基于核心概念學習進階，發展學生科學論證能力

摘 要：文章基于概念學習進階與科學論證整合的教學理論框架，以勻變速直線運動的位移與時間的關系為例，建構了概念學習進階的層級假設與表現期望，設計了促進概念學習和科學論證能力協同發展的教學活動。

關鍵詞：學習進階；核心素養；科學論證；整合教學

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》提出了圍繞科學觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任的物理學科核心素養目標，體現了高中物理課程“從知識為本”向“以人為本”的目標轉變。這也要求物理教師在教學中要避免單一的以知識為主線，而應充分考慮到學生的認知特點與思維層次，建構學生學習進階的路徑，整合教學內容，以發展學生的學科核心素養，促進學生的全面發展。

一、概念學習進階與科學論證整合的教學理論

弭樂、郭玉英基于“整合發展”的理念，建構了概念學習進階與科學論證整合的教學理論框架。該框架指出，教學要依據大概念展開，以問題驅動的形式，運用口頭表達、書面論證、小組合作等多種教學策略，在構建科學概念的不同進階點時設計不同水平的論證活動，以促進學生概念理解和科學論證能力的協同發展。

結合該框架與基于學習進階的教學設計模型展開教學設計包含四個環節：基于進階的學情分析、學習過程的設計、教學開發、反饋。基于進階的學情分析要根據選取的主題確定核心概念，依據核心概念和學情、教學目標分析，建構概念進階和論證進階框架。其中，概念進階包含經驗、映射、關聯、系統、整合五個層級的表現期望，論證進階根據表現期望分別為初級、中級、高級三種水平。學習過程的設計則是根據學生所處的概念進階層級，結合預設的表現期望，設計相應水平的論證活動。教學開發環節應以學習過程設計為腳本，精心設計驅動問題，擬定任務流程和具體的學習活動。教學開發的活動設計是指向學生對應的表現期望。反饋是指教學實施后需要通過多種方式對學生的概念和科學論證能力發展水平進行測試和評價，幫助教師了解和掌握學生現狀。下面針對人教版高中物理必修一第二章第3節“勻變速直線運動的位移與時間的關系”內容，從整合與發展的理念出發，就學情和教學目標分析、教學活動設計兩個方面進行教學設計。

二、基于學習進階的學情與教學目標分析

（一）勻變速直線運動的位移與時間的關系概念學習進階假設

勻變速直線運動的位移與時間的關系涉及四個運動學階段的關鍵概念：位移、速度、加速度、勻變速直線運動。基于科學概念理解發展層級模型，結合教學實踐經驗，建構勻變速直線運動的位移與時間的關系概念的學習進階假設與具體表現期望（如下頁表）。

（二）學習進階難點分析

科學觀念的形成離不開具體的物理概念和構建概念過程中蘊含的科學思想方法的支撐。在勻變速直線運動的位移與時間的關系概念建構過程中，進階的難點在于學生并不熟悉極限思想和微元法，以及缺乏相應的數學工具和基礎。教學活動應圍繞主題概念，設置合適的情境，利用問題驅動，設計任務活動和學習過程，通過不同水平的論證環節幫助學生建構關鍵概念的進階過程，促進概念學習進階和科學論證能力的協同發展。

三、教學活動設計

根據學生本課內容學習過程中可能存在的進階難點，以整合概念進階與科學論證的能力為理念，設計本課主要的教學活動。

進階起點：經驗——勻變速直線運動圖象的猜想

情境與驅動問題：展示本章第一節實驗裝置圖，做勻變速直線運動的小車其v-t圖象為一條傾斜的直線，那么其x-t圖象的形狀可能是什么形狀？

表現期望分析：學生能夠基于勻變速直線運動的速度隨時間變化規律，猜測其x-t圖象的形狀，并能運用物理規律和數學方法進行推理和解釋。

概念層級與論證水平分析：概念層級為經驗層級，論證水平為初級論證水平1，即學生能夠依據證據選擇適當的觀點。

【設計意圖】利用已學實驗裝置設置新問題，激發學生求知熱情。

進階1：經驗到映射——估算紙帶上點跡的距離

回顧勻速直線運動的位移與時間關系，引導得出其v-t圖象面積可以表示位移。

情境：在實驗中，有一名同學不慎將原始紙帶丟失，只在實驗報告中找到記錄下幾個點瞬時速度的表格。

問題：如何估算紙帶上計數點間的距離？估算的位移比真實位移偏大（小）？如何減小差值？

學生估算結束后展示丟失的原始紙帶，驗證估算的距離與真實距離的大小關系。

表現期望分析：在概念理解經驗層級下，學生能通過將勻變速直線運動分割為多個勻速直線運動來估算位移，經過分析得出估算的位移與真實位移之間的大小關系，能夠推測出如果分割的時間間隔越小，估算位移越接近真實位移。實現概念層級從經驗到映射的進階。

概念層級與論證水平分析：概念層級為映射層級，論證水平為初級論證水平2，即學生針對一個科學問題，按照要求提出觀點，并用證據、理論依據、推理支持它，該過程有核心概念提示以及觀點、證據、推理的提示。

