基于整合的進階式教學設計研究
——以概念進階與論證進階為例

弭 樂 郭玉英

(1. 鹽城師范學院教育科學學院,江蘇 鹽城 224002; 2. 北京師范大學物理學系,北京 100875)

學習進階引領了21世紀科學教育的變革與發展．核心素養以整合的視角對學生發展的必備品格和關鍵能力進行了梳理和提煉．基于整合的學習進階,即“整合式進階”是在凝練核心素養的背景下,對已開發出的學習進階的統整和系統化,融合了核心觀念和關鍵能力的進階發展的認知模型,其更契合當代科學教育的發展理念．[1]

科學概念學習進階描述了學生在不同復雜度等級上的認知水平;[2]科學論證學習進階描述了與逐漸復雜的認知負荷相關聯的論證結構水平．[3]科學論證對建構和批判做出了重要區分,能夠有效支持學生的概念理解．[4]從學習進階的角度研究科學論證,并將其與概念學習進階進行整合,提供了一種整合概念學習與論證能力進階發展的規劃,也更貼近科學課堂的實際需求．所以,整合式進階教學是對真實認知發展的描述和總結,是學習進階發展的理想形式,是對核心素養發展軌跡的精確描述．

本文以概念進階與論證進階進行整合的教學理論框架為基礎,建構了整合圖,結合實例探討整合式進階的教學設計,并討論教學設計的實踐效果以及對后續研究的展望．

1 建構概念理解發展進階與科學論證進階的整合理論圖

本文基于“整合發展”理念,針對發展學生物理學科核心素養的需要,對已有的相關文獻進行了系統梳理．基于本研究團隊開發的科學概念發展層級模型(分為5個逐級進階的層級:經驗、映射、關聯、系統、整合)、[5]科學論證五要素結構(包括觀點、推理、事實證據、理論依據和反駁),[6]參考了奧斯本建立的科學論證學習進階(初級、中級、高級),[7]從大概念入手開展教學,借鑒Chen(2016)等呈現關鍵要素,并構建關聯的方法,[8]建構了概念學習進階與科學論證整合的教學理論框架．[9]

以理論框架為指導,整合思路如下:教學在大概念引導下提出研究問題,學生基于問題的驅動沿著科學概念理解的發展層級模型深入學習物理概念．與此同時,教學以科學概念層級的進階為主線在概念進階的關鍵點上滲透整合論證活動,從而實現概念理解與科學論證能力的協同發展．具體如圖1所示．

圖1 概念理解發展進階與科學論證進階的整合圖

關于整合論證活動的設計,本文借鑒了Gotwals等(2012)的整合范式,即分別開發概念和科學實踐能力的學習進階,隨后將兩者不同層級的描述整合,利用整合后的表現期望來設計教學活動開展教學．[10]因此,本文整合論證活動的設計是通過表現期望發生的,而表現期望是通過概念進階和論證進階的整合確定的．已有研究表明,高水平的論證活動往往涉及較高層級的概念知識,而伴隨著物理概念理解的深入,學生的論證能力也會逐步得到發展．[6]因此,在設計整合的表現期望時,本文將某一復雜度層級的概念理解表現與相應能力水平的論證表現進行了整合,例如將低層級的概念理解表現與低水平的論證表現進行了整合．

具體來說,例如選擇主題概念理解進階的某一層級(例如映射層級)與論證能力發展的某一進階水平(例如初級水平)相結合,描述出整合的表現期望．基于該表現期望設計整合論證系列活動1,促進學生從具備經驗層級的知識以及不能建構科學觀點或證據,整合發展到具備映射層級的知識進行初級論證的能力．同理,若學生達到具備映射層級的知識進行初級論證的能力,再將概念關聯層級的表現期望與論證中級水平B的表現期望結合,基于該整合的表現期望設計整合論證系列活動2,促進學生整合發展到具備關聯層級的知識進行中級論證B的能力,以此類推．

綜上,教師在“整合發展”理念的指引下,以科學概念層級的進階發展為主線,在概念進階的關鍵點上滲透不同水平的整合論證活動,同時注重教學策略(例如口頭論證、書面論證等)的運用,促進學生概念理解和論證能力的協同發展．

