郭玉英-围绕大概念学习进阶促进学生发展

水平3B：用“力”来解释能量，认为能量是力的 作用效果的体现。 水平3A：认为能量是物体做功的量度；因为有了 能量，物体才会具有各种形式的运动。 水平4：能量不会消失，只会相互转化，可以用 机械能守恒定律来判断系统内物体的运动能否发 生。 水平5：系统内的能量有流入和流出的变化，但 能量的总量是守恒的；能量的转化具有方向性； 能量的守恒定律和转化的方向性规律能够作为判 别事件能否发生的依据
理解再加上适当的仪器，让我们能利用波，特 别是将电磁波化为声波，来对自然进行各种规
模的、远远超过我们直接感知的探测。
一级主题 二级主题 1.物质 1.1 物质的形态和变化 1.2 物质的属性 1.3 物质的结构与物体的尺度 1.4 新材料及其应用 2.运动和相 2.1 多种多样的运动形式 2.2 机械运动和力 互作用 2.3 声和光 2.4 电和磁 3.能量 3.1 能量、能量的转化和转移 3.2 机械能 3.3 内能 3.4 电磁能 3.5 能量守恒 3.6 能源与可持续发展
费曼说： 完全不是这样，父亲教了我 很多。 注意： 费曼的父亲教了他什么？是 如何教他的？
父亲说：看那只鸟！它的名字叫斯宾赛鸣 鸟（我知道父亲其实并不知道这只鸟的正 确名字）。 父亲又说：在意大利它叫XXX；在中国它 叫XXX；在日本它叫XXX；你可以知道用 世界上不同的语言如何称呼这种鸟。但是， 学完了这些，你实际上根本不了解这种鸟， 你只知道世界上居住在不同地方的人对这 种鸟有不同的称呼。
所以，让我们来仔细观察这只鸟，看看它 在做什么？（观察事物）那是我们应该考 虑的。 （我很小就知道，知道某个物体的名字和 知道某个物体之间的差别） 父亲说：比如说，看吧，这只鸟不停地在 啄它的羽毛，它是不是一边走，一边在啄 它的羽毛？ （观察什么？怎样观察？）
费曼：是！ 父亲：鸟为什么要啄它们的羽毛？ （提出问题） 费曼：可能是它们飞行时把羽毛弄乱 了，它们啄羽毛，以便把它们的羽毛 理顺。 （做出假设）

相互作用、稳定性和变化：由相互作用产生的力 构成一切物质结构和转变的基础，这些力的平衡 或不平衡性决定了稳定性和系统内部的变化。
能量及其转变：系统内部和系统之间的能量转
换永远不会改变能的总量，但能量往往会耗散； 系统所得的能量决定了任何过程会发生什么。
波作为能量和信息携带者：我们对波的性能的
少数关键概念，如美国新《框架》确定了13个
核心概念：物质科学4个，生命科学4个，地球
与空间科学3个，工程、技术和科学的应用2个。
学科核心概念由若干重要概念构成，其中包括
重要概念、原理、理论等的基本理解和解释， 这些内容能够展现当代学科图景，是学科结构
的主干部分。

物质的结构和特性：物质的宏观状态和特征性质 取决于物质的类型、组合和以分子、原子为单位 的粒子的运动。
有些科学教科书上要求学生观察的内容常常没 有明确的目的，似乎越细越好。要观察植物， 大多是估计树有多高、多粗、什么形状；观察 叶子的颜色、形状、大小等。要观察纸，就要 求学生比较纸的厚薄、颜色、吸水性，再拉一 拉，看结实不结实。各人看各人的，越细越好， 看完了，各人有各人的标准和感受。天底下不 同种类的树和树叶多的是；纸也各式各样、千 奇百怪，我们课堂上能看到的只是“沧海一 粟”。这样的观察结束以后，学生记住了有不 同的叶子，有不同的纸，还有什么？
“模式”“因果关系：机制与解释”“尺度、
比例和数量”“系统和系统模型”“能量与物
质”“结构与功能”“变化、连续性和稳定”。
我国《初中科学课程标准》在课程目标中提出
“逐步加深对下列自然科学中统一的概念与原 理的理解：物质、运动与相互作用，能量，信
息，系统、结构与功能，演化，平衡，守恒。” 学Leabharlann 核心概念是组织整合某个学科自身内容的
案例启示： 学科教学要促进学生核心概念 和能力的共同发展。
科学教育不应该传授给孩子 支离破碎、脱离生活的抽象理 论和事实，而是应当慎重选择 一些重要的科学观念，用恰当、 生动的方法，帮助孩子们建立 一个完整的对世界的理解。 ---周光召
大概念与学习进阶
中学物理教材中的大概念进阶分析
中学生概念发展现状和问题
父亲又说：好吧，如果是这样，那么它 们只需要在飞过以后啄一会儿，当它们 落地一段时间以后，就不应该再啄它们 的羽毛了。 （根据假设进行推理）
你知道我问你这个问题的目的吗？ （引导深层次思维）
父亲说：让我们仔细观察一下，它们是在刚刚 落下时啄得最多吗？实际上要看清楚这一点， 并不困难，比较一下那些刚刚落下的鸟和已经 在地上走来走去的鸟，它们在啄羽毛上看不出 差别。 （通过观察检验假设） 我说：我放弃我的想法，那些鸟啄它们的羽毛， 并不是为了整理羽毛。 （得出结论）

