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科学教育与儿童科学学习进程,周建中教育部儿童发展与学习科学重点实验室（东南大学）中国科协“做中学”科学教育改革实验项目教学中心（东南大学）江苏汉博教育培训中心2011-09-07 南京,提 纲,学习进程的概念,学习进程的关键特征,学习进程的研究意义,一个学习进程的案例原子-分子理论的学习进程,成熟的科学知识多样而复杂，科学学习依赖于系统的知识建构与评价实践，这些知识和实践与儿童带入学校的概念和意义建构经验是不同的。虽然儿童将丰富的知识与经验带到科学学习任务中，但这些知识与经验仍有待于重构、充实和转化。所以，对教育者而言，科学教育颇具挑战性。挑战之一是分析出在时间和资源都有限的条件下，最需要教的是什么最重要的“核心概念”有哪些？这些核心概念既应当使学生理解科学的价值，又应当为他们未来的科学学习做好准备。另一个挑战是找到在学习的基点和终点之间搭建桥梁的途径这就是学习进程。,学习进程的概念,学习进程的概念,许多学者描述了学习进程的定义：学习进程是一幅纵向的发展路线图，提供对典型技能和知识的学习序列的描述。学生按照这个路线图，在某一领域中逐渐进步。学习进程以论述或者举例的方式，描述儿童在学习过程中对某一概念的逐步完善的理解。学习进程是详细的、依次排列的建构模块，由技能和有效的知识组成。学生必须掌握这些模块，才能向着更远的课程目标前进。学习进程基于多项研究和对概念的分析，描述在一个内容领域中学生应当学习的连续的、逐步深入的推理方式。,学习进程的概念,美国国家研究理事会（National Research Council,NRC）编写的Taking Science to School:Learning and Teaching Science in Grades K-8 一书将学习进程阐述为：儿童逐级深入地学习和研究某个主题的一系列步骤。这些步骤相互衔接，循序渐进，完成所有步骤需要很长时间（例如6-8年）。,学习进程在我国的研究尚未有实质性的进展，在国外的研究也并不详尽。美国国家研究理事会的这一概念得到了大多数学者的认同。,学习进程的关键特征,有科学的依据。围绕核心概念，发展知识体系。着眼于建构知识的实践。关注学生对认知方法的理解。描述学生理解一个主题所需经历的过程，反映科学能力的各个方面及其联系，以及各学习步骤间的联系。提供评测方法，以确认学生在学习进程中达到的水平。十分依赖教师的教学。需要实践的检验。,学习进程的关键特征,特征一：有科学的依据,学生入学时所具有的知识和推理能力,学生应当学习的知识（核心概念）和实践,关于学生学习与发展的研究和教学实践,科学能力的各个方面,了解、使用和阐述对自然界的科学性解释产生、评估科学证据和解释理解科学知识的本质和发展积极参与科学实践和对科学的讨论,学习进程的关键特征,特征一：有科学的依据,科学能力的各个方面,学习进程的关键特征,学习进程应尽可能地反映儿童科学能力的各个方面，并关注各种能力之间的联系。,科学能力的各个方面,特征一：有科学的依据,学习进程的关键特征,核心概念是现代科学的主要理论架构，而不是被当前的一些科学课程看重的系统、交互作用、模型和度量等非常抽象的或各领域通用的概念。人们正逐渐认识到，具体的内容和背景对思考和学习具有重要作用。在确定核心概念的同时，学习进程也应找出一些用于建构核心概念的分解概念，相对于科学理论本身，它们在教育的起始阶段更易被接受，为组织儿童学习新事实、探究和解释提供可靠的知识框架。,特征二：围绕核心概念，发展知识体系,学习进程的关键特征,例如，关于进化论的学习进程包括以下分解概念：（a）生物多样性：地球上存在着不同种类的生物；（b）结构/功能：生物有执行重要生物功能的结构；（c）生态/相互关系：生物占据一个栖息地，并与栖息地中的其他事物相互影响（例如捕食者和被捕食者的关系）；（d）变异：一个物种中的个体的性状会发生变化；（e）生物在不同时间和生态尺度上发生着变化（例如，成长是个体在生命周期中的变化；经过多个世代，种群的特征可能也会发生变化）；（f）地质过程：地球随时间而发生着规律的变化（例如，山的形成、沉积物的分层、火山爆发；化石为地球的历史提供线索）。