單元設計中知識結構化的方向與方法
——以初中物理“壓強與浮力”單元為例

駱 波

(江蘇省錫山高級中學實驗學校，江蘇 無錫 214177)

當零散的“知識”按照一定的邏輯整合成結構化的“觀念”時,學生就初步具備了應用知識分析問題、解決問題的“能力”．當“能力”能夠靈活地遷移到新的情境時,學生就會具備較敏感的問題意識并收獲意義感,“素養”便得以形成．可見,“能力”是從知識到素養的橋梁,如果說知識是微觀的、素養是宏觀的,那么“能力”則是中觀的．結構化的知識是培育能力的基礎,因為只有結構化的知識才是可遷移的,這正是當下大力倡導“單元設計”的緣由．

根據劃分的依據不同,單元大致分為兩類:以大項目(任務)來統率的單元和以大概念(或觀念)來統率的單元．就科學教育,特別是分科設置的物理課程而言,更適于以大概念統率單元,以學科核心概念的學習進階為設計主線,在真實情境與任務中積累學科活動經驗,發展學科核心素養．大概念理念為單元設計中的知識結構化指明了方向,但如何實現知識結構化仍有待探討．本文以“壓強與浮力”單元為例,簡要歸納知識結構化過程中需要關注的三類結構,以期為知識的聯結提供路徑參考．

1 解讀課程體系結構:確立知識的課程坐標,把握單元的上聯下拓

圖1 知識的課程坐標

“核心素養—課程標準—單元設計—學習評價”是教學活動的基本鏈環．[1]在此鏈環中,單元設計是課程實施的中觀環節,上聯課程,下拓課時．如圖1所示,教師在解讀知識內容時,首先要有精準的課程定位,明確本節學習內容所屬的主題或單元,要思考單元在課程中的定位及單元間的關聯;接著要分析學生的學段特征和已有儲備,充分考慮能力發展的層遞性;最后確立單元所指向的學科核心素養,可能側重某一素養,也可能多項素養均有體現．以“浮力”為例.

表1 案例1——“浮力”的“課程坐標”分析

續表

教師在備課過程中進行內容分析時,可以參照上表所呈現的維度,在科學把握課程特質、學情特征和素養指向的基礎上,制定課時學習目標．如,“浮力”課時學習目標:

① 通過實驗,體驗浮力的存在,會使用彈簧測力計測量物體所受浮力的大小,會分析浸在液體中的物體的受力情況;

② 經歷探究影響浮力大小的因素的過程,知道阿基米德原理;

③ 了解猜想在科學探究中的意義,體會剔除錯誤猜想、合并有效猜想的研究方法．

盡管一堂課的學習內容與課程間的結構關系有時不那么明顯,但課程意識強的教師通常會圍繞課程目標精心組織螺旋上升的學習材料,在學習過程中滲透課程理念,并逐步達成課程目標．做好單元分析,教師心中才有課程;做實學情分析,教師眼中才有學生;把握素養指向,教學才不偏離航道．

2 分析認知心理層次:從表象到本質,觸及知識的內核

圖2 知識的認知心理層次

認知心理學研究表明,學生的學習是有一個心理層次和過程的．就物理概念學習而言,學生大致經歷如圖2所示的過程:在觀察和體驗的基礎上,提取已有的事實或經驗,并利用物理術語對事實加以界定、分類,再概括出事物的共同本質特征,以建構物理概念,最終在概念理解和應用中領悟相關的物理思想或觀念．關注認知心理的層次,就是關注學習活動的發生機制,從心理結構的角度去探討學習的發生問題,也是在意義建構的視域下去審視知識的結構．

案例2:“壓強”概念教學片段

(1) 表象層.

觀察與作圖:如圖3、4所示,畫出圖中鐵錘對釘子作用力、運動員對平衡木作用力的示意圖．

圖3

圖5

想一想:所畫的力的示意圖有何共同點?(垂直作用于物理表面的力叫作壓力．)

提出問題:如圖5,小明和小華都站在沼澤地上,小明陷得比較深．導致這一差異的原因可能是什么?

(2) 映射層.

體驗:① 如圖6,一只手平壓在氣球上,另一只手的食指頂住氣球,觀察氣球兩側的形變情況．改變壓力的大小,氣球的形變有何不同?② 如圖7將鉛筆的一端削尖,用兩只手的食指分別壓住鉛筆的兩端．兩個手指的感覺有什么不同?改變壓力的大小,多體驗幾次．

圖6

圖8

探究:如圖8,選擇合適的器材,設計實驗,探究影響壓力作用效果的因素．

結論:壓力的作用效果與壓力大小和受力面積有關．

(3) 概念層.

觀察與思考:將數量不等的磚塊壓在海綿上,甲、乙中哪個壓力的作用效果更明顯?甲、丙中哪個壓力的作用效果更明顯?乙、丙壓力不等、受力面積也不等,如何比較壓力的作用效果呢?(實驗顯示海綿形變程度幾乎一樣)沒有海綿能比較嗎?能否有更一般的比較方法?

