摘 要：整合與發(fā)展是當今科學教育改革的核心理念.整合學習進階是對學生思維方式、認知過程和能力發(fā)展的整合式描述，其與學生核心素養(yǎng)的發(fā)展相融共生.本文以“大氣壓強”為例，基于整合學習進階的相關理論，嘗試構建整合科學概念與科學解釋的學習進階分析框架，并以此設計教學活動，從而將相關理論研究轉化為實踐成果.

關鍵詞：整合學習進階;科學概念;科學解釋;大氣壓強

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）20-0043-04

作者簡介：吳弟斌（1982-），男，重慶巫溪人，本科，中學一級教師，研究方向：單元教學設計、學習進階.

當今教育變革的主題是促進學生核心素養(yǎng)的發(fā)展[1]，并引領課堂教學更加關注學生知識、能力、態(tài)度和價值觀的整合發(fā)展，整合學習進階正是在此背景下應運而生的教學設計模型.利用其對學生思維方式、認知過程和能力發(fā)展的整合式描述，為初中物理概念教學的設計提供重要的分析框架.本文以“大氣壓強”為例，嘗試將科學概念與科學解釋的學習進行進階整合，并以此為框架進行教學活動設計，從而使得教學設計更加科學化、精細化，也更加貼近學生的認知特點.

1 整合學習進階的理論進展

1.1 概念的提出

學習進階是在2004年美國基礎教育階段科學學業(yè)成就評價委員會向美國國家研究理事會提交的報告中第一次被正式提出，并成為美國《新一代科學教育標準》的核心編寫依據.我國北京師范大學郭玉英教授所帶領的研究團隊先后構建科學概念、科學解釋和科學論證的學習進階發(fā)展層級模型，并在此基礎上提出整合學習進階的認知模型[2].學生真實的學習過程是復雜的，學生核心素養(yǎng)的發(fā)展也是多個因素交互作用的結果[3]，所以，整合學習進階更加貼近教學一線，也更加精確地描述學生的思維方式與科學素養(yǎng)的發(fā)展.

1.2 整合的變量與維度

在整合學習進階的理論研究與發(fā)展過程中，北京師范大學郭玉英物理研究團隊在科學概念發(fā)展層級模型（經驗、映射、關聯(lián)、系統(tǒng)、整合）的基礎之上，以不同的變量與維度建立了多個整合學習進階模型.如張靜博士以心智模型與建模教學為變量，提出“基于心智模型進階的導引式建模教學模式”[4];姚建欣博士將核心觀念和關鍵能力的進階發(fā)展進行融合，提出整合學習進階認知模型，并對“能量”主題進行教學實證研究[5];弭樂老師以科學概念層級進階為主線，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(xié)同發(fā)展[6].

1.3 研究愿景

整合學習進階研究的最終目的是描繪學生思維發(fā)展的清晰圖景，從而有助于教師選擇最恰當的教學方式[7].當前的研究表現出顆粒度較大，主要用于課程開發(fā)、學習測評和教師培訓，而要使整合學習進階能走進教學一線，就需要開發(fā)顆粒度更?。ㄟm用于一節(jié)課或幾節(jié)課）的進階模型.只有學習進階領域專家與一線教師建立廣泛的合作，貢獻各自的智慧，才能使整合學習進階研究真正地促進教學實踐.

2 整合科學概念與科學解釋的學習進階分析框架

科學的實質就是為自然現象提供解釋.科學概念是對事實、經驗、實驗現象等運用科學方法進行抽象與概括的結果，學生科學概念的形成和運用科學概念解釋更多現象的過程都離不開科學解釋，其關系如圖1所示.在教學中，科學概念的學習過程同時也是科學解釋能力的提升過程，所以教師有必要整合科學概念與科學解釋的學習進階，從而更好地刻畫學生的思維過程，促進學生能力的提高.

人教版“大氣壓強”的學習安排在學生學習壓強和液體壓強之后，是對“壓強”概念的進一步拓展和深化.義務教育物理課程標準對本節(jié)的要求是：知道大氣壓強及其與人類生活的關系.筆者通過分析發(fā)現，本節(jié)內容在學生了解大氣壓強的存在及其大小之外，還要利用大氣壓強的知識解釋有關生活現象與關于大氣壓強應用的實例，而且學生也需從生活現象和相關實驗現象的嘗試分析、推理等過程中形成科學解釋，從而建構關于大氣壓強的理解.可見，本節(jié)內容主要包含科學概念的建構和科學解釋能力的提升兩個方面，因此，本文從科學概念與科學解釋的角度進行進階分析，并整合相應的分析框架，見表1.在此框架中，關于大氣壓強概念的學習進階在已有經驗和知識的基礎上，結合學生的認知規(guī)律，按照“大氣壓強的存在、大小、變化、應用”四個方面依次進階，體現邏輯遞進關系;在科學解釋方面，從不能給出解釋到能用對應的單一知識給予解釋，到用對應的單一知識和研究方法給予解釋，到用微觀的模型嘗試解釋，再到綜合調用不同的知識進行解釋，解釋的復雜度和抽象程度逐漸提高;每個層級的科學解釋要求與同級的科學概念層級要求相對應，體現科學概念學習和科學解釋能力提升的同步發(fā)展，并為接下來的教學活動設計提供分析路徑.