,特征二：围绕核心概念，发展知识体系,学习进程的关键特征,理解一个概念需要借助许多有助于使用和发展这一概念的实践，让学生在各种实践中实现理解。实践的种类繁多，包括：应用概念提出问题、预测、设计研究方案、描述、分类、识别、测量/比较、解释、收集数据、用各种方式呈现（符号化）概念和数据、推理、评估概念/论证、在新情境中应用关键概念。学习进程应描述学生各个阶段所需的实践。这些实践必须以一定概念为目标。,特征三：着眼于建构知识的实践,学习进程的关键特征,对核心科学概念的理解也包括理解概念的认知方法。即使是幼儿也拥有一些能作为科学学习之基础的初步的认知策略，随着学习的深入，这些策略可以被充实和改进。因此，学习进程的基本概念除了包括具体领域的科学概念外，也包括基本的认知方法。当前的研究发现，儿童具有反映元认知的能力：他们不仅会问自己“我知道什么”或者“我应该做什么”，也会问“我怎样才能知道”“为什么应该这样做”。将重要的基本认知法包含在学习进程内，正是与这样的研究结果相符的。越来越多的证据表明，如果儿童清楚地理解某种做法的意义，将十分有利于灵活和自主地运用这种做法。,特征四：关注学生对认知方法的理解,学习进程的关键特征,与课程标准相比，学习进程是纵向的、连贯的，它强调学习步骤之间的递进关系，而并不需要具体规定各个年级要达到的目标。同时，学习进程应描述科学能力的各个方面之间是如何相互联系和促进的。相反，许多分年级的课程标准则是横向的，它囊括所有的学习领域，将各领域的学习内容“塞进”某个年级中。划分年级并不是学习进程必需的。学习进程的基本功能是描述学生的发展。相同年级的学生可能处于学习进程的不同阶段，但他们的发展经过是一样的。有些学习进程根据对儿童学习的研究划分了年级，这样也许对课标、课程和教学有更好的指导。,特征五：描述学生理解一个主题所需经历的过程，反映科学能力的各方面间的联系、各学习步骤间的联系,学习进程的关键特征,评测是学习进程的一个必需的部分。识别学生达到了进程的哪一个水平，是评测所应发挥的作用。进程的开发者应具体描述一些学习成效的指标，以说明学生的想法、理解和能进行的实践。学习进程中的评价是形成性评价，为了判断学生的水平，以确定下一步的教学内容，而不是为了辨别学生之间的差异。,特征六：提供评测方法，以确认学生在学习进程中达到的水平,学习进程的关键特征,学习进程不是自发往前推进的，需要教师采用进行合适的教学。所以，学习进程的制定者应当说明各阶段的教学策略。,特征七：十分依赖教师的教学,学习进程的关键特征,学习进程制定好之后，它仍有待实践的检验，需要证实大多数学生确实通过预设的途径发展了科学能力。,特征八：需要实践的检验,学习进程的研究意义,学习进程是儿童学习的固有需求,目前的课程标准不能为设计有效的课程序列提供足够的基础,“过程技能”的观念对课程设计产生着负面影响,课程设计和实践中出现了问题,学习进程对课标、课程设计、教学、评价与评测等许多环节都有指导意义和促进作用。,成熟的科学知识和实践与儿童带入学校的概念和意义建构经验不同。儿童已有的知识与经验需要重构、充实和转化。所以，科学教育需要分析最需要教的“核心概念”，需要找到在学习的基点和终点之间搭建桥梁的学习进程。学习终点是复杂而与有悖于直觉的，这样的学习必然需要经历很长时间。然而目前的课程往往不具有这种长期性；面对丰富的科学知识，在什么是真正基础和重要的教学内容上也没有达成明确的共识。,学习进程的研究意义,学习进程是儿童学习的固有需求,目前的标准更多地以编写者的价值观和个人经验为依据，而非基于对儿童学习的研究或对科学知识与实践的细致分析；包含了太多缺乏联系、不分次序的主题，没有指出哪些主题可能是最核心或最重要的；相同主题重复出现，深度不足；仅通过简单的陈述提出关键概念，却没有阐明理解那些概念需要基于对物质世界的哪些探索和推理。