基于知识整合的物理教学设计开发与实施

基于知识整合的物理教学设计开发与实施核心素养是指学生应具备的、能够适应终身发展和社会发展的必备品格和关键能力。以下是小编分享的内容，欢迎参考借鉴与借鉴。立足学生的生活经验，培养学生适应个人终身发展和社会发展所需要的必备品格、关键能力，引导学生形成正确的科学态度与社会责任，是习近平新时代中国特色社会主义思想指导下发布的课程标准的内在要求。学生在中学阶段构建对科学概念持续和连贯的理解是达成这一目标的基础和前提。学生以其已有观念为基础，清晰表达他们的想法，增加包括可视化在内的新的观念，并在不同的情境中整理这些观念，在多个分析层次中建立观念之间的联系，设计并开发评价标准，从而构建与有关科学现象相关的观点的过程即为学生的“知识整合过程”。以该过程为基础构建的教学，不仅能够帮助学生与多种相互冲突的、令人困惑的观念作斗争，建立对科学概念连贯一致的理解来解释或者预测自然现象，而且其教学效果持久而有效。根据学生处理不同观念的方法，进行“知识整合”的路径有四种，分别是概念化路径、实验路径、策略制订路径以及情境化路径。在每条轨迹中，学生将他们的注意力限制在观念的不同子集。概念化路径关注抽象的、规范的概念，沿该路径进行知识整合的学生通常从关于某个自然现象的广泛认识开始，迅速转变为抽象、规范的观念（例如，从利用“起步快”等日常语言描述速度变化快慢，转变为利用“加速度”来描述）；基于实验路径进行知识整合的学生则通常由先验知识导致的猜想等开始，借助实验寻求并测试新的观念，同时根据实验的结果重新确定他们所建立的观念的优先性；遵循策略制订路径进行知识整合的学生认为科学概念是权威事实的集合，严格地将学校所学知识与其所处的真实情境分开，寻求以最小的努力取得预期学业成绩的策略，从而取得成功；利用情境路径进行知识整合的学生，认为不同观念之间的本质区别是其所处的情境，不同观念之间若情境不同，则没有联系。研究者针对学生知识整合的物理教学设计进行了卓有成效的研究，但尚存一些不足。首先，尽管学生会倾向于采用某种知识整合路径实现物理观念建构，但研究表明，随着教学情境的复杂度增加，学生会转而使用多种知识整合路径的组合来解决不同观念之间的矛盾，而目前典型的教学设计往往针对某个知识整合路径展开，不能满足学生知识整合的需要。其次，已有物理教学设计中涵盖的教学材料往往抵触或者忽略学生由先验知识导致的错误或者正确的观念。例如，教材编写更倾向于提供正确的答案，从而使得学生在面对他们生活中重要的、与个人相关的问题时，忽略学校中所学的知识。最后，为了更为有效地帮助学生形成对科学概念连贯一致的理解，教学设计应遵循让科学触手可及、让思维看得见等原则，但已有物理教学设计很难完全贯彻这些原则。因此，本文试图在核心素养视域下，通过构建基于知识整合的物理教学设计来弥补已有教学设计存在的不足，帮助学生实现对物理概念持续和连贯的理解。核心素养视域下的知识整合物理学科核心素养各要素内涵及其关系核心素养是指学生应具备的、能够适应终身发展和社会发展的必备品格和关键能力。物理学科核心素养是核心素养在具体学科的投射，也是核心素养体系学科化的具象表现，在物理学习与理解的过程中逐步形成。物理学科核心素养主要包括物理观念、科学思维、科学探究以及科学态度与责任四个方面。物理观念是指学生在特定时间点的理解，是对公共科学知识某些部分的个人建构结果，比如学生建构包括物质、运动与相互作用以及能量等概念的理解。科学思维是学生构建解释、认识自然世界的过程中降低认知偏差，协调可能发生（理论）与真实发生（证据）的有意向的路径。科学是基于观察和实验数据解释世界的一种方法，科学探究是学生形成科学解释、认识科学的途径与目标。科学态度则强调了学生构建对自然世界的解释时对证据价值的认识，即是否关心证据并愿意根据新的证据改变理论。综上，科学探究在作为内容目标的同时，也是学生认识科学的路径。在科学探究的路径中，学生利用科学思维（推理、论证等）尽可能构建对自然世界无偏差的科学解释。