3 基于整合學習進階分析框架的教學活動設計

3.1 通過對比實驗，統(tǒng)一進階起點，引入新課學習

課前布置：讓學生在家里利用生活物品制作與大氣壓強有關的實驗，并錄制實驗視頻.

對比實驗：播放學生用嘴將盆中的水吸入去底的飲料瓶中的課前實驗，學生認為水進入飲料瓶是由于嘴產生的吸力;然后再拿出一個裝有飲料的瓶子，瓶蓋處插有吸管，并將瓶蓋與瓶身結合處以及與吸管結合處密封（播放制作視頻，展示吸管無異常），學生無法將飲料吸上來.

引導討論：學生發(fā)現無法用“吸力”解釋第二個實驗，就會調動已有知識進行猜測：瓶口密封，使得瓶內沒有與外界相通的空氣.空氣和液體一樣具有流動性，可能也會向各個方向產生壓強，引出課題.

設計意圖：課前實驗增加學生的感性認識，并為課堂學習提供真實素材.通過實驗一誘發(fā)學生對生活中吸飲料的前概念認識，再通過對比強烈的實驗二激疑生趣，引發(fā)學生認知沖突.在引導討論中聚焦問題，統(tǒng)一進階起點，從而進入新課學習.

3.2 設計實驗，證明大氣壓強的存在，并解釋實驗現象

演示實驗：教師拿出曾經演示液體壓強的玻璃圓筒，裝滿紅色的水，用紙片蓋住后倒置，并向不同方向傾斜，紙片和水均沒有掉落（如圖2所示）.引導學生分析原因，有同學認為是大氣對紙片有壓強的原因，也有同學懷疑是紙片被水粘住.接著，老師將其中一個橡皮帽拔開，水和紙片瞬間掉落，說明紙片并非被水粘住，而是周圍空氣對其有壓強.

自主實驗：學生自選帶掛鉤的塑料吸盤、玻璃板和塑料針筒等器材，設計實驗證明大氣壓強的存在.

實驗解釋：（1）展示學生的自主實驗，并解釋如何證明大氣壓強的存在.

（2）解釋引入新課的實驗，即為什么瓶口密封后，我們無法將飲料吸上來？

（3）學生舉例說明生活中還有哪些現象能說明大氣壓強的存在.

設計意圖：學生對大氣壓強存在的認識和建構一個完整的科學解釋是一個循序漸進的過程.在教學中，教師首先通過演示實驗，引導學生觀察、思考、討論，用有力的證據排除學生心中的疑惑，確定大氣壓強的存在;再通過學生自主設計實驗和對實驗現象作出解釋的過程進一步理解如何將現象與結論統(tǒng)一起來;最后通過對引入新課實驗和生活實例的解釋，讓學生摒棄原有的錯誤認識，能用大氣壓強的存在解釋說明相關實例，從而達成能用對應知識提供解釋的階一目標.

3.3 學史引入，分析設計，測定大氣壓強的大小

學史引入：17世紀中葉，意大利物理學家伽利略聽到一個奇特的事實：一臺抽水機最多只能把水抽到10米高，無論怎樣改進抽水機，也不能把水抽得更高.引導學生討論對這個問題的看法.

學生解釋：抽水機抽水的實質是大氣壓強將水壓上去，此現象說明大氣壓強只能支撐10米高的水柱，可見大氣壓強的大小大約相當于10米高的水柱產生的液體壓強大小.

分析設計：引導學生設計測定大氣壓強大小的方法.學生想到可以找一段超過10米的玻璃管，將里面裝滿水，然后倒立放置在水面上，通過測量大氣壓強能托住的水柱高度，就可以用p=ρgh計算出大氣壓強的大小.教師引導學生分析方案的可行性，可以怎樣改進？在教師的引導下，學生想到可以用密度大的液體，能支撐的液柱高度就會降低，水銀的密度最大，所以可以用水銀進行實驗.