国家科学教育标准（National Science Education Standards）或科学素养的基准（Benchmarks for Science Literacy）等标准确实减少了科学主题的数量，但是它们保留的主题仍然偏多，并且没有识别出最核心或最重要的主题。,学习进程的研究意义,目前的课程标准不能为设计有效的课程序列提供足够的基础,目前的标准很少提出跨年级的学习序列；或者没有依据关于儿童理解力发展的研究来安排学习序列，而主要以各学科的知识结构作为分析的基础。我们建议对儿童学习和前概念的研究应当更加深入地指导学习序列。目前的标准未清晰地阐明如何将学生的科学实践与对科学概念的学习结合在一起。科学能力的各个方面是被分别阐述的，所以儿童在一方面的进步如何联系并支持其他方面并未被说明。,学习进程的研究意义,目前的课程标准不能为设计有效的课程序列提供足够的基础,在心理学家加涅关于科学和学习过程的任务分析理论的影响下，20世纪60年代的Science:A Process Approach 课程推荐了一系列“过程技能”（process skills），至今仍影响着科学教育界。这种观念更多地基于理性的任务分析，而非基于有关儿童如何理解科学概念的研究成果；着眼于培养普遍适用于众多对象的过程能力，而不能帮助儿童建构相互联系的科学概念例如，儿童练习观察或测量，却不关心他们观察或测量的是什么。,学习进程的研究意义,“过程技能”的观念对课程设计产生着负面影响,“过程技能”理论对于教师和课程开发者具有吸引力，因为它将复杂的任务分解成简单的元素，归纳出许多按照一定顺序发展且构成科学思维基础的基本过程技能，并且提供了让儿童实践这些技能的具体练习。但是，它忽视了意义、内容和背景的关键作用，并且将科学视作一系列空洞的“技能”，因而这些技能往往成为无意义的程序。“过程技能”理论以一些关于儿童推理和学习能力的错误假设作为基础例如幼儿只能进行具体思维而不能进行抽象思维、儿童只有观察能力而没有解释能力。,学习进程的研究意义,“过程技能”的观念对课程设计产生着负面影响,在这一理论的指导下，小学低年级只关心观察、测量、预测等一小部分科学过程技能，较多的高级技能（例如假设、控制变量、解释数据）仅在小学高年级和中学被引入，其他许多重要的科学理解活动（建模、表征、论述等）则被完全忽视了。当前对科学教育的研究强调了具体领域的知识和推理，建模、表征和论述在促进概念理解中的重要性，以及幼儿所具有的广泛的能力。加涅最初将科学作为一些无内容的过程的想法已经遭到了科学教育者的普遍反对。但是，目前的政策和实践仍患有它所引发的顽固后遗症。许多课本和课程依旧包含有关科学探究、科学过程或科学方法的独立章节。,学习进程的研究意义,“过程技能”的观念对课程设计产生着负面影响,目前的课程缺乏长期性和递进关系。科学知识和实践区别于儿童带入学校的概念和意义建构经验。所以对于儿童来说，科学学习的终点是复杂而与直觉相冲突的，这样的学习必然要经过很长的时间和努力。然而，目前的课程往往并没有这种长期的视角和态度。短暂的、缺乏全面考虑的教学很难帮助学生形成科学的认识论、深入且结构良好的知识储备，以及对于科学的目标和方法的牢固理解。,学习进程的研究意义,课程设计和实践中出现了问题,当前美国K-8年级科学课程的序列几乎不是递进地设置的，也不是从学生已有知识和经验出发、指向科学能力发展的。虽然有一些课程材料试图遵循这种方法，但它们往往仅包含有限的一点内容，它们持续的课时也通常限于几个星期之内。对美国科学课程的分析表明，它们基本上不能实现有效的知识建构。由美国科学促进协会（American Association for the Advancement of Science,AAAS）2061计划工作组领衔开展的评估表明，美国主流商业教材系列的确至少在学习序列方面采取了长期的视角，但它们在内容和对学生前概念的关注等方面存在着严重的缺陷。