同时，学生在基于证据构建科学解释，对自然现象发生或者继续发生的原因进行阐述时，也塑造了学生对证据价值的认识。此外，这一过程通常也伴随着学生物理观念的转变。值得注意的是，尽管科学探究处于核心位置，但科学探究与物理观念之间的关系是彼此交织在一起的。学生需要借助已有的物理观念顺利实施科学探究，同时科学探究又帮助学生建构了新的物理观念，而新建构的物理观念又可以作为下一轮科学探究顺利实施的观念基础。简言之，物理学科核心素养各要素之间以“科学探究—物理观念建构”的迭代过程联系在一起。核心素养视域下知识整合的内涵及原则物理学科核心素养各要素之间的关系表明，推动科学探究开展的物理观念突破了教材上具体的概念本身，转变为学生基于已有经验对不同的概念进行建构所得的组织结构。通常来讲，这些组织结构桥梁是学科大概念。因此，在核心素养视域下，所谓学生知识整合即为学生在科学探究时建构的以学科大概念为核心的连贯一致的概念组织的迭代过程中实现核心素养塑造的过程。那么在核心素养视域下，构建符合学生知识整合需求的教学需要遵循哪些原则呢?第一，核心素养视域下的知识整合意味着以具体物理概念为内容，以章节为脉络的教材结构，需要根据科学探究与物理观念之间的复杂关系，围绕学科大概念进行整合，即构建符合学生知识整合需求的教学首先需要以学科大概念为核心。新的物理课程标准进一步精选了学科内容，重视以学科大概念为核心，使课程内容结构化，以主题为引领，使课程内容情境化，为这种整合奠定了坚实的基础。第二，如前文所述，存在多条学生知识整合的路径，且学生路径选择依赖于教学情境的复杂性，因此，符合学生知识整合需求的教学设计应提供足够复杂的教学情境，帮助学生实现多路径的知识整合。第三，情境的复杂程度依赖于学生的已有经验，因此，符合学生知识整合需求的教学还应立足于学生的已有经验，即关注学生先验知识导致的错误或者正确的物理观念。这些已有经验，尤其是基于学生先验知识导致的错误观念，是建构连贯一致的理解的最大阻力，是实现知识整合的最大障碍。第四，学生的错误观念通常会产生与科学结论相悖的结论，而这些悖论的解决依赖于经验数据，即符合学生知识整合需求的教学应构建能够基于证据做出结论的科学问题，这将使得科学变得触手可及，也使得学生的思维得以在分析、处理证据的过程中显现。综上，以科学探究为核心的物理学科核心素养各要素之间的关系，为我们在课堂中效仿科学家基于证据构建对自然世界的理解，以及落实核心素养的培养奠定了组织基础。四条教学原则为我们构建符合学生知识整合需求的教学设计提供了设计思路。基于知识整合的物理教学设计开发与实施通常来讲，教学设计过程取决于对三个问题的回答，分别是教学的目标是什么，采用什么样的教学措施达成目标以及学生是否达成教学目标。基于知识整合的物理教学设计也不例外。下面我们以构建基于知识整合的《运动和力的关系》（《高中物理必修一（人教版）》）的教学设计为例说明设计过程。01基于知识整合的教学目标确定核心素养视域下，学生知识整合即以科学探究为主线，最终构建以学科大概念为核心的连贯一致的理解。学科大概念在物理课程标准中以物理观念为代表，主要包括物质观念、运动与相互作用观念以及能量观念。显然，《运动和力的关系》围绕“运动与相互作用观念”进行组织。此外，围绕核心素养，课程标准给出了不同模块的内容要求，例如“理解牛顿运动定律，能用牛顿运动定律解释生产生活中的有关现象，解决有关问题”等。与此同时，教材是依据课程标准编制的、系统反映学科内容的教学用书，教材是课程标准的具体化。两者从宏观和微观两个方面指出了章节的教学目标。因此，基于知识整合的物理教学设计的教学目标是通过分析课程标准的内容要求以及教材实现的。所谓课程标准的内容要求分析，是指基于布卢姆教育目标分类法对内容要求进行认知目标分解。该分类认为，知识维度包括事实性知识、概念性知识、程序性知识以及反省认识知识；认知维度则包括记忆、理解、运用、分析、评价和创造。