中學生物理概念理解能力的進階設計
——以浮力概念為例

丁建楠

(咸陽市西咸新區秦漢中學 陜西 咸陽 712000)

1 引言

學生發展核心素養提到的“關鍵能力”是整個基礎教育階段培養工作的關鍵點.能力一詞既是當代教育研究術語同時也出現在心理學上.目前得到廣泛認可的能力的概念則是德國著名心理學家弗朗茨·維納特給出的:“個體自身具備的或通過學習掌握的、可用以成功且負責任的解決問題的知識、技巧、態度、意志和社交手段.”[1]在我國，教育心理學領域的學者對能力與各學科學習的融合——即學科能力的構建，也在不斷地進行研究，同時也取得了階段性成果.在新一輪的初高中課程改革工作中，很明顯在生物、物理、化學等學科中注重以科學思維為主的學科核心素養的培養.

物理核心素養的培養首先是物理觀念的構建，因此學生要掌握學科核心概念.近年來，學科核心概念成為中外科學教育研究的熱點問題之一.學科核心概念是學生科學認識發展的核心.美國《新一代科學教育框架》中提到，學科核心概念指該學科最高度概括、最具代表性的概念，在不同的學段都具有學習與探究的意義，是該學科的主干部分.通過對這些概念的掌握，學生能夠搭建起該學科的發展體系，領悟該學科的本質.相比于學科中眾多而又散亂存在的事實或技能，掌握學科核心概念能很大程度上減輕學生的認知負擔，幫助學生更深入地探索更重要的觀點和規律，了解更復雜的觀念，建構學科體系，培養學生對科學的整體認識[2].“學習進階”是指學生在某個學段探究某一主題的過程中，所遵循的連貫的、逐漸深入的思維路徑的描述.就像蓋房子一樣，在不同的學段和課程標準的要求下，學生盡全能所能蓋起的房子高度.一旦教師對核心概念的學習進階處理得不好，就會導致學生對核心概念的理解不到位，從而影響整個學科的學習.

2 中學物理概念理解能力的進階

在整個中學物理學習階段，有大量的瑣碎的物理現象和物理事實，導致學生的學習任務繁重而又凌亂.其實物理學是由事實、概念、規律與方法構成的系統化理論體系，本身具有內在統一性.因此學生要學好物理，首先需要教師在物理教學中應該選擇并圍繞“少而精”的學科核心概念進行教學.概念學習的深入是一個進階過程，隨著學科核心概念的學習進階而分階段進行.在這里采用我國學者在層級復雜度和知識整合等認知理論的基礎上提出的科學概念理解發展的層級模型，如表1所示[3].

表1 科學概念理解發展的層級模型

3 浮力概念理解能力的進階設計

以初中物理蘇科版“浮力”概念教學為例，浮力概念在整個初中物理中是比較重要且偏難的知識.在課程標準中對浮力概念有著這樣的要求：通過實驗，認識浮力；探究浮力大小與哪些因素有關；知道阿基米德原理，運用物體的沉浮條件說明生產、生活中的一些現象.基于課程標準的要求，按照層級結構對浮力概念知識進行梳理，利用問題的方式，得到浮力概念理解體系分析如表2所示.

表2 浮力概念理解體系分析表

教師在課前用浮力概念理解體系分析表對學生進行測評，發現大多學生能夠說出氫氣球、輪船等例子是利用了浮力知識，關于什么是浮力？沉在水底的鐵塊受浮力嗎？一部分答不出，也就是說學生對浮力概念的理解只是到“經驗”層級.因此，教師在浮力教學中應著重后面4個層級的概念構建.

由課前測評可知，學生已經知道生活中一些應用浮力的例子，因此便能自行總結出浮力的概念：一切浸在液體或者氣體中的物體都會受到向上的力，稱為浮力.但是部分學生對概念的理解流于表象，對此教師在教學過程通過引入新的情境和問題，拓展原有概念的內涵和外延，促進學生對浮力的理解.教師設計問題：那么在水中下沉的鐵塊受不受浮力？如何利用彈簧測力計進行實驗探究？在設計實驗時如何測量鐵塊所受的浮力大小？通過這3個問題的探究，學生就能全面理解浮力概念.同時在如何測量出鐵塊所受的浮力大小這個問題中，學生要運用到前面所學的受力平衡的知識，因此很自然地將浮力納入到整個“運動與力”體系當中，同時進一步理解“牛頓第一定律”這個核心概念.

