摘要： 學習進階操作體系包含兩個模型、五條策略，核心是將“階”的序列與使用融入教學新設(shè)計中?！皩W習進階操作要素模型”指向教師應(yīng)用學習進階的操作可行性，“學習進階下的科學課堂教學設(shè)計模型”指向?qū)W生會學、學會的效度。以質(zhì)量守恒定律教學為例，結(jié)合五條教學策略，分析科學探究教學中“階”的優(yōu)化指向。

關(guān)鍵詞： 學習進階; 操作要素; 教學設(shè)計; 教學策略; 模型; 科學探究

文章編號： 1005-6629（2019）8-0031-07 ? ? ? ? ? ?中圖分類號： G633.8 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： B

1 ?學習進階及其操作要素模型

美國國家理事會（NRC）在2007年將學習進階定義為：“對學生在一個時間跨度內(nèi)學習和探究某一主題時，依次進階、逐級深化的思維方式的描述”，“NRC的定義還是一個能得到多數(shù)研究者認同的界定”[1]。

盡管專家對學習進階的描述側(cè)重有異[2～5]，從一線教師操作層面上看，操作體系中的核心是“階”的序列設(shè)計與使用。結(jié)合教學實踐經(jīng)驗，我們對學習進階的操作要素進行分解、組合、關(guān)聯(lián)，建立“學習進階操作要素模型”（見表1）。

學習進階操作要素模型： 指向?qū)W習進階應(yīng)用研究的操作可行性，從進階變量是什么、“階”如何設(shè)計與使用這兩個重點問題開始分解，給出具體操作思路、操作要點，描述了相對應(yīng)的水平層次或特征操作，列舉了在應(yīng)用過程中遇到的四個難點： 進階維度之間的“均衡”;“階”的認知刻畫;建立清晰的“階”;推動“進階”的發(fā)生。這是一個如何將“階”融入教學設(shè)計并展示出來的問題，主要涉及教師教學設(shè)計與教學策略的改變。此模型的主要作用，一是為教師平時思考與實施學習進階提供參考;二是借此反思修正典型學習路徑與“階”的合理性。

2 ?促進學生進階的科學課堂教學設(shè)計

2.1 ?學習進階下的科學課堂教學設(shè)計模型

一節(jié)課，甚至是一個學習時段，都應(yīng)該有可以具體化的進階終點目標，我們運用從進階終點逆向推理的方法，結(jié)合“學習進階操作要素模型”，確定進階起點，進而在進階終點與進階起點之間考慮“階的設(shè)計與使用”，建立“學習進階下的科學課堂教學設(shè)計模型”，應(yīng)用于教學設(shè)計中（見圖1）。

圖1使用的關(guān)鍵有三處： 一是確定進階維度，解決“學什么”的問題，要放在核心概念層級下有跨度地思考學生可能會“怎么學”;二是確定水平層次，解決“學到什么程度”的問題，要放在學習路徑多樣性下有典型性地思考課堂應(yīng)該“怎么教”;三是設(shè)計清晰進階，解決“怎么測”的問題，要放在真實情境習題化下有證據(jù)地思考學生“學得怎么樣”。素養(yǎng)時代下，深度學習、項目學習、課堂活動教學等，對科學學習方式都有類似“會學、學會”的探索，可以相互借鑒。

2.2 ?科學課堂教學設(shè)計模型具體運用要點

2.2.1 ?確定進階維度——學什么

首先以核心概念的知識本體作為進階變量?！百|(zhì)量守恒”作為本課時的核心概念與進階目標，還要置于更高層級的“變化與平衡”的科學觀念下。而白磷燃燒、鎂帶燃燒等化學變化，生成物、反應(yīng)物等概念，作為進階的起點。知識內(nèi)容本體作為進階變量可以清晰地刻畫學生對某一主題理解的認知發(fā)展層級。

其次以探究技能為進階變量。圍繞影響“量”的變化因素，如質(zhì)量的測量、天平的使用等操作技能，可以作為進階的起點。反應(yīng)物、生成物的質(zhì)量測量與數(shù)據(jù)處理技能，氣體外逸、外界氣體影響等密閉空間的變量控制技能等，可作為中間認知狀態(tài)。而提出問題、建立假設(shè)、獲得證據(jù)、作出解釋等探究技能，可作為進階終點。