,学习进程的研究意义,课程设计和实践中出现了问题,目前的课程中的教学内容“宽而浅”，没有围绕大概念系统地展开。教材涵盖太多主题，却没有一个主题开发得足够深。同时，教材中的课堂活动既与学习关键科学概念无关，也不能帮助学生将他们的实践与实践背后的概念联系起来。,学习进程的研究意义,课程设计和实践中出现了问题,一项对美国科学课程与在国际数学和科学学习趋势（the Trends in International Mathematics and Science Study）中科学成绩测试最好的10个国家的课程进行的比较发现，美国的科学课程明显宽而浅，所涉及的主题很多，却几乎没有关注概念之间的联系。“这些课本中的内容的宽度是以牺牲深度为代价的。因此，对于每个主题，美国的教材只能敷衍了事”。教材和教师按照州和地方提供的主题清单上的条目一条一条地、机械地工作很少考虑甚至不考虑建立不同主题之间的联系。这就使学生误以为他们学习的概念是杂乱零散的，而不是在一个完整的学科框架内。,学习进程的研究意义,课程设计和实践中出现了问题,在美国各学区的科学课程中，科学“套件”（science kits）越来越流行。一组“套件”可以满足学生6或8周的学习，有时还能提供连贯且符合逻辑发展的学习活动。虽然套件至少在单元的层面上为科学课程增加了一些连贯性，但基于套件的科学教学模式仍然存在问题：许多时候，学生面对的是模块化单元所提供的一批毫无联系的课题。这些课题基本上可以互换位置且不具有累积性，知识不够的教师很可能会跳过那些太不熟悉的课题。将许多科学知识片段教给学生是远远不够的。将课程作为一种脚手架，帮助学生建构围绕核心概念的、结构化的牢固的知识体系，在学生的科学能力的培养中起着关键的支持作用。,学习进程的研究意义,课程设计和实践中出现了问题,案例：一个原子-分子理论的学习进程,1965年诺贝尔物理奖得主，美国物理学家理查德费曼有一个著名的言论：如果，在某次大灾难里，所有的科学知识都要被毁灭，只有一句话可以留存给新世代的生物，哪句话可以用最少的字包含最多的信息呢？我相信那会是原子假说：构成万物的是原子一种永恒转动的微粒，一旦相距较远就相互吸引，挤在一起时却相互排斥。原子-分子理论是解释力广泛而强大的核心概念。,案例：一个原子-分子理论的学习进程,概念（科学概念、认知方法）结构,案例：一个原子-分子理论的学习进程,概念（科学概念、认知方法）结构,物体是由什么组成的？我们怎样解释它们的性质？物体发生转化时，改变的是什么，不变的是什么？我们如何知道这些？,原子-分子理论可以解释的三个问题,案例：一个原子-分子理论的学习进程,概念（科学概念、认知方法）结构,第一组大概念：1.物体由物质组成，物质表现为各种不同的材料。物体的性质取决于所含物质的多少和组成物体的材料种类，可以进行测量。2.在物理和化学过程中，物质可以被转化，但不可能产生或消失。3.我们可以通过测量、建模和论证认识世界。,与三个问题对应的两组大概念,案例：一个原子-分子理论的学习进程,概念（科学概念、认知方法）结构,第二组大概念，在初中和高中引入：1AM.地球上的所有物质都是由有限种类的原子（目前发现了略超过100种）组成的。原子一般会结合在一起，构成分子或网状结构。每个原子都占据空间，具有质量，并且永不停息地运动。组成物体和材料的原子与分子的性质、排列和运动决定了物体的质量、重量和体积，以及材料的性质。,与三个问题对应的两组大概念,案例：一个原子-分子理论的学习进程,概念（科学概念、认知方法）结构,第二组大概念，在初中和高中引入：2AM.物理和化学变化中质量和重量的守恒是由于既没有新原子产生，也没有旧原子消失。化学变化中产生新物质是由于原子重新排列为新的分子。原子本身并没有变化。在物理变化中，分子改变了排列或运动，但其本身并未变化，所以化学成分保持不变。,与三个问题对应的两组大概念,案例：一个原子-分子理论的学习进程,概念（科学概念、认知方法）结构,第二组大概念，在初中和高中引入：3AM.原子太小了，以至于无法直接使用教室里的工具观察。