基于“四線五階”課堂模式構建科學概念的教學

摘要：科學大概念背景下的教學，對大概念進行分層解析，獲得學科核心概念、主題核心概念、重要概念、基礎概念等。如在“質量守恒”這個重要概念基礎上組織“四線五階”課堂模式教學，以情境、問題、活動和目標這四條立柱式主線為建構概念的抓手，并從“質量守恒”中剝離出“反應物和生成物的質量”這個進階變量，從“呈現事實，感知模型”“分析推理，假設模型”“實驗論證，驗證模型”“分析評估，完善模型”“遷移預測，應用模型”這五階層層遞進，最終構建概念模型。

關鍵詞：四線五階;概念建構;進階變量;質量守恒

文章編號：1008-0546（2020）10-0007-07

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3 969/j.issn.1008-0546.2020.10.002

國際科學教育普遍圍繞大概念進行課程設置，義務教育階段的科學教育也不例外。一般認為，大概念包括核心概念、共通概念。大概念對自然界中的各種可觀測的自然現象有廣泛的解釋能力，是一種強大的解釋模型[1]。以《初中科學課程標準》為綱要編寫的浙教版科學教材，就是以科學大概念為核心，通過設置不同的科學概念層次結構，分主題對原有的物理、化學、生物和自然地理等內容進行概念重構而編寫全新的章節。一般說來，科學大概念包括4個層次的概念層次，它們之間的關系按照抽象概括水平從低到高依次為“基礎概念”“重要概念”“主題核心概念”和“學科核心概念”[2]。

一、“質量守恒”的概念層級

重要概念是構成一個學科的知識主體，數量比較多，如“質量守恒”就是一個重要概念，它的上位主題核心概念是“化學反應”，再上位的學科核心概念是“物質的運動與相互作用”。而在每個學科中，都是由如“質量守恒”之類的重要概念構成了“物質科學”的知識主體。同時，像“質量守恒”這種重要概念，它本身還具有一定的層次結構，所以還可以繼續分層構建不同的層級，其下位還有基本概念（如反應物、生成物、分子、原子、元素等）和關系概念（如反應物和生成物質量的變化，分子、原子等種類與數目的變化等）兩個亞層次，我們可稱之為基礎概念。它們的關系如圖1所示。

北師大郭玉英教授團隊和王磊教授團隊分別基于高中物理和化學學科，引入國際中著名的學習進階理論，通過多年的實證研究發現，物質科學（物理和化學學科）的概念的理解有一定的發展層級模型。郭玉英教授領銜的關于概念理解的層級模型，對科學概念建構影響甚大。這種模型將概念的理解分為5個層級，分別是：

經驗：學生具有尚未相互關聯的日常經驗和零散事實。

映射：學生能建構事物的具體特征與抽象術語之間的映射關系。

關聯：學生能建構抽象術語和事物數個可觀測的具體特征間的關系。

系統：學生能從系統層面上協調多要素結構中各變量的自變與共變關系。

整合：學生能由核心概念統整對某一科學觀念（例如物質觀念、能量觀念等）的理解，并建構科學觀念間和跨學科概念（例如系統、尺度等）之間的聯系[3]。

這5個層級，對應于概念構建時認知水平的5個階。科學概念的建構不只是解決認知發展路徑，科學概念的構建還要解決認知發展過程中不同思維層級水平的“立足點”問題。這個“立足點”就是學習過程的操作點，也是提高認識效能的切人點。基于認知心理學對概念的構建，從每個科學概念的構成要素出發，尋找構成概念的核心要素作為進階變量及其它們之間的關系，從而建構科學概念。如“質量守恒”的核心進階變量是反應物和生成物的質量，構成反應物的微粒種類與數目和構成生成物的微粒種類和數目等也是核心變量關聯的變量。

構建科學概念需從生活事實出發，通過對生活事實的認識，基于觀察等活動形成初步的心智模型;再通過假設、推理和論證等復雜的認知行為對心智模型進行修正，并最終形成概念模型;最終利用概念模型解釋、預測出現新問題的新結論和新現象。整個過程是一種主動的內在心智行為，是科學概念建構的過程。此過程分為5個層級，即5個階，如圖2所示：

圖2中的五階，與郭玉英教授的理解科學概念的5個層級是一一對應和匹配的。

“呈現事實，感知模型”是基于真實情境，從學生日常生活經驗和已經學過的知識出發，感知概念模型的事實基礎，屬于“經驗”層級水平。

“分析推理，假設模型”是從幾個事實出發，以分析和推理的思維方式提煉出幾個事實之間的共性特征，從而大致能假設科學概念模型，屬于“映射”層級水平。

“實驗論證，驗證模型”是利用實驗等活動，以實證的技術手段進行科學概念模型的驗證，構建概念內涵中核心進階變量關系，屬于“關聯”層級水平。

“分析評估，完善模型”是通過對概念的進一步分析和評估，從本質上揭示科學概念中各要素和變量之間的聯系，特別是變量之間的“自變”和“共變”關系，從而進一步完善概念模型，屬于“系統”層級水平。