第三是考慮關(guān)聯(lián)進階。關(guān)注學生頭腦中內(nèi)在知識結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)程度，八年級的學生，所熟悉的化學變化僅限于以O(shè)2為主，必要的后續(xù)學習的化學變化，如CaCO3與HCl反應(yīng)制取CO2等，須作必要的補充，整合概念、規(guī)律、探究、操作、解釋等作為關(guān)聯(lián)進階變量，促進學生對“質(zhì)量守恒”問題的理解。

在此基礎(chǔ)上，整合學習內(nèi)容，確定學習的目標、重點、難點和要點，如探究“質(zhì)量守恒定律”，強化“證據(jù)”“解釋”是學習要點。

2.2.2 ?選擇學習路徑——怎么學

選擇學習路徑，既要結(jié)合教師積累的進階發(fā)展證據(jù)，又要關(guān)注基于進階的學情分析，根據(jù)學生學習特征設(shè)置課堂活動。

教師已有的經(jīng)驗，可以幫助學生少走彎路，如跨學段意識，知識的連續(xù)性、整體性和層次性等。

基于進階的學情，教師可以自問以下五個問題： （1）在知識進階上，希望促進哪個核心概念或哪些科學觀念的建構(gòu)？（2）在技能進階上，希望培養(yǎng)的關(guān)鍵能力是什么？（3）在關(guān)聯(lián)進階上，希望幫助學生建構(gòu)哪些思維聯(lián)系？（4）在情感進階上，希望激發(fā)學生什么樣的心向？（5）在進階達成上，確定學生在學習中間可能遇到哪些問題？

2.2.3 ?確定水平層次——學到什么程度

確定水平層次，要考慮學生的現(xiàn)有認知狀態(tài)、中間認知狀態(tài)、階段學習目標。在質(zhì)量守恒定律的探究中，學生擁有測質(zhì)量等操作起點、物質(zhì)燃燒等事實起點，這些都是學生共同的認知基礎(chǔ)，課時終點目標是一致的，都是為了理解“質(zhì)量守恒”。對學生而言，“學習進階的價值所在不僅是指明路徑在哪里，更重要的是指明如何實現(xiàn)進階”[6]。由于進階路徑的多樣與學生之間的差異，所以，影響“如何實現(xiàn)進階”的中間認知狀態(tài)的確定，就成了教學設(shè)計中的關(guān)鍵。

對理解質(zhì)量守恒定律而言，定量分析、裝置設(shè)計、技術(shù)工藝、實驗操作、獲得證據(jù)、相信結(jié)論等，既是重要的中間認知狀態(tài)，也是關(guān)鍵的進階節(jié)點。對比常規(guī)教學設(shè)計，運用水平層次設(shè)計的教學思路，實質(zhì)上以中間認知狀態(tài)為突破口，更深入、準確地分析學情，解決重點、難點、要點、目標實現(xiàn)路徑等問題。

2.2.4 ?選擇教學程序——怎么教

進階路徑由水平層次鋪成，進階達成由教學程序執(zhí)行?！岸鄶?shù)研究者認為學習進階有兩個特征： 第一，學習進階路徑不是唯一的;第二，學習進階不能脫離教育過程而自發(fā)進行”[7]。

選擇教學程序，既要結(jié)合教師自身教學特長，又要關(guān)注驅(qū)動性問題與活動的選擇，及學生在其中的表現(xiàn)。

選擇驅(qū)動性問題與活動，教師可以這樣自問： （1）流程設(shè)計上，除了當下，能否為大單元及后續(xù)學習激發(fā)探究興趣和學習動機？（2）具體學習任務(wù)，能否聯(lián)系學生的生活經(jīng)驗和原有認識？（3）任務(wù)之間的邏輯關(guān)系，是否順應(yīng)相應(yīng)學段的學習軌跡？（4）執(zhí)行任務(wù)時，是否具有符合自身條件的教學可行性？（5）學生的外顯行為，能否處于學生的最近發(fā)展區(qū)甚至創(chuàng)建新的發(fā)展區(qū)？

