示（2012）美国新框架中共通概念、学科核心概念、实践的关系及发展图示（2012）什么是学习进阶？为什么要研究学习进阶？学习进阶是国外科学教育研究领域在数十年来的概念研究成果基础上提出来的学习进阶的起点是学生的前认知，终点是期望达到的教学目标，描述从起点到终点的中间发展阶段关于学习进阶的研究是科学课程设计和教学设计的重要依据美国国家研究理事会（NRC）对学习进阶给出的定义如下：“学习进阶是对学生连贯且逐渐深入的思维方式的描述。在较大时间跨度内（如6~8年），学生学习和研究某一主题时，这些思维方式依次进阶。”美国《新一代科学教育标准》物质科学修订组的组长科瑞柴克（Krajcik）指出学习进阶有四项必备要素：（1）大概念及对大概念的析解；（2）界定清晰的各进阶层级；（3）检验学生所处水平的测评工具；（4）促进学生发展的教学干预手段。水平5：基于“系统”，利用能量守恒和转化（移）具有方向性认知能量水平4：基于“系统”，利用机械能守恒定律认知能量水平3A：基于功和能的关系，利用“机械推理”认知能量水平3B：基于力以及力和运动的关系，利用“机械推理”认知能量水平2：基于日常经验中的“原理”，利用“简单因果推理”认知能量用“因果推理”认知能量用“系统”概念认知能量能量为判据能量为因果推理方式描述学生思考“能量”问题时所倾向使用的思维模式（和思维角度）；原理除包含具体的知识外，更强调对“能量”概念的功能的上位认识。框架包含5个认知水平，但均可归入变量的两个层次。这样的划分方式能够清晰地显示出学生认知发展所需克服的障碍以及难度如何，有助于指导后续的教学研究。“能量”是我们在物理学习和生活中都经常使用的一个词，你对“能量”有怎么样的认识呢？请用一两句话写出你所认为的“能量”是什么。评分标准（水平划分依据）水平2：1）无法区分能量与力，将能量当作物体运动的原因；2）不能区分能量与物质；3）将能源和能量相混淆，如污染、不可再生等。水平3B：用“力”来解释能量，认为能量是力的作用效果的体现。水平3A：认为能量是物体做功的量度；因为有了能量，物体才会具有各种形式的运动。水平4：能量不会消失，只会相互转化，可以用机械能守恒定律来判断系统内物体的运动能否发生。水平5：系统内的能量有流入和流出的变化，但能量的总量是守恒的；能量的转化具有方向性；能量的守恒定律和转化的方向性规律能够作为判别事件能否发生的依据ABCD76.82%48.48%23.11%20.45%83.83%34.10%32.95%26.05%92.85%25.62%40.21%28.11%101.17%13.62%70.43%10.89%113.52%11.01%69.60%11.01%初中约有20%的学生将能量看作物体做功所产生的结果，利用“机械推理”的方式来解释能量的各种问题（水平3A）；几乎没有学生基于“系统”来认知能量（水平4及以上）。而课标和教材要求学生需要认识到能量守恒的存在，能够有意识地用能量守恒的观点来分析和解决问题（水平4），测试结果显示初中阶段的教学尚未达成这些目标。学生在推理方式和能量原理方面的理解缺失直接影响了对能量的认知表现。教学中存在的问题：忽视“系统”概念的重要作用，不重视引导学生从目的和功能等更上位的层面理解能量的概念。如为什么要学习能量？能量及能量原理（与力和牛顿定律相比）是用来回答哪些问题的？•概念进阶：对某一核心概念的连续且有层级的发展路径的描述。（1）同一阶段不同概念间的进阶（2）不同阶段相同概念的进阶分为两种类型：概念进阶是进一步展开学习进阶研究的基础。“力和运动”核心概念进阶图（初步）---以北师大京版教材为例运动概念的发展：机械运动热运动电磁运动•第1章介绍了机械运动的多种形式，如直线运动、曲线运动、匀速直线运动、变速直线运动、振动、波动等，使学生初步建立运动的概念•第7章研究分子的热运动•从第8章光现象开始讨论电磁运动运动概念的发展：机械运动热运动电磁运动研究对象的变化：宏观物体大量分子的集合体电磁场模型的变化：质点或刚体模型微观结构模型光线模型电路模型场模型•相互作用概念的发展：•直接相互作用场相互作用•第3章运动和力首先讨论物体间的相互作用——力，将机械运动和力联系起来，引入了运动和相互作用的概念•第4章压强与浮力是对力的深入认识•第5章简单机械是力的应用和进一步发展•第9章引入电荷的相互作用——场•第12章引入磁场，讨论电磁相互作用•实物物质宏观微观场•第2章讨论物体和物质的属性——质量和密度，联系学生的生活经验，初步建立物质的概念•第4章压强与浮力和物质的性质有关，是对密度概念的深化•第7章在认识物质热性质的基础上，建立物质结构的微观模型，从微观角度拓展对物质属性和结构的认识•第8章研究光的性质•第9章研究物质的电性质•第12章研究磁场的性质机械能内能光能电磁能原子能第6章通过章首图引入了能的概念，深入讨论了机械功、功的原理和机械能，为能的转化和守恒做好铺垫第7章既是对物质属性和结构的深入认识，又引入了内能，是运动(分子热运动)和能量概念的进一步发展第9章从能的角度认识电路第11章集中讨论电能的利用第12章讨论电磁能与机械能的相互转化系统概念的要素：边界相互作用的部分新出现的特性复杂性机械系统热力学系统电路系统宇观系统和微观系统第5章简单机械蕴含了机械系统的概念第6章引入了机械能的概念，讨论了机械系统内的能量转化第7章研究热力学系统，将物质的微观结构模型与系统的宏观状态联系起来第9章简单电路是一个系统，电路中任何一个元件的变化都会