促進物理學科關鍵能力發展的初中課堂教學研究
——以“密度”教學為例

謝曉雨 陳顯灶 羅 瑩

（1.北京師范大學物理學系，北京 100875；2.北京師范大學未來教育高精尖創新中心，北京 100875；3.北京師范大學廈門海滄附屬學校，福建廈門 361026）

隨著《普通高中物理課程標準（2017年版）》的頒布，高中物理教學進入了以核心素養為標志的新時代，對教師更是提出了在教學過程中落實物理學科核心素養的新挑戰.物理學科核心素養是通過對物理學科的學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力，［1］其中關鍵能力是物理學科領域內處于核心地位、統領物理學習的能力，一直是中學物理教學的重點、難點.目前正在修訂的《義務教育課標》同樣也是圍繞著核心素養進行的，不論是高中還是初中的物理教師都面臨著如何在課堂教學中促進物理學科關鍵能力發展的新課題.因此，本文以初中物理密度教學為例，在概述物理學科關鍵能力的基礎上，通過確立基于物理學科關鍵能力的教學行為目標，探討在課堂教學中落實物理學科關鍵能力的解決之道，以期在初中物理教學中能夠有效促進學生物理學科關鍵能力發展.

1 物理學科關鍵能力的概述

20世紀80年代起，諸多研究者對與物理學科的思維方法、科學探究密切相關的物理學科能力進行了一系列研究，其中受到廣泛關注、具有代表性的研究有2個.文獻［2］于20世紀80年代從知識、技能和能力3者的關系出發，結合中學物理教學的目標和特點提出：中學物理教學中需注重培養5方面能力（觀察實驗能力、思維能力、分析與解決問題能力、自學能力和創造性思維能力）；［2］文獻［3］在20世紀末從廣義和狹義角度對物理能力進行了研究，指出廣義的物理能力是指順利進行并完成物理學研究任務的個性心理特征，狹義的物理能力是指物理學習中必然獲得發展的、直接影響個體完成相應物理學習任務的心理特征.［3］這些對物理學科能力的研究對中學物理教學與實踐產生了重要影響.

伴隨著基礎教育圍繞核心素養展開歷程，21世紀10年代北京師范大學物理學科教育研究團隊通過對物理學科關鍵能力的內涵及其活動表現框架的研究，將內隱于學生頭腦中的能力外顯，提出了描述學習層次深度的物理學科關鍵能力模型.該模型具有學習理解A、應用實踐B 和遷移創新C3個能力維度，表征3種不同層次的物理學習活動對應的能力.每個能力維度中，都包含3個能力要素，描述對應的能力維度下具有的表現行為，具體模型如圖1所示.［4］

圖1 物理學科關鍵能力的模型

圖1中的學習理解能力維度描述了學生在輸入物理知識時需具備的能力，具有觀察記憶A1、概括論證A2和關聯整合A3等3個能力要素，涵蓋了辨認物理現象、在實驗或生活中概括物理內容和將物理內容構建聯系、進行整合等活動所需的能力，是描述將物理知識內化為自身的知識體系的過程.應用實踐能力維度描述了輸入物理知識后，對學生對物理知識進行應用實踐的能力，是物理學習的低水平輸出過程，具有分析解釋B1、推論預測B2和綜合應用B3等3個能力要素，涵蓋了在熟悉情境中運用單個或多個物理內容進行分析、推測等活動所需的能力.遷移創新能力維度描述了學生將物理知識進行遷移、創新性應用的能力，即物理學習的高水平輸出，具有直覺聯想C1、遷移與質疑C2和構建新模型C3等3個能力要素，描述將物理知識遷移至陌生情境中進行創造性應用活動所需要的能力.

物理學科關鍵能力模型中3 個能力A、B、C維度，具有明確的層級關系.學習理解能力A 維度是基礎.只有先學習物理概念和規律、完成物理知識的輸入后，才能進行物理學習的輸出.在熟悉情境中進行應用知識的學習，能夠發展應用實踐能力B維度.經過應用實踐融會貫通后，才能將物理知識遷移至陌生情境中解決新的、實際問題，能夠發展遷移創新能力C維度.

在每個能力維度中，能力要素的難度也是從1至3依次上升的.例如，在學習理解能力A 維度中，首先要從生活或實驗中觀察與物理相關的內容，發展觀察記憶A1能力要素；然后從中概括出簡單的物理規律，發展概括論證A2能力要素；最后將多個物理內容進行關聯和整合，發展關聯整合A3能力要素.