共通概念是涉及科学、数学和技术等各个领域的最 基本的概念，这些概念超越了学科界限，反映出不
同学科的内在统一性，并且相对稳定，对于各种文
化观念都普遍适用。

美国大学理事会认为，共通概念“不仅对科学学习
意义深远，而且还影响着数学、技术和工程等的学 习”，有助于学生建立对所有学科的整体认识。
美国新《框架》中提出了7个共通概念，分别是
A 7 6.82%
B 48.48%
C 23.11%
D 20.45%
8
9 10 11
3.83%
2.85% 1.17% 3.52%
34.10%
25.62% 13.62% 11.01%
32.95%
40.21% 70.43% 69.60%
26.05%
28.11% 10.89% 11.01%
初中约有 20% 的学生将能量看作物体做 功所产生的结果，利用“机械推理”的方式 来解释能量的各种问题（水平3A）；几乎没 有学生基于“系统”来认知能量（水平 4 及 以上）。而课标和教材要求学生需要认识到 能量守恒的存在，能够有意识地用能量守恒 的观点来分析和解决问题（水平 4 ），测试 结果显示初中阶段的教学尚未达成这些目标。





“能量”是我们在物理学习和生活中都经常使用 的一个词，你对“能量”有怎么样的认识呢？请 用一两句话写出你所认为的“能量”是什么。 评分标准（水平划分依据） 水平2： 1）无法区分能量与力，将能量当作物体运动的 原因； 2）不能区分能量与物质； 3）将能源和能量相混淆，如污染、不可再生等。
分为两种类型：
（1）同一阶段不同概念间的进阶 （2）不同阶段相同概念的进阶
概念进阶是进一步展开学习进阶研究的基础。
“力和运动”核心概念进阶图（初步）
---以北师大京版教材为例
运动概念的发展： 机械运动 热运动

电磁运动
• 第1章介绍了机械运动的多种形式，如直线运动、 曲线运动、匀速直线运动、变速直线运动、振动、 波动等，使学生初步建立运动的概念 • 第7章研究分子的热运动 • 从第8章光现象开始讨论电磁运动
• 实物物质宏观
微观
场
• 第2章讨论物体和物质的属性——质量和密度，联 系学生的生活经验，初步建立物质的概念 • 第4章压强与浮力和物质的性质有关，是对密度概 念的深化 • 第7章在认识物质热性质的基础上，建立物质结构 的微观模型，从微观角度拓展对物质属性和结构的 认识 • 第8章研究光的性质 • 第9章研究物质的电性质 • 第12章研究磁场的性质