“遷移預測，應用模型”是以概念模型來解釋和預測新情境中的新問題，需要把新建構的科學概念融人整個學科觀念之中，屬于“整合”層級水平。

二、“質量守恒”的建構抓手

構建概念模型的過程，不僅僅是指知識本身由淺入深的線性發展過程，而是作為整體的立體的心智發展過程。在這個心智發展過程中，有真實情境的設置，有核心問題的推動，有體驗活動的演進，還有關于學習目標的分設。情境、問題、活動和目標就是科學概念建構的“四線”。

1.真實情境的設置

真實情境首先來源于現實生活的真實事件，是為課堂教學服務的，必須與教學內容匹配，匹配度越高越有利于教學;同時情境要求簡潔多樣，并且可控，以利于在課堂中堪擔教學重任。

結合比利時教育專家羅日葉的情境類型學和王俊民等[4]對試題情境的研究成果，“質量守恒”“三階”中的概念構建選擇了四個“異質”的實驗作為情境（表1）。

2.核心問題的推動

課堂教學需要在情境中挖掘核心問題，從而推進科學概念建構的思維路徑。核心問題除了要注意頻次、設問方式等問題形式之外，還要關注問題的實質內容質量，如問題與問題之間的關聯性，問題與情境的相關度，問題對概念建構的影響度等。

基于課堂教學任務驅動的原則，“質量守恒”概念建構的核心問題的推動設計如表2所示。

3.體驗活動的演進

體驗活動的主體是學生，為達到一定學生目標的活動設計，是基于真實情境和核心問題驅動下的體驗性活動。“質量守恒”概念建構中的一個體驗活動具體包括表3中的內容。

4.學習目標的分設

綜合我國中學生核心素養所要求的必備品格和關鍵能力，參考高中物理、化學、生物學科核心素養框架，制定初中科學學習目標結構框架為科學觀念、科學思維、科學探究和科學態度四個維度，如表4所示。

三、“質量守恒”的建構過程

化學反應過程中的質量守恒定律的構建，遵循科學概念建構規律，縱向以五步進階為方向層層遞進，橫向以情境、問題、活動和目標四條主線為路徑全面展開。通過“四線五階”的課堂模式構建“質量守恒”概念模型，猶如一座五層大樓，情境、問題、活動和目標就是大樓的四根立柱支撐著大樓;每一樓層相當于構建“質量守恒”概念模型總任務的一個“階”;核心進階變量是化學反應過程中反應物和生成物的質量。從科學本質上看，這是科學論證水平在進階過程中使構建“質量守恒”概念模型獲得論證充分，邏輯適洽，從經驗判斷到理性工具，由定性觀察到定量實驗。如圖3所示。

1.呈現事實，感知模型

浙教版八年級下冊科學第3章第3節第1課時為質量守恒定律。教材先展示“木頭燃燒后變成了灰燼，質量減少了”和“蠟燭燃燒后質量幾乎為零”兩幅圖片，引起化學反應可能的“質量不守恒”的實例，從而揭開學生對化學反應過程中物質質量變化的“迷思概念”。從學生課前的學情調查也可以看出，幾乎所有學生都認為化學反應過程質量是守恒的，只是他們大多不知道是什么原因“干擾了像蠟燭燃燒之類的化學反應的質量守恒”，無法進行合理的解釋。

任何教學都不是基于學生“空白認知”的，而是建立在學生原有前概念、生活經驗等基礎上。像教材中的兩例，就是學生“迷思概念”的直接原因。在建構“質量守恒”的同時，解決“迷思概念”也是非常重要的建構科學概念的任務。

一階的進階變量（反應物和生成物的質量）是通過學生直覺經驗判斷來確定的（見表5）。 此環節僅僅是通過討論激發學生原有的“經驗”，為構建模型打下認知基礎。

2.分析推理，假設模型

教材隨即安排“思考與討論”：

我們用過氧化氫制取氧氣時，反應前后試管的總質量會如何變化？如果把反應生成的氧氣收集起來，加上氧氣的質量，總質量又會如何變化？

此“思考與討論”的最大意義，在于從方法論的角度對“一階”事實的質疑，從而建立起“質量守恒”的假設模型。“蠟燭燃燒后質量幾乎為零”，這是我們以“看”為渠道進行觀察獲得的直觀結果。“看”雖屬于觀察的重要渠道，但“看”并非觀察的全部;況且，獲得事實與證據，僅憑觀察還是不夠的，實驗也是不可缺少的研究方法。教材選擇的實例是本章第1節剛剛學過的化學反應例證（用過氧化氫溶液制取氧氣）。學生不但熟悉整個實驗，而且能瞬間把“矛頭”聚集到反應物或生成物有氣體參與或產生的情況，從而逃避了“看”的科學性。