2 基于物理學科關鍵能力的教學行為目標的確立

目前，初中物理教學的教學目標常常采用知道、了解和理解等行為動詞描述對物理概念、規律要求的認知程度，不能明確地指向物理學科能力的發展要求.要想在課堂教學中實現促進物理學科關鍵能力發展的目的，就需要明確對物理學科關鍵能力發展的教學要求.由于物理學科關鍵能力模型能將內隱的能力外顯為具體的行為表現，明確地表征出學生物理學科關鍵能力的發展情況，所以這些具體行為表現就能夠作為判斷學生物理學科關鍵能力發展狀態的標識.因此，通過物理學科關鍵能力模型與物理內容的融合，就能得到基于物理學科關鍵能力的教學行為目標.這樣表述的教學目標，既能表達對物理內容的要求程度，又能表征對關鍵能力發展狀況的要求，是對常規教學目標的一種提升.下面以初中物理課程中的密度概念為例，討論教學行為目標的確立.

要確立密度概念教學行為目標，需要3個步驟.首先，分析《義務教育課程標準（2011年版）》（以下簡稱《課標》）和初中物理教材，因為課堂的教學目標必須與《課標》和教材的要求保持一致.《課標》要求學生通過實驗理解密度，會測量固體和液體的密度，解釋生活中與密度有關的現象.教材中用3節完成《課標》要求，按照密度的概念、測量物質的密度、密度與社會生活的順序展開教學.其次，依據對密度概念相關的課堂教學的觀察分析，以及對密度概念相關作業、期末考試和中考測評分析，找出與密度概念相關的學習行為表現.這里特別要關注能夠反應物理學科關鍵能力發展狀況的學習表現.最后，基于上述兩方面的分析，采用學習行為表現的形式表述、按照能力要素撰寫并整理教學行為目標，獲得的密度概念的教學行為目標如表1所示.

表1 基于物理學科關鍵能力的密度教學行為目標

續表

3 指向物理學科關鍵能力發展的密度教學設計

教學設計的優劣對課堂教學有決定性的影響，優質的教學設計是獲得高質量課堂教學的前提.對密度概念，初中生在日常生活中有基本的感知，知道不同物體的致密程度不同，但難以將其與密度概念、符號和定義建立聯系.以密度作為工具，定量解釋物理問題和理解密度是物質的屬性是教學的難點，教學中常常出現教師多次講解、學生仍不理解、學生死記硬背的現象.

綜合考慮課標、教材的要求和學情分析，選取了表1中的6條教學行為目標作為新授課密度概念的教學目標，以大概念的視角從關注概念整合出發組織教學，力圖在構建密度概念的同時發展物理學科關鍵能力.密度概念的教學過程如圖2所示，其中含有了新課引入、密度概念構建和學以致用3個教學環節，7個教學活動及其對應的教學行為目標.

圖2 基于物理學科關鍵能力的密度教學過程

為能在課堂教學中扎扎實實地促進物理學科關鍵能力的發展，本研究引入“七線教學過程設計”，［5］從知識、前認知、情境、問題、教學活動、學生活動和發展點7 個方面展開教學過程設計，讓每個教學活動都能全方位地落實物理學科關鍵能力的教學行為目標.概括來說，基于物理學科關鍵能力的密度概念教學設計具有兩個方面的特點.

（1）依據物理學科關鍵能力的內在邏輯，設計關鍵能力發展的課堂教學路徑，并借助教學行為目標將物理學科關鍵能力落實到每個教學活動.

圖2所展示的教學過程中的每個教學活動都有對應的教學行為目標，做到了每個教學活動都有對應的能力發展點，將物理學科關鍵能力的發展落實到了每個教學活動中.設計這一教學過程的步驟是：首先遵循物理內容和物理學科關鍵能力內在的邏輯關系，將教學行為目標進行排序，確定概念和能力的教學順序，得到如圖3 所示密度教學能力的發展線；然后將每個教學行為目標作為能力的發展點，展開一系列教學活動設計.每個教學活動都從“七線教學過程設計”的7個方面進行全方位地考量與設計，以保證教學行為目標（也是能力發展點）的達成.密度教學的能力發展路徑及其每個發展點對應的教學活動，見圖3.

圖3 密度教學過程的能力發展路徑及其發展點對應的教學活動

本設計為密度教學的新授課，教學的內容重點是建構密度概念，對應的能力重點是培養物理學科關鍵能力的學習理解能力維度.圖3 中的能力發展路徑遵循了物理學科關鍵能力得先從學習輸入的學習理解維度，再到學習輸出的實踐應用維度的學習順序，具體路徑是：從觀察記憶A1開始后，進行基于現象和實驗的概括論證A2，再到將新概念與已有的概念進行關聯整合A3，最后是分析解釋B1的實踐應用評估學習結果.