运动概念的发展： 机械运动 热运动 电磁运动 研究对象的变化： 宏观物体 大量分子的集合体 电磁场 模型的变化： 质点或刚体模型 微观结构模型 光线模型 电路模型 场模 型
• 相互作用概念的发展： • 直接相互作用 场相互作用
• 第3章运动和力首先讨论物体间的相互作用——力， 将机械运动和力联系起来，引入了运动和相互作 用的概念 • 第4章压强与浮力是对力的深入认识 • 第5章简单机械是力的应用和进一步发展 • 第9章引入电荷的相互作用——场 • 第12章引入磁场，讨论电磁相互作用
水平3A：基于功和能的关系，利用“机械推理”认知能量
能量为因果
水平3B：基于力以及力和运动的关系，利用“机械推理”认知能量 水平2： 基于日常经验中的“原理”，利用“简单因果推理”认知能量
用“因果推理”认知能量
用“系统”概念认知能量
推理方式描述学生思考“能量”问题时所倾向使用的思维模式（和 思维角度）；原理除包含具体的知识外，更强调对“能量”概念的 功能的上位认识。框架包含 5 个认知水平，但均可归入变量的两个 层次。这样的划分方式能够清晰地显示出学生认知发展所需克服的 障碍以及难度如何，有助于指导后续的教学研究。
大概念是将众多的科学知识联为一致整体 的科学学习的核心，能作为理解或探究更复 杂概念的关键工具，与生活实际和重大社会 议题相关，在整个学习过程中都具有可教性 与可学性。 对于促进学生科学素养的发展具有重要价 值。
基本概念 规律 大概念
美国新框架学习进阶图示（2012） 美国新框架中共通概念、学科核心概念、 实践的关系及发展图示（2012）
美国《新一代科学教育标准》物质科
学修订组的组长科瑞柴克（Krajcik） 指出学习进阶有四项必备要素： （1）大概念及对大概念的析解； （2）界定清晰的各进阶层级； （3）检验学生所处水平的测评工具； （4）促进学生发展的教学干预手段。
能量为判据
水平5：基于“系统”，利用能量守恒和转化（移）具有方向性认知能量 水平4：基于“系统”，利用机械能守恒定律认知能量
费曼说，我现在知道，在那些鸟的脚上， 可能存在的并不一定是虱子，在虱子的腿 上也不一定有更小的生物，父亲告诉我的， 也许在细节上并不准确，但是他却教给我 根本上正确的东西。
美国科学院Alberts院长引证了这段故 事以后写道，我们每个人不可能都有像 费曼那样的父亲，培养我们孩子的责任， 就应该落在学校的身上。 费曼的父亲要他观察的内容，围绕着建 立一个核心概念—哪里有食物存在，就 一定会存在以它作为食物的，有生命的 生物。
学生在推理方式和能量原理方面的理解缺失 直接影响了对能量的认知表现。 教学中存在的问题：忽视“系统”概念的重 要作用，不重视引导学生从目的和功能等更 上位的层面理解能量的概念。如为什么要学 习能量？能量及能量原理（与力和牛顿定律 相比）是用来回答哪些问题的？
• 概念进阶：对某一核心概念的连续且有层 级的发展路径的描述。
基于概念学习进阶的教学设计
物质 物质的形态及变化 物态变化
汽化
沸腾 沸点
2005年，美国科学促进会(AAAS)提出大
概念是“能将众多的科学知识联为一致 整体的科学学习的核心”。
大概念包括共通概念和学科核心概念：
共通概念侧重于跨学科内容的组织，而 核心概念多用来整合某一学科内的知识。
北京师范大学物理系 郭玉英 yyguo@
案例1 美国科学家费曼的经历
原文出自《Science》杂志的主编， Alberts博士写的一篇有关小学科 学教育的文章，转引自韦钰院士 的博客
诺贝尔物理学奖获得者美国科学家 费曼（Feynman，1918－1988）在回忆 他父亲对他的培养时，曾经说到这样 一个故事： 有一次一个孩子问我：看见那只鸟 了吗？你知道它是什么鸟吗？ 我回答：我一点都不知道。 他说：那是一只褐色的、会发喉音 的画眉，你父亲什么也没教你吗？
父亲说：因为有虱子在咬它，虱子在 吃羽毛上沾着的蛋白的屑屑。虱子的 腿上常常有一些柔软的物质，更小的 生物会吃它，这些小生物不能完全消 化这些物质，就会排泄一些和糖类似 的物质，细菌就会在其中生长。 （做出解释）
最后，父亲说：你要知道，哪里有食物存 在，就一定会存在以它为食物而生存的， 有生命的生物。（核心概念）
什么是学习进阶？ 为什么要研究学习进阶？
学习进阶是国外科学教育研究领域在数十年 来的概念研究成果基础上提出来的 学习进阶的起点是学生的前认知，终点是期 望达到的教学目标，描述从起点到终点的中 间发展阶段 关于学习进阶的研究是科学课程设计和教学 设计的重要依据

美国国家研究理事会（NRC）对学习进阶给出 的定义如下：“学习进阶是对学生连贯且逐渐 深入的思维方式的描述。在较大时间跨度内 （如6~8年），学生学习和研究某一主题时， 这些思维方式依次进阶。”