——初中物理教学关键问题的理论基础与实践引领

迎接21世纪人才竞争的挑战，促进学生核心素养的发展，是当代课程改革和教学改进的中心任务…。在科学教育领域，国内外学者围绕科学核心素养，提出“整合发展”的课程理念进行课程改革，力图通过围绕大概念的整合规划和基于学习进阶的发展设计来系统绘制学生科学素养的发展蓝图。课程改革需要关注核心素养，教学改进需要聚焦关键问题。以此为大背景，在总课题组的协同下，研究团队从理论和实践双向切入，提出并研究解决初中物理教学中的关键问题，期待以教师专业发展促进学生核心素养的发展。

一、教学关键问题的改革引领

开展初中物理教学关键问题的研究之时，正是对21世纪学生发展核心素养(corecompetencies)的讨论如火如荼之际。核心素养是学生在接受相应学段的教育过程中，逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格与关键能力，是学生知识、技能、情感、态度和价值观等多方面发展的结晶。核心素养需要以具体的学科课程为载体，通过有设计的教学活动来发展。在基础教育阶段的物理课程中，上述期望具体体现为学生物理核心素养的发展。物理核心素养是科学素养的关键成分，是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展所需的必备品格和关键能力。物理核心素养从物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等方面提炼物理学科的育人价值，发挥物理学科对提高学生核心素养的独特作用，是学生通过物理学习逐渐形成和内化的带有物理学科特性的品质和能力。其中，“物理观念”是从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识，是物理概念和规律等在头脑中的提炼和升华，是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础。“科学思维”是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，是基于经验事实建构理想模型的抽象概括过程，是分析综合、推理论证等方法的内化，是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判，进而提出创造性见解的能力与品质。

物理核心素养的几个方面是相互联系的，其形成和发展是一个长期的、渐进的过程。初中物理课程是学生系统学习物理的起始阶段，也是学生发展物理核心素养的奠基阶段。虽然物理核心素养的界定在本次高中物理课程标准修订中才明确提出，但其本质特征在物理教育领域已有大量研究和实践支撑，并已体现在课程标准之中。《义务教育物理课程标准( 2011年版)》（以下简称《课程标准》）在课程内容中突出科学探究，用“物质”“运动与相互作用”“能量”三个一级主题统整课程内容，体现了物理观念的统领作用，通过三维课程目标体现了物理核心素养的重要方面。研究团队以发展学生物理核心素养为指引，以《课程标准》为依据，从一线教师在物理课程改革中遇到的突出困难入手，提炼初中物理教学的关键问题，并从引领物理教学实践的角度将其整合为“概念规律教学”“实验实践教学”“科学探究教学”和“综合教学策略”四个模块。第一模块“概念规律教学”从认知理论、科学方法、物理学史等不同视角分析物理概念和规律的教学过程，在解决物理观念的建构问题的同时，促进学生科学思维的发展。对科学思维的发展还有机融合在第三模块“科学探究教学”中，此模块对科学探究的几个核心要素的教学进行了详细探讨，并和第二模块“实验实践教学”一起，深入解读了最体现物理学科特色的实验和实践活动。在第四模块“综合教学策略”中，既涉及了科学思维、科学态度与责任等的培养，又从多方面对物理教学的有效性进行了分析研讨，使核心素养的培养真正落实在课堂上。

下面以“科学探究教学”模块为例具体说明。科学探究是物理核心素养的要素之一。《课程标准》在课程理念中提出注重科学探究，在课程目标和内容中对探究过程和探究能力均提出了明确要求。这对物理教师实施新课程的教学实践是一个重大挑战。科学探究要求培养学生提出物理问题、形成猜想假设、设计实验与制订计划、进行实验与收集证据、分析与论证，以及对实验探究过程和结果进行评估、交流与合作的能力。以探究过程为基本模式的探究教学也成为课程改革倡导的教学方式，实践证明这些都是许多物理教师在教学设计和实施中的困难所在。因此，“科学探究教学”构成了教学关键问题中的一个重要模块，如何在教学实践中落实《课程标准》中对每一项科学探究能力要素的要求构成了一系列教学关键问题。研究团队基于探究学习理论和策略对这些问题逐一进行解析，并开展实践研究，以促进学生科学探究能力的发展。