在圖3中，通過課堂教學活動實現每個能力發展點，具體的教學過程是：①通過感受物體的致密程度活動1，幫助學生體會生活中不同物體的致密程度不同，建立致密程度與質量、體積間的聯系，達成A1-1和A1-2的能力發展點；②借助探究實驗的活動2、3、4，讓學生依次經歷明確探究問題、提出猜想與假設、實驗方案設計、實驗數據收集和實驗數據的處理等探究活動，幫助他們達成A2-1能力發展點；③活動5通過對實驗數據的深入分析構建密度概念，同時也實現了A2-2能力發展點；④通過活動6對密度表的討論將密度的概念與物質的一般屬性整合，以建立概念間關聯，達成A3-1能力發展點；⑤借助活動7密度在生活中的應用，評估學習成果的輸出，達成B1-1能力發展點.

（2）通過實驗探究獲得構建密度概念的數據證據，在構建密度概念的同時發展物理學科關鍵能力的概括論證和關聯整合能力要素.

物理概念建立的過程離不開實驗探究，但由于實驗探究過程耗時長、開放度高，在初中物理課堂教學中常常將實驗探究用于規律課，很少用于概念課.圖2展示的教學設計，在活動3實驗方案設計與數據收集中將不易調整、學生操作耗時長的托盤天平換為電子天平以節約時間.在密度概念構建環節，巧妙地將實驗作為構建密度概念的主要情境，通過對實驗數據的深度挖掘來構建密度概念，更是同時發展了概括論證A2和關聯整合A3能力要素.

圖4展示了基于實驗數據證據建立密度概念的3個層次.第1 層次是獲得建立密度概念的數據證據.在活動4 中通過教師帶領學生先觀看數據表格，尋找物質質量與體積之間的規律，再觀察圖像確認上述結論的方式，讓學生意識到由同種物質構成的物體質量與體積的比值是一個定值.第2 層次是基于數據證據，建立密度概念.建立密度概念的教學過程是一個論證為什么需要密度概念和密度是什么的過程，為發展概括論證A2能力要素提供了優良的環境.在活動5 中將物體的m與其體積V的比值定義為密度，并解讀密度的物理意義、進行單位換算.第3 層級是概念整合，將密度整合至物質大概念.在活動6 中，以密度表為工具，挖掘其中數據的含義，完成學生認知從特殊物質（實驗所用的銅、鐵、鋁）具有密度至固、液、氣等所有物質均具有密度的發展，將密度概念提升至一般物質的屬性，引出“密度是物質的一種屬性、描述的是物質的致密程度”的概念，幫助學生將密度作為物質的一個“標簽”，將其歸屬到物質的一般屬性中.

圖4 活動4、5、6的教學過程設計

在這樣的教學過程中，實驗探究的數據成為了密度概念構建的證據，用定量證據論證了密度概念構建，借助密度表的分析推進了密度概念的發展；在對應的課堂活動中，學生需要完成根據實驗數據分析概括m與V的關系、基于數據論證密度概念和建立密度與物質屬性間關聯等活動；實現了在構建密度概念同時發展了物理學科關鍵能力中的概括論證（A2）和關聯整合（A3）能力要素.

4 教學實踐結果評估

為評估教學實踐效果，研究團隊選取了不同地區的、教學經驗和水平相似的兩名初中物理教師進行了課堂實踐.課堂教學觀察及其教學效果顯示：在基于物理學科關鍵能力的密度課堂中，師生交互活躍、學生能夠沉浸于教學情境，課堂注意力集中，參與度高.在探究實驗過程中表現出，學生能自主設計并進行實驗，依據教師提供的圖表能總結出實驗結論；課堂上學生緊跟教師的思路，構建了密度概念且能解決相關的密度問題，很好地完成了教學目標.

研究團隊對密度概念理解和課堂投入度問題在課堂教學結束后進行了簡單的問卷調查.問卷采用李克特五點量表，回收有效樣本94 份，其結果如表2所示.

表2 課后問卷調查結果

表2 中的數據顯示，密度課堂教學后，超過70%的學生都能將密度歸屬到物質的屬性中去，完全認識到密度能夠反映物質的疏密程度，是物質的一種屬性，可將其作為鑒別物質的依據；沒有選擇不太認同或完全不認同的學生.同時，表2的數據也說明了課堂上學生注意力專注狀況，接近90%的學生表示這節課非常具有吸引力，幾乎全部學生都表示對此非常感興趣，沒有不感興趣和經常走神的現象.

教學實踐的效果表明，通過精心的教學設計是能夠實現在物理概念教學的同時發展物理學科關鍵能力的，其具體的途徑可概括為：基于物理學科關鍵能力將傳統教學目標提升為整合物理學科關鍵能力與物理內容的教學行為目標；按照教學內容和能力的內在邏輯關系將教學行為目標排序，生成教學發展線；針對發展線設計教學活動，且將教學行為目標落實到每個教學活動中.