設計意圖：通過物理學史引入，將學生帶回問題的原點，使學習更具探索性;學生在尋求解釋的過程中，明確測量大氣壓強的方法，理解其中涉及的轉換思想，使其達到能用對應的知識和物理研究方法建立解釋的階二目標;最后在對方案的可行性分析和方案改進中培養(yǎng)學生的批判性思維與問題解決能力.整個過程循序漸進，合理順暢地引入托里拆利實驗，使學生對大氣壓強的測量知其然，更知其所以然.

3.4 類比實驗，建立微觀模型，解釋大氣壓強的變化

演示實驗：為了說明大氣壓強的產生原因，幫助學生建立氣體分子運動的微觀模型，利用透明塑料桶、乒乓球、電吹風進行模擬氣體分子運動的演示實驗.通過在塑料桶內放入數量不等的乒乓球來模擬在不同位置空氣的密度不同，通過改變電吹風的的風速來模擬不同溫度下的空氣分子運動情況，乒乓球對桶壁撞擊產生的平均壓強模擬大氣壓強的產生過程，從而使學生建立微觀的分子運動模型，理解氣體壓強的大小與氣體密度和溫度有關，為解釋大氣壓強隨海拔高度的變化提供認知基礎.

學生解釋：呈現大氣壓和空氣密度隨海拔高度變化的圖片（如圖3所示），引導學生解釋其變化關系;呈現我國青藏高原邊防戰(zhàn)士生活的圖片和視頻，引導學生分析他們會遇到哪些困難，如何克服這些困難.

設計意圖：通過乒乓球的模擬實驗，借助類比思維，幫助學生建立氣體分子運動的模型，從而對氣體壓強的產生建立科學的認識，并以此為基礎解釋大氣壓強隨海拔高度的變化，使學生學習順利進階到階三水平.通過對邊防戰(zhàn)士所處環(huán)境和困難的分析，使學生理解邊防戰(zhàn)士的偉大，產生強烈的愛國情懷，并胸懷用科學知識服務祖國的志向.

3.5 回歸生活，聯(lián)系實際，解釋大氣壓強應用的相關實例

演示實驗：利用自制的透明飲水機模型（如圖4所示）演示其工作過程，學生觀察.

學生解釋：（1）解釋飲水機工作時水流動的過程;

（2）解釋學生課前實驗：會吸水的杯子.

課后拓展：下列任務三選一，可以小組合作完成.

（1）有些水杯上設計一個通氣孔，請解釋這個孔有什么作用？

（2）輸液管的側面有一個通氣管，這個管有什么作用？先進行猜測與理論分析，然后設計實驗驗證.

（3）國家推進“鄉(xiāng)村振興”戰(zhàn)略，一位農民伯伯想開辦一個養(yǎng)雞場，請你幫他設計制作一個小雞自動喂水器.

設計意圖：通過不同情境運用概念建立解釋的過程，起到“活化”理解概念的作用;在建立解釋的過程中調用到不同知識，以提升學生的綜合分析能力，也使學生科學概念理解和科學解釋能力發(fā)展到階四水平.通過拓展任務將學習延伸到課外，任務的設計充分考慮學生的個性化學習需求，同時還突出學以致用的特點.

4 結束語

整合學習進階從不同的變量與維度，對學生思維的發(fā)展過程進行精確描述，將學習內容與認知過程進行橫向與縱向整合，從而促進學生能力的提升與素養(yǎng)的發(fā)展.在“素養(yǎng)本位”的教育當代，切實需要教師更新教學觀念、轉變教學方式、優(yōu)化教學方法，整合學習進階正是連接教、學、研同步發(fā)展的有效支架，是實現學生高品質學習的有力保障，也應成為一線教師教學研究的重要領域.

參考文獻：

[1]林崇德.21世紀學生發(fā)展核心素養(yǎng)研究[M].北京：北京師范大學出版社，2016.

[2]姚建欣，郭玉英.學習進階：素養(yǎng)的凝練與范式的演變[J].教育科學，2018，34（04）：30-35.

[3]郭玉英，姚建欣.基于核心素養(yǎng)學習進階的科學教學設計[J].課程·教材·教法，2016，36（11）：64-70.

[4]張靜，郭玉英.從模型進階到思維發(fā)展：物理建模教學設計與實踐[J].課程·教材·教法，2020，40（02）：113-118.

[5]姚建欣，郭玉英，克努特·諾依曼.科學解釋能力培養(yǎng)模式的教育反思與哲學分析[J].自然辯證法研究，2017，33（01）：93-99.

[6]弭樂，郭玉英.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[J].物理教師，2021，42（01）：2-7+11.

[7]Alicia C.Alonzo，翟小銘.學習進階：描述學生思維發(fā)展的有效方式[J].物理教師，2015，36（11）：73-76.

（收稿日期：2021-06-22）