原子和分子的性质与变化能解释相关的宏观性质和现象。我们通过假设-演绎推理法间接地认识原子和分子的性质。,与三个问题对应的两组大概念,案例：一个原子-分子理论的学习进程,大概念1的学习序列,案例：一个原子-分子理论的学习进程,大概念1的学习序列,案例：一个原子-分子理论的学习进程,大概念1的学习序列,K-2：物体由一定材料组成；材料的种类多样；不同材料可以组成同一种物体。3-5：物体由占据空间和具有重量的物质组成；固体、液体和气体是物质的形式，具有共同的特征；有些物质太小了以至于不可见；有许多不同种类的材料。6-8：物质有质量、体积和重量（在重力场中）；有三种基本物相，固态、液态和气态。材料包括单质、化合物或混合物。1AM.所有物质都是由有限种类的原子组成的。原子一般会结合在一起，构成分子或网状结构。每个原子都占据空间，具有质量，并且永不停息地运动。,案例：一个原子-分子理论的学习进程,大概念1的学习序列,K-2：物体拥有可以被描述、比较和测量的确定的性质重量、长度、面积和体积。（这一年龄段对体积测量的建构是初步的。）3-5：重量和体积都是物体的可测量的性质，是可加量（例如，一个物体的重量是它各部分重量的和）。物体的重量取决于它的体积和组成它的材料。6-8：质量是物质的多少的量度，与所处位置无关；重量是一种力，与质量成比例，随着重力场而变化。固体、液体和气体具有不同的性质。1AM.物体的质量和重量可以用组成它的原子的质量和重量来解释。固体、液体和气体原子的不同运动和相互作用有助于解释它们的不同性质。,案例：一个原子-分子理论的学习进程,大概念1的学习序列,K-2：材料的性质可以被描述和分类。（这一年龄段仅探究颜色、硬度、弹性等容易观察的性质。）3-5：材料的特性与所取材料的大小无关。（将知识扩展到密度、可燃性或传导性等不太容易观察的性质。）6-8：材料的特性与所取材料的大小无关（将知识扩展到沸点/凝固点，完善密度概念）。1AM.材料的性质取决于组成它的分子的性质、排列和运动。,案例：一个原子-分子理论的学习进程,大概念2的学习序列,案例：一个原子-分子理论的学习进程,大概念2的学习序列,K-2：在一些转化过程中（例如变形、破碎），虽然发生了表观变化，但是材料的多少和重量保持不变。3-5：当物质破碎成太小而不可见的碎片时，它仍然存在。在许多转化中，物质的多少和重量是不变的（例如熔化、凝固和溶解）。6-8：质量和重量在化学变化、溶解、物相变化和热扩散过程中是守恒的。2AM.在物理和化学变化中，由于原子并未产生或消失，所以质量和重量是守恒的。,案例：一个原子-分子理论的学习进程,大概念2的学习序列,K-2：物体变形或破碎时，材料种类不变。凝固和熔化改变了材料的一些性质。3-5：加热（或冷却）能将材料从固体变为液体（或相反），但材料种类不变。6-8：一些转化中包含了化学变化（例如燃烧、锈蚀）。在化学变化中，体系的性质发生了改变，这说明化学变化中有新物质生成。在其他变化中（例如物相变化、热扩散），材料也许会发生表观变化，但其成分并不改变。2AM.在化学变化中，原子重新排列为新的分子，就生成了新物质。原子内部并未发生变化。在物理变化中，分子的排列和运动发生了改变，但其内部并未变化，所以化学成分保持不变。,案例：一个原子-分子理论的学习进程,大概念3的学习序列,案例：一个原子-分子理论的学习进程,大概念3的学习序列,K-2：比较也是一种测量。正确的测量反复使用一个固定单位（和不足整个单位的“小数个”单位），完全覆盖待测空间。测量比普通的感觉更可靠。3-5：虽然测量比感觉更可靠，但测量并不绝对精确，总存在一些测量误差。显微镜等工具能延展我们的观察和测量能力。6-8：我们的感觉系统反映综合的物理性质，而不是分别对单独的性质作出反馈。因此，它们并不能很好地测量那些性质。可以检查和量化测量误差的来源。我们能通过间接测量（例如用水测出不规则物体的体积）认识物体的性质，也可以使用特别的工具（显微镜）。3AM.原子太小了，以至于无法用常见的工具直接看到。