2 基于概念學習進階與科學論證整合的教學設計

下面依據教學設計模型分別從基于進階的學情分析、學習過程的設計、教學開發、反饋等4個環節對概念學習進階與科學論證整合的教學設計展開分析．

2.1 基于進階的學情分析

首先分析教學主題內容對應的核心概念,再依據概念進階和論證進階學習進階框架進行前測和訪談,依據前測和訪談結果展開學情分析．描述學生在概念理解和論證能力方面的發展現狀,進而確定將概念進階和論證進階進行整合的層級,例如從機械能主題教學前測中發現,學生對能量的形式和轉化關系的理解,總體處于映射層級,即學生能以物體的速度為指標量,定性描述物體的“動能”與物體的質量、運動速度的關系;能以物體的高度為指標量,定性描述物體的“重力勢能”和物體質量、高度的關系;意識到在能量轉化的過程中有熱量放出．而在科學論證能力發展上,學生主要分布在初級水平,學生能夠基于證據選擇適當的觀點,或依據觀點匹配適當的證據．另外,學生對科學論證的認識和能量概念的理解呈現分離的狀態,沒有形成整合理解．

2.2 學習過程的設計

根據學情分析的結果來規劃整體的學習過程．將學習過程設計成一系列階段性學習目標,每個學習目標對應不同水平的表現期望．學生從現有的認知狀態出發,逐次經歷各個中間認知狀態,最終達到課題設定的目標狀態．基于學習進階的整合是通過概念進階和論證進階的整合表現期望實現的．在上例中,學生概念發展需要從映射層級經過關聯層級和系統層級,最終達到整合層級;論證能力需要從初級水平經歷中級B和中級A,最終達到高級水平．需要在各個層級上建構整合的表現期望．首先選擇概念理解進階的關聯層級與中級論證B相結合,描述出整合的表現期望(圖2),即第一個中間認知狀態的表現期望．與此類似,描述出各個認知狀態整合后的表現期望．

圖2

2.3 教學開發

以學習過程的設計為腳本,開發具體的整合式進階教學活動．首先依據大概念確定教學驅動問題,使其指向概念理解模型的初步建構．例如，依據能量概念提出“功是能量轉化的量度嗎?”引導學生建構能量轉移概念的模型以及詳述完整的論證過程．以驅動問題為導向,擬定教學流程和整合式進階學習活動．

為幫助學生逐級進階,本文參考了認知支架理論．認知支架有兩個關鍵概念: (1) 學習者獲得幫助,以便成功解決更復雜的任務,否則將是困難的; (2) 學習者借鑒了這種經驗,能夠改進過程技能和(或)內容理解．所以認知支架有助于構建學習任務,為學生處理更復雜的內容和技能提供支持．[11]本文以認知支架理論為基礎提出了“概念支架”和“論證支架”兩個認知支架,同時借鑒Gotwals(2013)等實踐能力分層研究,[12]構建了基于認知支架的整合論證教學活動設計(表1),包括3個階段(初級、中級、高級)、11個水平．每個階段首先提供雙支架(初級為單支架),再逐步撤去論證支架,最后撤去概念支架,旨在逐級規劃學生概念理解與論證能力的協同發展．

表1 基于認知支架的整合論證教學活動設計

續表

概念支架包括有關知識內容或操作步驟的提示或暗示．論證支架包括論證結構要素名稱的提示或暗示．基于認知支架的整合論證教學活動分為3個能力提升階段:初級階段、中級階段和高級階段．初級階段(水平1、2)側重發展學生映射層級的知識,以及提出觀點的意識和能力,或者依據觀點匹配證據的意識和能力;中級階段(水平3-水平8)依次發展學生關聯層級和系統層級的知識,以及基于證據進行推理和論證的能力； 高級階段(水平9-水平11)側重發展學生整合層級的知識,以及反駁論證的能力．

由學情分析可知，本階段應利用整合論證活動2(表2),促進學生從具備映射層級的知識進行初級論證的能力,整合發展到具備關聯層級的知識進行中級論證B的能力,即培養學生基于能量關聯層級的知識建構推理的意識和能力．與此類似,設計其他各個教學階段的整合論證系列活動．

表2 整合論證活動2(中級論證B活動)

續表

綜上,利用基于認知支架的整合論證系列活動實現各個階段的整合教學目標．教學中注重書面論證、口頭論證、認知理解和社會協商,以及針對性的論證等教學策略的運用．

2.4 反饋

測試工具的設計按照“開發測試工具—事前分析—施測—數據分析”進行．首先從歷年學科能力測試和教學改進中選擇試題,隨后根據概念進階和論證進階進行整合后的表現期望對每道試題進行事前分析,即將概念的某一層級融入某一水平的論證實踐整合成一項評估試題,將評估試題與整合的表現期望進行對應匹配,評標按照等級賦分．依據認知支架理論,開發不同論證級別的測評工具,幫助教師及時掌控教學推進過程中學生對核心概念理解與科學論證能力整合發展的現狀,作為調整與改進教學的依據．