2.2.5 ?設(shè)計清晰進階——怎么測

設(shè)計清晰進階，要按認知水平、按年級階段，對問題與活動情境化、習題化。利用“科學探究核心概念水平層次模型”[8]，在“確定進階維度”與“確定水平層次”之間建立聯(lián)系，在“問題、證據(jù)、解釋、評價、方法”五個主要進階變量中，確定本課時側(cè)重于“證據(jù)”“解釋”，兼顧其他變量，設(shè)定為水平3的要求。在獲取“證據(jù)”方面，水平3的要求是“變量控制、實驗設(shè)計”，“能將科學知識、探究技能應(yīng)用于實際情境，解決常見的問題”，并“能通過對變量及現(xiàn)象的比較概括出科學結(jié)論”;在“解釋”方面，水平3的要求是“解釋證據(jù)是否充分支持結(jié)論”，落實到對質(zhì)量守恒定律的具體理解，表現(xiàn)為宏觀解釋、微觀解釋、應(yīng)用解釋。應(yīng)用解釋具體如： 可以區(qū)別一些“紙片燃燒后固體質(zhì)量減輕了，不符合質(zhì)量守恒定律”“10g冰受熱熔化成10g水，遵循質(zhì)量守恒定律”等似是而非的說法。微觀解釋在水平3是“使用模型”而不是水平4的“構(gòu)建模型”，可以借助視頻或動畫等材料設(shè)計進階。

一般的教學中，例題或習題可能是教師憑感覺選的。學習進階教學，利用“科學探究基本環(huán)節(jié)測量要素模型”[9]，在“確定水平層次”與“設(shè)計清晰進階”之間建立聯(lián)系，例題或習題成為清晰進階的標示物?！半A”的設(shè)計，不可違背學生認知規(guī)律盲目增加難度，加重學生負擔，通常如使用儀器、表格、數(shù)據(jù)記錄處理等。若學生學習潛力足夠，也可以考慮水平4的要求，如“評價反常結(jié)果和證據(jù)可靠性”，因為在質(zhì)量守恒定律的探究中，這種現(xiàn)象還是常會遇到的，善加開發(fā)，也是對學習資源的一種利用。

2.2.6 ?選擇測量工具——學得怎么樣

選擇測量工具，既要教師能從已有的習題中開發(fā)測量工具，又要教師根據(jù)學生實際反饋修正。

開發(fā)的測評工具，通常是習題化的，這是因為學生對知識技能的掌握達到哪個層次，是否符合預定的學習目標，需要教師進行有效的測量。開發(fā)適當?shù)臏y量工具，需要教師熟悉中考題型及其變化，了解課程標準要求、考試說明要求、中考主要知識點，具有一定的改編中考真題、真實情境習題化、學生問題情境化的能力。

反饋與修正，教師可以圍繞研究重點這樣自問： （1）測量工具上，習題是否對應(yīng)清晰的“階”？是否還利用了巡視、討論、問卷、訪談等方法？（2）測量結(jié)果上，是否考慮到進階維度之間的“均衡”與學生學習信心的保護？（3）助學措施上，是否推動了“進階”的發(fā)生？活動化的助學是否精準？（4）自我反思上，“階”的認知刻畫是否符合學生的實際水平？（5）專家評議上，進階變量是什么？“階”如何設(shè)計與使用？

3 ?促進學生進階的科學課堂教學策略

能改變傳統(tǒng)好課觀念的，最給力的是“更好”。為了“更好”，我們從近十年的“質(zhì)量守恒定律”好課實錄中選擇幾則，用“以思維為中心、以活動為基礎(chǔ)、以知識為根本、以變式為手段、以過程為主線”這五條教學策略重新審視，以期從理論中學習、從教歷中學習，將“階”及其表現(xiàn)期望展示出來。