,案例：一个原子-分子理论的学习进程,大概念3的学习序列,K-2：在分析物体的一些特征时，可以将这些特征的值作为某个单位之和。3-5：图表、可视化模型、简单的代数式或定量的口头描述能够被用于表示变量间的相互联系，根据其他变量对某个变量作出预测。6-8：模型可以提出一种看不见的实体，以解释一组数据。3AM.原子和分子的性质与变化能解释相关的宏观性质和现象。,案例：一个原子-分子理论的学习进程,大概念3的学习序列,K-2：可以通过观察和测量来评估概念。3-5：假设和数据是截然不同的。如果我们的概念与一系列数据相匹配，而不是符合一次简单的观察，这种概念就得到了强有力的论证。我们能够通过更加精确地说明概念的适用条件，来澄清我们的概念。6-8：好的论证需要使用数据，以帮助辨析不同的解释。3AM.我们通过假设-演绎推理法间接地认识原子和分子的性质。,案例：一个原子-分子理论的学习进程,K-2 年级,进程各阶段学生的科学能力和教学活动,案例：一个原子-分子理论的学习进程,进程各阶段学生的科学能力和教学活动,这一时期的儿童能对材料和物体这两个不同的层次作出一些区分，并已经习得了在这两个层次上命名事物的词汇：各种物体（船、车、床、球、风筝）和各种材料（水、奶、橡皮泥、木材、塑料）。这一年龄段的儿童描述事物性质的直观词汇很丰富：尺寸（大/小）、重量（重/轻）、质地（软/硬、粗糙/光滑）、颜色（红/蓝）、形状（圆/方）、味道（甜/咸）、气味。他们能初步区别哪些性质是用来形容物体的、哪些性质是用来形容材料的。当然，在日常生活中，幼儿在物体这个层面上的描述仍然更加突出，他们对不同材料的认识和体验较少。,1 物体是由什么组成的？我们怎样解释它们的性质？,K-2,案例：一个原子-分子理论的学习进程,进程各阶段学生的科学能力和教学活动,可以让儿童通过识别、分类、排序、测量、呈现数据和提问等实践研究物体和材料的性质。他们能够学习用组成物体的材料和物体的性质（大小、重量、形状、颜色、温度、质地等）来描述物体，分别按照物体的种类、材料的种类和具体的性质来将物体分类。儿童能够区别属性与属性值（例如硬度非常硬，硬，软），根据某个属性排列物体。在教师的引导下，他们还能创造方法、用多种工具进行测量，以更加系统地描述物体的性质。通过这些教学活动，儿童能够熟练地区别物体和材料，形成测量的概念，熟悉物体和材料的性质。,1 物体是由什么组成的？我们怎样解释它们的性质？,K-2,案例：一个原子-分子理论的学习进程,进程各阶段学生的科学能力和教学活动,可以让这一阶段的儿童发明一些简单的图表来呈现他们得到的数据和观察到的现象。他们也能理解物体的一些性质是与组成它们的材料相联系的。例如，他们可以比较两个杯子（一个塑料杯，一个玻璃杯）或两个球（一个铁球，一个橡皮球），思考它们掉在地上时的不同结果及其原因。,1 物体是由什么组成的？我们怎样解释它们的性质？,K-2,案例：一个原子-分子理论的学习进程,进程各阶段学生的科学能力和教学活动,变形、破碎、熔化和凝固是这一年龄段可以探究的重要转化现象，儿童可以描述这些转化是否改变和怎样改变了物体和材料的性质。通过探究这些转化，物体的性质和材料的性质可以被区分开来。例如，变形和破碎使得物体的形状发生改变，但是颜色、味道、质地等材料属性并没有改变。,2 物体发生转化时，改变的是什么，不变的是什么？,K-2,案例：一个原子-分子理论的学习进程,进程各阶段学生的科学能力和教学活动,可以使用水或者巧克力作为探究熔化和凝固的对象。让学生认识到在熔化和凝固时，材料的某些属性会发生改变，另一些属性不会。例如一只巧克力兔子熔化后质地发生了变化，但是颜色和味道仍然与原来一样，巧克力也没有增加或减少。这样的活动让学生初步建构这样的概念：即便有时物体的表观性状发生改变，但其内在成分并没有变化，这种“内在成分”就是材料。一旦学生学会了用天平客观地比较重量，他们就能建构在变形、破碎、熔化和凝固等转化中重量守恒的概念。