我们将该部分课程标准的内容要求进行认知目标分解，例如“理解牛顿运动定律，能用牛顿运动定律解释生产生活中的有关现象，解决有关问题”表述中，包括对概念性知识“牛顿运动定律”的“理解”（认知维度），也包括对概念性知识“牛顿运动定律”的“运用”（认知维度）。我们将分解的结果置于分类表中，如表1所示。可以说，从物理课程标准内容要求上来讲，本单元的教学目标包括2B（概念性知识的理解）、3B（概念性知识的运用）。基于具体的内容组织，教材将上述认知目标分解的结果实现。因此，一旦完成课程标准内容要求的认知目标分解，下一步便是通过教材分析确定教材对上述认知目标的实现方式。这里我们以“运动与相互作用观念”为例呈现教材分析过程。运动学是形而上学上的可能世界，但不一定是物理上的可能世界，即运动学的世界是可以想象的世界，但可能不符合我们的定律。物理上的合理性是动力学的范畴，它将形而上学的可能世界限制到物理上的可能世界。所谓“运动与相互作用观念”实际上便是要求学生建构运动学与动力学的这种关系。这里的教材分析，则是将所有与该内涵相关的教材表述进行摘录，例如“牛顿第二定律确定了运动和力的关系，使我们能够把物体的运动情况与受力情况联系起来”。当我们将所有的语句摘录并分析后，便能够得到教材中实现课程标准内容要求的方式本文仅呈现了物理观念中“运动与相互作用观念”的教材分析。事实上，构建基于知识整合的教学设计需要分析教材中所有涉及的核心素养的要素，例如科学本质等。上述课程标准的认知目标以及教材分析过程不仅为设计教学措施确定了教学目标，而且使得学科大概念成为教学设计的核心，在教学目标上保证了教学能够符合学生知识整合的需求。02基于探究活动的多路径知识整合教学设计提供复杂教学情境，帮助学生实现多路径知识整合，以达成教学目标的前提是关注学生的已有经验。学生学习上述教学内容前的物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任的现状可以借助调查、文献综述等方式确定。例如，针对牛顿第一定律，学生可能认为如果没有合力作用在物体上，那么物体是静止的，在突然减速的客车上的乘客身体向前移动的原因是存在一种内力；针对牛顿第二定律，学生可能认为与水平面之间存在一定角度的力，其在水平面的分力与角度成正比；在思维层面，中学生倾向于利用个人经历作为解释自然现象的证据，他们也能接受样本容量不足等。学生在物理观念、科学思维、科学探究以及科学态度与责任这四个方面的现状与我们经由课程标准的认知目标分解、教材分析得到的教学目标之间存在显著的差异（例如，课程标准要求学生理解概念性知识——牛顿第二定律，教材中通过运动情况与受力情况的介绍来构建联系实现这种理解，而学生则被力和运动之间存在强烈的线性关系这种错误概念所支配）。这些差异为设计以科学探究为核心的教学活动，帮助学生在复杂学习情境中实现多路径知识整合提供了设计基础。科学探究的过程模型认为科学探究分为研究动机、科学探究过程以及探究结果三个部分。其中研究动机为科学探究的必要性以及可行性提供论证，可由学生的错误概念或者复杂、真实的物理情境提供；科学探究过程则存在线性、周期性、多周期性等多种路径（详见Park，Jang，Kim等科学探究过程模型）可供选择；研究结果是指学生经历科学探究后的所得，可以是新的物理观念形成，或者对证据价值等新的认识。详细的教学活动过程如下所述：第一，以复杂情境为核心，重新组织学生现状与教学目标之间的差异，为科学探究的必要性提供依据。该阶段以学科大概念为核心，突破了原有的教材结构，实现了教学过程的情境化。第二，设计以科学问题为核心的多种教学活动，组合多种探究过程路径，帮助学生利用多种知识整合路径形成对物理概念连贯一致的理解。该阶段中的教学活动包括但不限于要求学生通过科学论证（制定暂定性声明，包括声明、证据以及证据的合理性）构建科学解释（构建解释项）、评估证据等来解决科学问题。第三，科学探究的结果可以是克服先验知识带来的错误观念，也可以是发现或者构建了新的物理观念，还可以是能够阐明所学的物理概念。综上，学生的物理观念推动了探究活动展开，探究活动的展开又推动了学生物理观