3.1 ?提出問題能力的進階策略——以思維為中心

課堂一開始，教師就提出這樣的問題：“同學們說說看，在化學變化中，質(zhì)量守恒嗎？”學生集體并且大聲地回答“守恒”。教師瞬間“石化”幾秒鐘，因為學生好像集體都“學會了”，還因為教師在預設(shè)中認為“一定有學生會說不守恒的，這樣就可以開展討論了”。這種現(xiàn)象在公開課中多次出現(xiàn)。為什么那么多的教師會設(shè)計出這樣的問題？原因之一是教師信守科學探究的第一步是提出問題，而恰恰缺乏從教材整體設(shè)計廣度看此探究的育人價值，沒有關(guān)注到“質(zhì)量守恒定律”存在于《科學·八年級下冊》，此階段學生需要的不是這種水平1的問題，而是水平3的問題： 對提出的問題進行簡單分析、產(chǎn)生新問題。由于沒有設(shè)計好驅(qū)動性問題，這種科學探究進階目標設(shè)計上的錯位，常常讓一節(jié)精心準備的課游離于學生的思維之外。

可以用“以思維為中心”的策略，重視驅(qū)動性問題的設(shè)計，指向關(guān)聯(lián)進階： 教師引入相關(guān)實驗，完成一個與學生思維有沖突的“不守恒”的實驗。也可以提供多組實驗，這些實驗的選材要有明顯的實驗現(xiàn)象，可涉及變色（NaOH+酚酞+HCl、加熱銅絲）、有沉淀產(chǎn)生（NaOH與CuSO4反應(yīng)）、發(fā)光有煙（鎂帶燃燒、白磷燃燒、木條燃燒）、有氣體產(chǎn)生（大理石與HCl制CO2、 H2O2制O2）等，建立多個關(guān)聯(lián)實驗的演示或討論情境，引導學生獲取證據(jù)、開始質(zhì)疑，重點指向分析后“產(chǎn)生新問題”，提高探究學習的精度。

3.2 ?獲取證據(jù)能力的進階策略——以活動為基礎(chǔ)

獲取證據(jù)首先需要形成可檢驗的假設(shè)，從操作性定義的角度看，還要細化找到反應(yīng)發(fā)生了的標志——生成Cu（OH）2沉淀，及盛放溶液的裝置質(zhì)量的處理。如“先分別測量NaOH與CuSO4的質(zhì)量，再測反應(yīng)后的總質(zhì)量，比較前后質(zhì)量的變化”，“完美”的操作設(shè)計偏偏有學生舉手說“我們組的實驗，質(zhì)量是不守恒的”。原來學生是“先測燒杯與NaOH溶液的質(zhì)量，再測燒杯與CuSO4溶液的質(zhì)量，把NaOH溶液倒入盛有CuSO4溶液的燒杯后，再測空燒杯的質(zhì)量”，通過計算得出“質(zhì)量不守恒”。因為測量次數(shù)過多，及小部分NaOH溶液殘留在原燒杯中，造成數(shù)據(jù)誤差偏大——獲取證據(jù)方法正確，測量過程沒有從減少質(zhì)量測量次數(shù)上思考。

因為大多數(shù)學生的實驗結(jié)果符合教師預設(shè)，教師的智慧平息了生成的浪花，進一步討論“產(chǎn)生氣體的反應(yīng)”“白磷燃燒”等實驗設(shè)計，以獲取更多支持或不支持假設(shè)的證據(jù)。這種教學設(shè)計是與八年級下“變量控制、設(shè)計實驗”的科學探究要求相適應(yīng)的，在證據(jù)獲得上，側(cè)重于“把氣體抓回來測量”或“把空氣中參加反應(yīng)的O2密封起來”的變量控制與實驗設(shè)計，即建立一個與周圍隔絕的體系。教師運用“以活動為基礎(chǔ)”的策略，借助活動化的精準助學，指向技能進階。從模仿教材到獨立設(shè)計，再到有限遷移，對吸收或放出氣體實施變量控制，涉及變量可知可測、儀器使用、表格使用、數(shù)據(jù)記錄等學習過程，教師全程助學，對實驗技能相對較弱的學生，還允許用“畫圖”的方法來呈現(xiàn)。

3.3 ?據(jù)理解釋能力的進階策略——以知識為根本

在許多課堂上，解釋環(huán)節(jié)就用簡單的對話來完成： 第三組同學，匯報下，你們的結(jié)論是什么。請來回答的組，都是教師巡視過程中默選的典型，幾組匯報后，得出教材中的結(jié)論：“許多相似的實驗和研究表明： 在化學反應(yīng)中，參加化學反應(yīng)的各物質(zhì)的質(zhì)量總和等于反應(yīng)后生成的各物質(zhì)的質(zhì)量總和”[10]。