【設計意圖】通過學生熟悉的真實情境搭建腳手架，讓學生逐步體會分割求和的微積分思想。

進階2：映射到關聯——理論推導v-t圖象的面積表示位移

情境：展示勻變速直線運動的v-t圖象，將其按時間等分為幾個勻速直線運動。利用多媒體動畫和幾何畫板演示將v-t圖象逐漸分割的矩形面積之和逐漸逼近梯形面積的過程。

問題：這幾個勻速直線運動的位移之和（矩形面積之和）能否粗略地表示勻變速直線運動的位移？如何更加精確？論證過程中用到了什么樣的思想方法？你還知道哪些應用了此思想方法的例子？

展示古代割圓術的思想，介紹極限思想的應用。介紹數學上微積分思想應用以及微積分思想在生活生產實踐中的應用。

表現期望分析：在概念理解為映射層級下，學生能夠將勻變速直線運動的v-t圖象分割為多個勻速直線運動來求和表示其位移，并能夠論證如果分割的時間間隔越小，則矩形面積之和越接近真實位移。通過幾何畫板輔助最終得出無窮分割時，矩形面積之和等于v-t圖象圍成的梯形面積，能夠準確反映勻變速直線運動的位移。同時，能夠利用速度、加速度、時間等物理量表示出勻變速直線運動的位移，實現從概念理解映射到關聯層級的進階。

概念層級與論證水平分析：概念層級為關聯層級。論證水平為中級論證水平，即學生能針對一個科學問題，按照要求提出觀點，并用證據、理論依據、推理支持它，該過程沒有腳手架。

【設計意圖】通過本環節論證活動，使學生進一步理解極限思想與微元法的應用，聯系其他學科和生活生產時間，通過真實情境整合科學知識，以發展學生的科學思維、科學態度與責任的核心素養。

進階3：關聯到系統——推導勻變速直線運動的位移表達式

問題1：如何利用速度、加速度、時間等物理量表示出梯形的面積？

問題2：有同學認為，剛才的結果是從勻加速直線運動出發推導的，對于勻減速直線運動則不成立，你的觀點是？

表現期望分析：在概念理解關聯層級下，學生能夠運用勻變速直線運動的速度與時間變化規律、加速度以及梯形面積公式得出多種表示勻變速直線運動位移的表達式，可以結合v-t圖象的面積進行數形結合的論證，能夠通過反駁觀點，進而理解位移表達式中速度、加速度的矢量性。實現從概念理解的關聯到系統層級的進階。

概念層級與論證水平分析：概念層級為系統層級，論證水平為高級論證水平，即學生能針對一個或幾個觀點，按照要求構建科學論證，包括觀點、證據、推理、反駁，該過程有概念、推理、證據、反駁的提示。

【設計意圖】讓學生經歷勻變速直線運動的位移關系式的推導過程，鼓勵學生從多個角度、利用多種方式得出結論，有助于發展學生的思維品質。

進階4：系統到整合——描繪和論證勻變速直線運動的x-t圖象

情境：展示如下圖①②所示的兩幅學生畫出的x-t圖象。

問題：哪一幅圖正確地反映了其位移與時間的關系？

實驗驗證情境：利用位移傳感器驗證討論的結果。

問題：有同學認為，物體做的是直線運動，畫出的x-t圖象不應該是曲線，怎么解釋？

表現期望分析：在概念理解的系統層級下，學生能定性描繪出勻變速直線運動的x-t圖象，能運用數形結合等方法建構科學論證，指出不合理圖象的錯誤之處，并獨立提出科學觀點，實現概念理解從系統到整合層級的進階。

概念層級與論證水平分析：概念層級為整合層級，論證水平為高級論證水平，即學生能針對一個或幾個觀點，按照要求構建科學論證，包括觀點、證據、理論依據、推理、反駁，該過程沒有腳手架。

【設計意圖】回扣引入時的話題，同時通過實驗驗證環節學生所做出的x-t圖象，能夠讓學生經歷探究成功的喜悅，同時發展學生科學探究的核心素養。

四、結語與展望

在新課程改革理念下，圍繞核心概念的教學內容整合已經成為眾多專家和一線教師的共識。核心概念的學習需要一系列具體概念的學習才能實現，指向概念的學習與關鍵能力的培養的整合教學有利于促進學生的核心素養發展。以往教學過程中，教師往往是憑借經驗確定學生具有的認知水平和思維層次，并在此基礎上展開教學設計。但在飛速變化的時代下，學生的變化也是巨大，以往的經驗是否還依舊準確令人懷疑。通過學習進階測試工具，可以更準確地了解學生的概念理解層級以及能力水平，進而選擇更科學的教學策略。

參考文獻：

［1］弭樂.郭玉英.概念學習進階與科學論證整合的教學設計研究［J］.課程·教材·教法，2018（05）.

［2］張玉峰.基于學習進階的科學概念教學內容整合［J］.課程·教材·教法，2019（01）.