在儿童理解转化过程中材料的多少不变、重量也不变之后，将这两种“不变”整合起来，就能使儿童初步形成对物质的理解。,2 物体发生转化时，改变的是什么，不变的是什么？,K-2,案例：一个原子-分子理论的学习进程,进程各阶段学生的科学能力和教学活动,学生至少有两种途径可以用于判断材料是否随时间发生了改变：1）回顾历程（即回溯物体从何而来，或者是否对这种物体做了变形等处理）；2）考察可观察到的特征。回顾历程是十分重要的（尤其是在将较大的物体碾磨成小颗粒这样的分解过程中），因为它有助于学生更清楚地理解材料是组成物体的基本成分。通过思考材料在分解的过程中发生了什么，儿童不仅能根据材料的常见感性特征辨别材料，还能将材料视作不论将物体分割成多小都能保持种类（和某些性质）不变的物体的基本组分。,2 物体发生转化时，改变的是什么，不变的是什么？,K-2,案例：一个原子-分子理论的学习进程,进程各阶段学生的科学能力和教学活动,这一阶段儿童已经可以开始进行假设并利用实际发生的现象或数据评估假设。例如，他们可以假设在变形和熔化过程中材料的种类是否改变，然后通过探究来评估假设的正确性。他们关于物体性质的认识局限于朴素的日常观察，而不是通过仔细测量、建模和论证获得的。因而他们并不知道材料的许多最持久和本质的特征（密度、沸点、熔点、导热性、导电性和可溶性等）。所以这一时期可以在直观的感知以外，通过让儿童设法测量各种物理量，拓展儿童的描述能力，使他们能够形成关于测量的清晰理解，以作为测量实践的基础。,3 我们如何知道这些？,K-2,案例：一个原子-分子理论的学习进程,进程各阶段学生的科学能力和教学活动,儿童可以测量长度和面积，这是一个重要的测量基础，有助于随后学习体积与重量的测量；也可以开始测量体积，但是这种测量是初步的。儿童可以使用标准的测量单位，也可以自创测量单位。应当让他们理解化整为零的测量方法。例如，在测量简单的长方体的体积时，让儿童用“单位”体积的正方体堆出待测长方体，使所有正方体都可见，并且容易计数。,3 我们如何知道这些？,K-2,案例：一个原子-分子理论的学习进程,进程各阶段学生的科学能力和教学活动,可以让儿童开始识别正确的测量所应具有的特征。这要求学生理解包括零刻度、等分、覆盖测量空间、不足一个单位的测量空间的处理等在内的认知方法。对学生而言，这些测量背后的逻辑并不明显，并且如果仅仅是简单地将已经存在的或标准的测量流程与工具交给学生，这些逻辑可能一直被隐藏。所以，学习测量绝不仅仅是为了发展过程能力，还应该包括发展对测量方法的理解。,3 我们如何知道这些？,K-2,案例：一个原子-分子理论的学习进程,进程各阶段学生的科学能力和教学活动,在这一阶段，儿童能理解重量与天平的状态相联系，并认识到用天平比较和测量物体的重量比用感觉判断重量更可靠。这里我们用“重量”而非“质量”，因为“重量”是儿童从小就接触的性质和形成的概念。到某个阶段，学生应当学会区分重量和质量。但是，即使在中学，这种区分对于理解原子-分子理论可能都并不关键。,3 我们如何知道这些？,K-2,案例：一个原子-分子理论的学习进程,进程各阶段学生的科学能力和教学活动,建构一定的科学知识必须成为测量实践的一个目标。在当前的科学教育中，存在这样的现象：人们选择某种对象比如沉、浮或者蒸发，更多地是希望它吸引学生的注意力或使学生感到惊奇，而不是考虑学生通过探究这种现象能够理解什么概念。实际上，学生常常会面对一些在他们的年龄所无法真正理解的现象。,3 我们如何知道这些？,K-2,案例：一个原子-分子理论的学习进程,3-5 年级,进程各阶段学生的科学能力和教学活动,案例：一个原子-分子理论的学习进程,进程各阶段学生的科学能力和教学活动,经过K-2年级的学习，学生已经为理解外显的、宏观的物质概念做好了准备。幼儿在早期只能关注于区分具体的材料，而不能思考所有物质所具有的共同特征。而通过探究转化过程中材料的不变性，这一年龄段的儿童不仅能够理解那些用于区分不同材料的显著特征，还能思考是否有一些特征是所有材料所共有的：组成物体的材料有各自不同的特性，但是都有重量，都占据空间。