這種簡單化的處理固然受教學時間因素的影響。但“以知識為根本”并不只是得出結(jié)論、記憶結(jié)論。當學生開始相信化學變化中質(zhì)量守恒時，適時運用“以知識為根本”策略，追求核心概念層級，指向知識進階。從知識層面上分析，得出這樣的結(jié)論需要“許多相似的實驗和研究”，需要“討論干擾因素”，剝離“實驗裝置本身質(zhì)量帶來的干擾”，“分析現(xiàn)象和數(shù)據(jù)”，“解釋過程和結(jié)果”，還需要“精確的質(zhì)量測量工具”，然后才是“準確表達結(jié)論”。關(guān)于“解釋”與“評價”的表現(xiàn)，以水平3的“解釋證據(jù)是否充分支持結(jié)論”“處理數(shù)據(jù)”“結(jié)果與解釋的一致性”為要求。同時，設(shè)計一些數(shù)據(jù)化的討論及宏觀、微觀角度的分析，如宏觀原因上分析： 反應(yīng)物質(zhì)量等于生成物質(zhì)量、物質(zhì)種類變了、物質(zhì)狀態(tài)可能變化、元素種類不變、元素質(zhì)量不變;微觀解釋上分析： 原子種類沒變、原子數(shù)目沒變、原子的質(zhì)量不變、原子重新組合、分子變了、分子數(shù)目可能變化等，并在微觀解釋上使用模型，用模型來測量學生對原理與關(guān)系的了解程度。質(zhì)量守恒定律的微觀模型，作為知識進階必要的測量工具，最終為建立“變化與平衡”的科學觀念服務(wù)。

3.4 ?反思評價能力的進階策略——以變式為手段

對學生科學探究的評價，教師常常只表揚成功的，有意無意地忽略了失敗的實驗。在有限的時間與空間內(nèi)，學生的探究大多數(shù)會參照教材設(shè)計，有變式就很不錯了，長期得不到肯定或輕易模仿得來的成功，都容易使學生對探究學習失去毅力?！耙宰兪綖槭侄巍钡牟呗裕枚鄻踊恼鎸嵡榫?，指向毅力進階，一是用好教材變式，二是用好學生的創(chuàng)意變式，三是引入練習變式。

圖2是教材中的實驗設(shè)計[11]，關(guān)于白磷引燃的方式、裝置氣密性、氣球的變化及溫度對質(zhì)量測量的影響，都是很好的反思評價的點。

學生中也常常會有不一樣的創(chuàng)意。比如有學生設(shè)計了如圖3的草圖，它不是用氣球來盛放氣體，而是把產(chǎn)生的CO2通入到澄清石灰水中，測量出整體質(zhì)量不變。教師在關(guān)注學生創(chuàng)新設(shè)計的同時，也應(yīng)該從科學本質(zhì)上分析： 這樣的設(shè)計，得不到某一個反應(yīng)是否質(zhì)量守恒的結(jié)論，只能得出CaCO3與HCl、 CO2與Ca（OH）2兩個反應(yīng)同時發(fā)生時，總體質(zhì)量守恒。

引入練習變式，評價的重點也應(yīng)該圍繞證據(jù)、解釋這兩個探究要點，具體如“過程是否適當”“證據(jù)是否可靠”“材料儀器”“處理數(shù)據(jù)”方法是否合理等。練習的選擇也應(yīng)與八年級學生的進階水平層次相一致，如改編2018年某市的中考題： 稱取0.53g Na2CO3裝入氣球，將氣球套在錐形瓶上，裝置總質(zhì)量66.33g。將藥品全部倒入裝有足量稀HCl的錐形瓶中，氣球迅速脹大，反應(yīng)后裝置總質(zhì)量66.19g。多次實驗發(fā)現(xiàn)： 反應(yīng)前后裝置的總質(zhì)量均不相等（空氣密度取1.3g/L， CO2密度取2.0g/L，結(jié)果精確到0.01）。