3 應用與效果

本文依托教學改進項目,針對機械能主題規劃單元的學習過程和設計教學活動,開展準實驗研究．選取S省E中學高一教師W及其所教兩個班級為研究樣本．教學前測顯示學生在能量概念理解和科學論證兩方面均無顯著性差異,隨機確定為實驗班和對照班．使用相同的教材《普通高中課程標準試驗教科書·物理》(人民教育出版社)和教學材料(練習冊,測試卷)．為指導任課教師針對實驗班實施整合教學,首先對教師展開培訓,使其掌握整合教學的理念、方法和具體實施策略．教師以概念理解發展模型與科學論證進階的整合思想為指導,進行基于認知支架的整合論證教學活動設計,以及實施整個主題單元內容的教學．對照班遵循常規教學模式．實驗班和對照班課時數相同,每周3課時．

統計資料來源包括觀察、小組寫作、半結構化訪談和研究者的現場記錄．其中小組寫作來源于4次全班討論(動能定理和機械能守恒各2次)中的6輪小組論證寫作(討論前和討論后各收集1次),每班學生分為7組,共計收集84份(實驗班和對照班各42份)小組寫作．從能量概念理解和科學論證能力兩方面分析小組寫作．能量概念用4分制(0、1、2、3)賦分;科學論證按5要素分析: (1) 觀點的準確性; (2) 注重證據質量的充分性; (3) 注重推理的證據質量; (4) 觀點與問題之間的關系; (5) 觀點與證據之間的關系．各要素用5分制(0、1、2、3、4)賦分．概念理解和科學論證均由兩名獨立評分者評分,評分者信度采用kappa計算,分別為0.89和0.85．由于樣本量較小,故采用非參數統計Wilcoxon符號秩檢驗統計結果．下面分別從能量概念理解和科學論證兩方面,對小組寫作進行評分,并將結果進行匯總整理,如表3和表4所示．

表3 “能量理解”班級比較

表4 “科學論證”班級比較

對實驗班和對照班的概念理解表現進行檢驗,第1輪沒有顯著性差異,從第2輪開始差異顯著,到了第5輪和第6輪差異極其顯著．統計分析表明,隨著整合教學的深入開展,實驗班學生與對照班之間存在顯著性差異;對實驗班和對照班的科學論證表現進行檢驗,第1輪差異不顯著,從第2輪到第6輪差異持續顯著．由統計分析可知,伴隨整合教學的逐步深入,實驗班與對照班之間的論證表現也存在顯著性差異．為追蹤實驗班學生科學論證能力隨時間的進展,按照5要素將結果進行匯總整理,如表5所示．

表5 實驗班學生“科學論證”5要素表現統計表

在動能定理教學中,第1輪小組寫作科學論證總分為3.11分,在第3輪總結寫作中,總分顯著提高到11.12分．Wilcoxon符號秩檢驗顯示,學生的論證得分從第1輪到第3輪都有統計學上的顯著提高．科恩d效應大小(Cohen’s d effect size)也證實同樣結果．在機械能守恒定律教學中,第4輪小組寫作論證總分為5.91分,到了小組總結寫作總分顯著提高到19.41分．Wilcoxon符號秩檢驗顯示,學生依次經過兩次整合教學全班討論之后,小組寫作論證得分都有顯著性提高．科恩d效應大小也都是大效應量．

綜合上述統計結果,全班討論后小組書面論證的提高都具有統計學意義,即整合式進階討論具有顯著的干預效果．研究顯示實驗班學生通過多輪整合式全班討論,聚焦小組論證進階陳述,以及有更多的機會書寫科學論證,從而形成更高質量和更復雜的論證．

從科學論證評估的5個要素分析,在動能定理教學第1次全班討論后,觀點的準確性顯著提高;在第2次全班討論后,觀點的準確性、觀點與問題之間的關系顯著提高;在機械能守恒定律教學第3次全班討論后,除了注重推理的證據質量外,其他4個要素都有顯著性提高;在第4次全班討論后,全部論證要素都獲得顯著性改善．

綜上,小組書面論證首先提高了觀點的準確性,隨后改善了問題、觀點和證據之間的關系,最后提高了側重于充分性和推理的證據質量．經過4次整合式進階教學討論以及相應6輪小組寫作,實驗班小組寫作論證的5個要素水平均呈現顯著的進階發展．

4 討論與展望

本文基于物理概念學習進階與科學論證整合的理論框架,針對概念進階的節點設置一系列整合的表現期望,開展逐級進階的整合論證活動,學生按照進階模型建構概念和論證以及與同伴進行互動學習．針對4次課堂討論和6次小組寫作,探討整合式進階教學對學生建構概念理解與發展科學論證能力的效果,實證結果有力支撐了研究設計．