在探究“水中下沉的鐵塊受不受浮力？”的過程中，會發現浮力的大小在發生變化，這時教師抓住這個現象，提出問題：鐵塊在下沉過程中的浮力會發生怎樣的變化？這時學生順著剛才的實驗設計思路，探究“浮力的大小與物體浸入液體的深度有關嗎？”在這個探究過程中讓學生理解“物體排開液體的體積V排”與“物體自身的體積V物”的大小關系， 同時明白浮力的大小與物體浸入液體的深度無關，其更準確的表達應該是“浮力的大小與物體排開液體的體積有關”.再接著運用控制變量的方法去探究其他可能的因素對浮力的影響.到此階段，學生對浮力概念的理解到了關聯層級.

至此，我們認識浮力和分析浮力都是從生活和實驗現象來分析的，還沒有認識到浮力產生的本質原因.這時教師可引導學生從壓強的角度去思考：正方體物塊浸在液體或者氣體中，它所受到的壓強如何計算？會導致物體產生什么樣的效果？讓學生從壓強的角度去理解浮力的本質就是物體受到的上下的壓力差產生的效果，將浮力歸納到壓力之中，同時掌握浮力的另外一種計算方法：當物體為規則物體時，其浮力的大小為物體受到的上下壓力差.之后通過實驗來驗證阿基米德原理，從而了解浮力的第三種計算方法原理法：F浮力=ρ液gV排.

在學習物體的沉浮條件時，教師仍以提問的方式來讓學生思考：浸在液體中的物體，可能有幾種運動狀態？對應的受力應該是怎樣的？學生結合“運動與力”的關系從而得到不同的運動狀態下浮力與重力的大小關系，再接著利用密度來表示重力，用阿基米德原理表示浮力，將浮力與重力的關系式展開，從而得到物體在不同的沉浮狀態時物體密度與液體密度的關系.此過程教師均是通過問題引入及公式引導，讓學生推導出物體的沉浮條件，進一步幫助學生從“運動與力”的高層面去認識浮力.

在科學概念理解發展的層級模型的理論指導下，嘗試構建出浮力概念理解發展的層級，并按照此層級的高低發展順序，找出低層級向高層級的進階點，并以此進階點為設計的關鍵，幫助學生順利地完成對浮力概念的發展理解，促進學生概念理解能力的形成.同時在整個進階設計過程中緊緊地圍繞核心概念“牛頓第一定律”，幫助學生將浮力納入到“力與運動”主題中，從而更好地理解力與運動的關系.分析“浮力概念”的“進階”主線可以發現，難度遞進只是學生科學概念發展的一種表象，而復雜度的增進才是科學概念學習進階的核心變量.

4 總結

科學概念理解發展的層級模型從發展心理學和認知科學的相關理論的角度構建出來，教師結合具體的教學內容來拓展和深化學習進階研究中的進階變量的選取與設計工作.也就是說，按照選取和設計的進階變量，描述出在不同發展階段的學生所能完成的任務能力，進一步為課程開發和教學設計提供參考.同時可以根據不同的層級目標，設計出不同等級的習題，為學生的分層作業練習提供有力支持.

真正的科學概念的學習過程是復雜的，學生核心素養中“能力”的培養是多個因素交互作用的結果，常常是在某一主題下有多個關鍵能力的培養，某一關鍵能力的培養則要在許多主題下按難易程度不同反復進行滲透[4].在這種多維度、多方面的融合發展上，現有的概念理解進階研究才剛剛起步，我們按照提出的層級模型嘗試的進階教學設計也只是一個探索性的嘗試，此研究仍需要進一步豐富和發展.