他得出結(jié)論： 反應(yīng)前后測量中裝置總質(zhì)量減少，相當于氣球脹大增加浮力造成的，所以該反應(yīng)遵循質(zhì)量守恒定律。

對以上驗證過程，學生在討論中提出了以下一些看法： 過程合理;原理可以;這個好像是電子秤吧（意指工具不可靠，數(shù)據(jù)可信度不高）;氣球會有彈性吧（意指材料會影響CO2的密度）。還有如： 質(zhì)量守恒不是測出來的嗎？怎么是算出來的？而且減少的質(zhì)量與增加的質(zhì)量還不相等，只是相近。即： 測量中裝置總質(zhì)量減少，損失的重力接近于氣球脹大增加的浮力，反應(yīng)前后測量質(zhì)量的減少不能確定就是浮力增大造成的，所以還不能說明該反應(yīng)是否遵循質(zhì)量守恒定律。

3.5 ?運用方法能力的進階策略——以過程為主線

運用“以過程為主線”的策略，側(cè)重持續(xù)探究的互動性，指向情感進階。在本課中，有以科學史為過程主線的優(yōu)勢存在。教學借此分析眾多科學家的情感、毅力之所在，如1756年俄國化學家洛蒙諾索夫把錫放在密閉的容器里煅燒，得出的結(jié)論沒有獲得承認，1777年法國拉瓦錫重復實驗才獲得公認。1908年德國化學家廊道爾特及1912年英國化學家曼萊用更精密的實驗再次驗證。

學生或教師產(chǎn)生的真實情境，都可以成為學生體驗科學方法的過程材料，提高“持續(xù)探究的互動性”。有一次課堂中出現(xiàn)了這樣的情境： 在探究質(zhì)量守恒定律的實驗設(shè)計階段，教師結(jié)合學生的技能水平，有意引導學生選擇與教材相近且操作相對容易的兩個實驗： 分組測CuSO4與NaOH反應(yīng)、白磷燃燒的質(zhì)量變化。CuSO4與NaOH反應(yīng)學生很成功。白磷燃燒裝置，因為考慮到不用氣球緩沖氣壓變化，也能安全地完成實驗，簡約的裝置更容易讓學生聚焦思維，所以，用酒精燈墊石棉網(wǎng)加熱裝置圖4，代替圖2中的反應(yīng)裝置。在加熱過程中，近一半的學生突然站起來，因為他們發(fā)現(xiàn)： 錐形瓶內(nèi)，先出現(xiàn)大量白煙，然后是黃煙、黑煙上下翻滾，持續(xù)時間近一分鐘。

學生“嚇”著了。這種情感體驗，必然使部分學生遠離探究，降低對科學探究的黏性。

事后重做實驗分析，本來可行的設(shè)計，之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象，一是白磷的量近半顆黃豆（半顆綠豆大為好），反應(yīng)時間長、過于劇烈，白煙太多，造成學生擔心瓶子是否會“炸”;二是沙子為學校操場沙坑里的，沒有清洗、也不干燥，水分的蒸發(fā)及雜質(zhì)的燃燒干擾了實驗現(xiàn)象，白、黑、黃三色的混合，超過了學生對實驗現(xiàn)象的預期，且“三色”帶給學生直覺的情感體驗就是“可怕”。我們常常對學生說： 要控制變量、控制變量，而恰恰忘了，沙子在這里也成了一個變量。教師事后向?qū)W生分享課后再探究的過程，在一定程度上彌補本次教學在情感設(shè)計方面的不足。

學習進階操作體系從學生學習效度與教師應(yīng)用上，給科學探究教學帶來新的思考。教學設(shè)計走近“會學、學會”的特征，使學習進階有了追求核心素養(yǎng)的可行性;從終點到起點逆推的進階水平層次分析特征，使教師的教學新設(shè)計有跡可循，操作上更具實用性;進階設(shè)計技巧關(guān)注問題、活動、互動、情境、多樣化等特征，使階的設(shè)計和使用有很強的包容性;教學策略有驅(qū)動性問題的設(shè)計、活動化的精準助學、追求核心概念層級、多樣化的真實情境、持續(xù)探究的互動性等特征，使“階”的優(yōu)化有了指向性;進階維度與水平層次的確定、測量工具的設(shè)計與使用，使學習目標的測評更有針對性。

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