科学探究始于问题。此处以其中的“问题提出”为例，说明教学关键问题的分析和解决过程。首先通过对国内外课程标准和相关研究的系统分析，一方面明确了问题提出作为探究起点的重要意义，另一方面明确了问题提出能力的发展存在的若干水平。问题提出的能力发展始于对给定探究问题的理解。在此基础上，通过对物理现象的观察提出问题，但此水平提出的问题多是针对现象表层的好奇与发问，尚未能实现对内在机制的深入探讨。不过，在此过程中培养出的好奇心与设问能力可以与逐渐理解深化的物理知识和理论相结合，逐渐形成可探究的问题，并做出初步的猜测与假设。以上述能力发展脉络为指引，研究团队提出了“如何创设有效情境，帮助学生发现并提出有研究价值的问题”这一教学关键问题的解决思路：首先，要“改变微环境、让学生敢问”；其次，鼓励学生“基于观察、积极提问”；在此基础上，“革新教法、学问会问”；最终培养学生理论与情境相结合的提问能力和以问题驱动探究的思维习惯。

二、教学关键问题的理论基础

在关注课程标准的要求及正在进行的课程改革方向的同时，教学关键问题的研究和解决还充分吸收了国内外科学教育研究的成果。科学教育研究既引领着科学教学的进步，也丰富了认知和学习的理论。从二十世纪七十年代的“相异构想运动”( AlternativeFramework Movement)．到八九十年代的概念转变(Conceptual Change)研究，再到本世纪倡导的围绕大概念的学习以及方兴未艾的学习进阶(Learning Progression)研究，都不断给予科学教学乃至整个教育学理论引导和实践启示。以概念学习的研究为例。在二十世纪中期，皮亚杰的整体重构说和布鲁纳等对人工概念形成的研究等提出了一系列概念发展的领域普适(domain-general)理论，同时确立了概念学习在认知发展中的关键地位。但当时间推移到20世纪70年代末，对概念学习的研究发生了明显的转向。学者们虽然承认领域普适理论有其合理性，但是心理学界和科学教育领域的学者们认为“领域具体重构”(domain-specific restructuring)更符合对学生的实验观察。正如诺瓦克( Joseph D Novak)所说，认知发展观已经需要从“阶段决定说”过渡到“认知发展取决于具体的概念框架及概念间的整合”。

在此背景下，科学教育研究者运用实例访谈法等探查学生的前概念与迷思概念。1982年，薄斯纳( George J．Posner)等提出了基于领域具体重构的概念转变模型，同时还提出了概念生态( conceptual ecology)的概念，掀起了认知心理学界和科学教育界对概念学习研究的热潮““。基于对薄斯纳理论的批判和发展，碎片观、心智模型和本体论类别等理论为学生在概念学习时的表现提供了更细致准确的解释机制。概念转变研究实质上源于对“丰富”( enrich)学习观的批判：科学概念的学习不是术语的识记和事实的积累，而是心智结构在学习过程中发生深层次的、关键性的变革“21。这也是为什么学者们虽然在“转变”的分类方式和所用术语上不尽相同，但他们不约而同地将研究的重点放在了短期、激进的转变上，“激发认知冲突”成了最流行的概念转变教学策略。对于科学教学实践，概念转变理论反对纯粹基于学科本体、自上而下的科学课程设计和教学设计，强调要将学生作为学习活动的主体，探查学生的概念发展状态作为教学的出发点，以学生的概念转变规律作为教学策略选择的依据。

《初中物理教学关键问题指导》一书的第一模块“概念规律教学”的六个关键问题正是基于上述对概念学习的理论分析。例如其中第一个教学关键问题是“如何让学生经历认知冲突，有效形成概念或建立规律？”在探讨此教学关键问题时，研究小组首先基于对概念转变理论的理解，确立了“认知冲突”作为概念、规律教学的重点教学策略。随后针对教师应用此策略时的难点“准确把握前概念”“创设冲突情境”等分别给予指导。再加入一个个鲜活的、具体的教学案例来帮助教师真正领会、掌握解决此关键问题的核心要点。