二階的進階變量（反應物和生成物的質量）是通過定性觀察，依據一定的事實證據判斷（如產生氣泡）來確定的（見表6）。

“二階”利用了兩個情境，第1個情境是聯系原有知識的結果，第2個從科學本質的角度理解質量守恒概念的形成。需要說明的是，第1個情境并不是教師直接展示的，而是延續“一階”的問題，通過學生舉例“生成”的。

此環節還沒有真正構建“質量守恒”，但已經從事實經驗出發，剝離出影響判斷化學反應過程中質量守恒的變量因素——“氣體”（包括固體粉末等）的參與或產生。

3.實驗論證，驗證模型

在完成“二階”的假設“質量守恒”概念模型后，呼之欲出的任務就是通過實驗獲取事實與證據，解決“迷思概念”，建立真正的“質量守恒”概念模型。

教材利用“白磷在封閉錐形瓶中灼燒”和“氫氧化鈉與硫酸銅溶液反應”兩個實驗，獲取證據來形成質量守恒定律，但僅這兩個實驗還沒有解決“二階”假設模型中的“氣體參與或生成影響質量守恒判斷”的問題，故在課堂上增加了兩個實驗，分別是反應后質量減少的“鎂帶在空氣中的燃燒”實驗，質量增加的“用酒精燈加熱銅絲”實驗。為了能精確而簡便地操作測量質量，用精確度為O.Olg的電子臺秤代替教材里的天平。

三階的進階變量（反應物和生成物的質量）是通過較精密的電子臺秤定量測量獲取事實數據來確定的（見表7）。

四個實驗裝置的對比，特別是前面兩個與后面兩個的對比（前者在不密封環境中完成實驗，后者在密封容器中完成實驗），解決了反應物有氣體或生成物有逃逸的問題。

實驗匯報總結時，最終形成的結論是“任何化學反應都是遵循質量守恒定律”，所以需要強調“質量”的主體是“參與反應的所有物質”和“反應生成的所有物質”。

4.分析評估，完善模型

為從本質上完善化學反應過程質量守恒概念模型，加深對質量守恒概念的理解，教材安排了“思考與討論”：請以磷和氧反應生成五氧化二磷為例用分子和原子的知識加以分析。

通過微觀模型表征化學變化過程，是基于本冊第2章中已學用模型的辦法表征“化學反應是原子的重新組合”。用微觀模型和宏觀事實兩重表征（用化學方程式進行符號表征是下一個課時的教學內容），更有利于從本質上加深對質量守恒的理解。此環節從一個“磷燃燒”的實例推演到所有化學反應。

最后，教材從總結的角度說明，化學反應過程中，原子種類和個數及質量不變，但分子數和物質的狀態可能改變。

四階的進階變量（反應物和生成物的質量）是通過微粒模型圖的本質分析判斷來確定的（見表8）。

5.解釋預測，應用模型

從建構科學模型的規律來看，利用模型進行解釋與預測新情境下的新現象和新問題，是科學模型整個過程中必不可少的環節，也是檢測科學模型建構成效的環節。此環節選擇的材料是1756年俄國化學家羅蒙諾索夫發現質量守恒定律的過程（表9）。羅蒙諾索夫發現質量守恒定律比拉瓦錫早，可惜他身處俄國，而不是當時科學的中心歐洲，影響力也就沒有拉瓦錫大了[6]。

引導學生對比羅蒙諾索夫的實驗與玻意耳的實驗，解釋實驗現象并預測結果，從科學本質的角度進一步深化建構“質量守恒”概念模型，同時科學史實具有顯現體現科學本質（科學結果的演化和科學哲學觀的建構）的功能。

五階的進階變量（反應物和生成物的質量）是在科學史上的實驗基礎上，通過邏輯推理來確定的。“在實驗基礎上的邏輯推理”是以伽利略和牛頓為代表的經典科學時代科學家最強大的科學研究方法。

利用“四線五階”課堂教學模式是通過學科核心概念的構建而得以實施的，學科核心概念在“四線五階”的教學中起到“中心骨架”作用，它能統整學科知識，形成統一的整體，使學科知識系統化，同時也將統整后的知識體系以解釋和預測的方式擴展到新情境和新問題，達到提高科學核心素養的目的。

參考文獻

[1] 翟小銘，郭玉英，李敏.構建學習進階：本質問題與教學實踐策略策[J].科學教育，2015，31（2）：47-71

[2]張玉峰，郭玉英.科學概念層次分析：價值、變量與模型[J].物理教師，2015，36（11）：2-10

[3]郭玉英，姚建欣.基于核心素養學習進階的科學教學設計[J].課程·教材·教法，2016，36（ 11）：64-70

[4]王俊民，盧星辰，唐穎捷.國際大規模科學學業評估的試題情境比較研究[J].中國考試，2019，322（2）：32-40

[5] 中華人民共和國教育部.初中科學課程標準（2011年版）[M].北京：北京師范大學出版社.2012：72-73

[6]蔡呈騰，誰是主宰者[M].天津：天津科學技術出版社，2008，6：193-201