表2

量化:求壓力與受力面積的比值,這個比值越大,壓力的作用效果就越明顯．

(4) 思想層.

物理學上,常常利用兩個基本物理量的比值來定義新的物理量,如速度、密度等,這為我們提供了利用外界因素來表示其特征的間接方式．在概念的理解中,要弄清概念表達的屬性(實質),切忌將定義式看做純粹的數學符號．

上述教學片段體現了知識意義的豐富過程,由淺表到深刻,呈現出知識本身的內在結構(壓力—壓力的作用效果—壓強)．隨著學習的深入,物理概念的表征形式會越來越抽象,也更深刻地揭示出自然界物質的基本結構、相互作用和運動規律,也更需要還原知識的認知層次和內在結構．教學設計過程中,要把握認知心理層次,引導學生透過表象看到本質,逐步觸及知識的內核,滲透體現學科特質的思維方式、思想方法．

3 規劃概念進階路徑:以概念進階設計活動群,邁向物理大概念

整合與發展是當代基礎教育階段科學課程改革的核心理念,實現科學課程整合首先應圍繞大概念組織知識內容,建構統一的概念體系,在此基礎上設計合理的學習進階,以促進學生科學素養的連貫發展．[2]

在單元教學中,教師會圍繞單元目標提供系列學習材料,這些材料同樣需要進行結構化加工,以形成由簡單到復雜、相互關聯的材料序列．進一步地,要明確各材料所對應的發展層級和具體表現,便于學習過程中教師依據診斷結果及時調整學習材料的內容及呈現方式,并在循序建模中實現概念的進階,逐步邁向大概念．當然,這里所講的大概念具有相對性,比如“浮力”在物理課程中只能算是基礎概念,但在浮力單元學習中可視作大概念．

案例3:“浮力”學習活動群設計

(1) “浮力”概念進階路線分析.

① 浮力的定義→浮力的測量→阿基米德原理

② 壓力→壓強→液體壓強

③ 力、物體的運動→力與運動的關系→物體的浮沉條件

路線①:浮力是一種特殊的彈力,方向是向上的、大小受排開液體的體積和液體的密度影響,進一步定量研究發現浮力滿足阿基米德原理．

路線②:揭示浮力產生的原因,承接本單元壓強學習經驗,浸入液體中的物體不同表面所受液體壓強不等．

路線③:浮力是力學學習中一種常見的力,受力分析是研究力學問題的基本手段,運動與相互作用觀念是力學的核心觀念．

(2) “浮力”概念建構活動設計.

整合路線①、③,設計學習活動群組,如圖9-12所示．

圖9 觀察浮力現象

圖11 探究影響浮力大小的因素

圖12 探究物體的浮沉條件

(3) “浮力”學習評價活動設計.

為了在評價中發展對概念的綜合理解,促進概念的進階,設計以下表現性評價任務:

評價活動1:請利用彈簧測力計、燒杯、小水桶、鋁塊(附懸掛線)、小墊塊和水,設計實驗驗證阿基米德原理．

評價活動2:折一只小紙船,使它漂浮在水面上,然后向其中放入“貨物”(回形針),比一比誰的小紙船裝的“貨物”最大．并思考下列問題:逐漸放入“貨物”,紙船的位置有何變化?若將紙船放入濃鹽水中,能否裝更多“貨物”?“貨物”沉底后,還受到浮力嗎?浮力大小如何變化?

評價活動3:取一根飲料吸管,將一些鐵絲從吸管的下端塞入作為配重,并用石蠟將吸管的下端封起來,制作一個簡易的密度計．并思考下列問題:如何對簡易密度計進行標度?刻度線的分布有什么特點?如何使兩條刻度線之間的距離大一些,以使測量結果更精確?

學習活動是一種認識活動,既包含活動的過程,也包含活動的結果．我們倡導:在物理課堂學習中,設計學習活動群,通過探究活動群建構概念的意義,并逐步圍繞大概念形成系統的物理觀念,通過評價活動群凸顯建模意識,并在實際問題解決中發展對大概念的綜合性理解．“群”強調學習活動之間的內在邏輯,在過程上體現為知識的演進、學習的進階,在結果上表現為建構出更大的概念模型、能解決更綜合的實際問題．

邁向大概念是單元設計中知識結構化的方向．在策略方法層面,要關注到三類結構:課程體系結構、認知心理層次和概念進階路徑．如果把課程比作“體”,具體的教學內容比作“點”——那就是要放眼整個課程確定“點”的坐標,以把握學科的特質;要根據學習活動間的邏輯關系,確定學習進階的路“線”;要基于學生認知的心理機制,為學生的真實學習搭建舞臺(“面”)．在《以大概念理念進行科學教育》一書的序言中,周光召先生寫道:“科學教育不應該傳授給孩子支離破碎、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、生動的方法,幫助孩子們建立一個完整的對世界的理解．”[3]為實現這一愿景,邁向大概念的單元設計在實踐層面還有諸多問題有待廣大同行共同探索．