4.1 整合式進階教學應重視社會協商與論證寫作的交互影響

本文實施了整個主題單元的整合式進階教學．與已有論證教學關注教授論證結構和基于前后測評估學生論證能力不同,整合式進階教學要求學生將論證作為探究學習的基礎,論證的進階發展和實踐沒有脫離科學概念的學習．學生參與整合式進階學習,有機會提出問題、建構觀點,從資料中獲取證據,參與更多的辯論實踐,他們逐漸形成更復雜的論證和證據．他們逐漸完善了社會協商實踐,理解了論證的含義,并體現在隨后的口頭論證和書面寫作中．

研究發現,多數學生并非天生具備參與社會和認知的辯論實踐能力,而是在參與建構者和批判者角色的實踐中,理解社會談判的核心要素組成,何時使用這些要素,如何從原始數據中獲取證據,以及如何在全班討論中達成共識．在全班討論中,學生以小組討論的方式進行討論,最初關注構建自己的論點,以及批判他人論點．他們較少使用批判策略,而是致力于尋求信息．他們努力理解同伴的論點,很少發起挑戰,即使學習環境和課程是為構建和批判科學知識而設計的．學生不太重視觀點的公正性(即支持、辯護、拒絕),而更關注提出觀點．隨著時間的推移,學生持續開展整合式進階活動和聚焦小組論證,他們開始使用挑戰、辯護、拒絕和(或)支持來論證和陳述問題．他們在全班討論中逐漸融入批判和科學概念的建構,學生的概念理解與論證能力呈現明顯的進階發展．

整合式進階教學將討論和寫作作為認識論工具進行交互設計與實踐,其內含社會協商與認知功能,激發學生從初步提出論點轉變為建構或參與批判的關鍵核心要素,進而整合發展概念知識與論證能力．因此,開展整合式進階教學實踐,應統整社會和認知兩方面,利用談話和寫作的交互循環建立逐級進階的實踐范式．

4.2 基于整合的教學設計,有助于驅動學生深入學習,為落實核心素養目標提供保障

整合式進階教學是由實現TSTS(Taking Science to School,簡稱TSTS)學習進階研究愿景過程中遇到的障礙驅動的．[13]早期學習進階研究關注學生的概念獲得,對學習進階的描述限制在有限的水平和途徑上,隨后的學習進階研究認識到學生學習的復雜性和可變性,試圖將科學知識作為實踐來建模,[14]在近年來以整合核心概念和關鍵能力的發展為主線的學習進階引領著進階研究的突破和轉型．與單一的、固定的進階模式不同,整合式進階依據科學設計原則(假設、以研究為基礎、教育意義)和核心要素(大概念、交織的維度、起點、中間步驟、多路徑和高錨點)對進階的多個方面產生影響．

多進階變量的交織是學習進階研究的一個重要方向,已有整合教學研究試圖描述這些維度在重大進展中相互作用的方式．例如,在有機化學領域,學生對答案類型的認知影響了他們在多步合成問題上的表現;[15]學生對物理學中不確定性問題的理解可能涉及情感、社會和認知的進步．[16，17]與單維進階學習相比,包含認知、程序和社會學習的多維交織的整合式進階學習,有助于獲得最大的學習收益．Sikorski等在學習進階研究中提出“情境依賴”概念,將上錨從一種固定的、復雜的思維方式,轉變為更廣闊的、多元性和語境依賴性的認知方式,提出3種情境依賴模型:第1種模型將學習進階視為工具箱或思維方式的集合,而不是一堆排列好的思考方式;第2種模型將學習進階的進階錨點定義為累積的,即每一級都明確地包括其低級水平的推理;第3種模型建立了一種更高層次理論,特別針對解決學生的情境依賴問題．[18]

本文吸納前期研究成果,所建構的整合的教學設計,描繪了在教學影響下學生在某領域的概念理解與科學論證能力發展的藍圖．整合式進階教學體現了大概念統領下的整合論證教學活動．基于整合的表現期望將學習過程設計成一系列階段性學習目標．利用基于認知支架的整合論證系列活動實現各個階段的整合教學目標．教學中注重書面論證、口頭論證、認知理解和社會協商,以及針對性的論證等教學策略的運用,不僅提升了物理觀念和科學思維,培養了責任意識、協作能力,嚴謹認真、實事求是的科學態度,而且內在地經歷了科學本質教育,有利于落實物理學科核心素養課程目標．

綜上,整合式進階教學對核心概念和關鍵能力的發展進行整合式規劃,在當前發展學科核心素養目標的形式下,將有廣闊的發展前景．期望本模式及其所蘊含的整合式教學的思想為教育研究者或一線教師提供參考和啟發．