研究的另一重要理论基础是学习进阶研究。学习进阶是“对学生在一个时间跨度内学习和探究某一主题时，依次进阶、逐级深化的思维方式的描述”。自提出以来，学习进阶研究在核心概念和关键能力两方面都取得了丰富的成果，并在宏观、微观两个层面得到了应用“。在宏观层面，学习进阶已经成为美国《新一代科学教育标准》( Next Generation Science Standards)的核心编写依据，并衍生出进阶矩阵( Progression Matrix)作为各州和各学区课程开发和教学设计的参考。在微观层面上，美国和我国均有多个课题组基于进阶研究成果开展教学实验研究，例如在美国教育学会( AERA)年会上报告的整合能量理解和科学解释的进阶教学，促进了实验班的科学理解和科学能力的协同发展旧。随着对学习进阶研究的进步和对学习进阶理解的发展，学习进阶已经逐渐摆脱了测评验证的束缚，发展为学习理论和实践智慧的“交换区”，成为课程科学规划的支架和教学系统改进的扶手。在关键问题解决的教学设计中，研究团队用我国教师习惯的术语，渗透式地融入了学习进阶的思想，引领初中物理教师的专业发展方向。不仅融入了核心概念的学习进阶，还尝试对解释能力、建模能力的进阶发展等基于案例来指引教学改进。例如，引导教师关注新旧知识之间的联系，将“认知冲突”看作概念学习进阶的途径，加深对初中甚至是高中物理知识“螺旋式上升”过程的理解，从而在教学中正确认识和把握循序渐进的概念教学，形成系统且科学的教学观。

三、研究关键问题、促进师生发展

以课程改革理念为导向、科学教育理论为指引，针对初中物理课程改革实践中遇到的问题和一线教师专业发展的需要，研究团队共梳理提炼出了25个初中物理教学关键问题。这些问题反映了初中物理教师在落实物理课程理念，运用课程标准所倡导的教学方式，引导学生建构物理核心概念，理解物理核心思想和学科本质，形成良好的思维习惯和发展科学探究能力等过程中存在的疑难问题。这些问题的解决引导教师从关注知识点的教学到关注学生的概念建构和能力发展，直接指向促进学生物理核心素养的发展。

针对每一个教学关键问题，研究团队首先 从理论上进行了深入分析，渗透了现代科学教育理念，对如何解决问题提供了多种方法和策略，每一种方法和策略都给出了典型案例进行示范。所提供的案例不仅凝聚了优秀教师的实践智慧，对广大一线教师具有引领性和示范性，而且选择了一定的学生作品，展示出了教学的实际成效。最后的评述与建议既有对问题解决方法的总结提炼，又突破了案例的局限性，提出了需要深入研究的问题，指出了教师今后努力的方向，为教师自身的专业发展提供了丰富的资源。通过对这些问题开展实践研究和提供解决方案与示范案例，可以广泛提升初中物理教师的专业水平和教学能力，帮助他们解决教学中遇到的实际问题，进而将发展初中学生物理核心素养的目标落实在每一节物理课上。

物理核心素养的提出既是教师的一次发展机遇，同时也对教师提出了更高要求。教学关键问题及其解决方案的研讨是教育研究理论与一线实践智慧在此背景下的一次交流碰撞。在碰撞过程中，学科专家与资深教师通过研讨，力图打通理论与实践之间的藩篱，初步形成了一系列解决方案和示范案例。这些解决方案和示范案例都指向实践，既有普适实践策略的概括，也有具体实践设计的展示。因为围绕学生核心素养发展的教学变革有赖于一线教师对关键问题及其解决方案的理解与实践，其实质是广大教师的教学专业能力在研讨和实践中的进阶发展。这不仅需要课程理念和教育研究的引领、教研活动的带动、骨干教师的示范，以及教育教学各方面资源的整合，更重要的是需要教师在实践中不断探索、不断总结、不断提升、不断创新。我们期望，中学生物理核心素养发展的过程，同时也是中学物理教师专业成长的过程。

(来源：《基础教育课程》2016.10   作者：郭玉英 姚建欣)