具有这些特征的物质内部的那些“东西”就是物质。,1 物体是由什么组成的？我们怎样解释它们的性质？,3-5,案例：一个原子-分子理论的学习进程,进程各阶段学生的科学能力和教学活动,必须在学生达到了K-2年级所规定的水平之后，才可以让他们进行关于物质的讨论。否则，如果学生仍然认为将一个粘土球搓成粘土“香肠”之后，粘土的量就发生了变化，或者认为将粘土切成很小很小，就不具有重量，学生就无法理解组成物体的材料具有不变的共性，也就无法理解物质。,1 物体是由什么组成的？我们怎样解释它们的性质？,3-5,案例：一个原子-分子理论的学习进程,进程各阶段学生的科学能力和教学活动,作为起始，可以用固体和液体作为探究对象，因为它们的状态比气体稳定，重量和体积也比气体更易测量。在这一年龄段的后期，当学生已经理解了物质的共性之后，才能让学生探究气体也具有这些共性，从而理解即使许多气体无法被看见，它们也是物质。在K-2年级，学生要区分不同的材料；而在3-5年级，学生要学习区分物质和非物质。,1 物体是由什么组成的？我们怎样解释它们的性质？,3-5,案例：一个原子-分子理论的学习进程,进程各阶段学生的科学能力和教学活动,这一阶段的测量和呈现数据的难度也有所提升。例如，使用简单的算式；将直接测量与数学推理结合起来以计算一些固体和液体的体积和重量；更深入地理解非整数个单位的处理；分析测量的精确性；用图表表示体积与重量的关系，而不是像以前一样将体积与重量的数据分别画在不同的图表上。,1 物体是由什么组成的？我们怎样解释它们的性质？,3-5,案例：一个原子-分子理论的学习进程,进程各阶段学生的科学能力和教学活动,通过将体积和重量的概念相联系，让五年级学生测量由不同材料组成的物体的重量和体积，绘图表示测量结果，画出一条“最佳拟合”线，用这条线解释重量与体积的关系；让学生在格子中画点，建立可视化的物质模型，进行直观的、在一定程度上定量的对比这些建模方法有助于学生在6-8年级正式地学习密度概念。,1 物体是由什么组成的？我们怎样解释它们的性质？,3-5,案例：一个原子-分子理论的学习进程,进程各阶段学生的科学能力和教学活动,1 物体是由什么组成的？我们怎样解释它们的性质？,方块是“体积单位”，黑点是“重量单位”,3-5,案例：一个原子-分子理论的学习进程,进程各阶段学生的科学能力和教学活动,可以让学生开始尝试通过已知的性质预测未知的性质。例如当找出体积与重量的关系之后，学生就可以预测当体积变化时重量怎么变。儿童还可以发现相同体积的不同材料可能具有不同的重量。他们能够用物体各部分的重量之和来解释物体的重量，而物体各部分的重量又与该部分的材料和体积有关。随着学生对材料的一些特性越来越熟悉，他们还可以开始探究不同物体是不是同种材料组成的。,1 物体是由什么组成的？我们怎样解释它们的性质？,3-5,案例：一个原子-分子理论的学习进程,进程各阶段学生的科学能力和教学活动,经过K-2年级的教学，儿童已经开始认识到物体中有“一定数量的某种东西”，当物体发生表观变化时，这些东西的量保持不变。但儿童对于“东西的多少”的概念是初级的：没有以他们关于占据空间和具有重量的想法为基础。儿童经常认为很轻的物体没有重量，还经常认为当物体被反复分割至无法看见时，物质就消失了。具有重量并不是儿童所认为的物质的必要条件。他们往往认为许多明显具有重量的东西（液体或花、狗、肉等生物）不是物质。如果让他们说出物质的定义，他们要么根据能直接感受到的性质简单地列举一些物质的例子，要么会说物质就是人们能使用的或者能用于制造物品的东西。,2 物体发生转化时，改变的是什么，不变的是什么？,3-5,案例：一个原子-分子理论的学习进程,进程各阶段学生的科学能力和教学活动,儿童关于重量的不成熟的概念是导致这一问题的因素之一。儿童依靠感觉来衡量重量他们的重量概念的核心就是感觉到的重量，而不是一个客观的可测量的物理量他们难以发现各种材料的物体都有重量。在K-2年级的基础上，儿童已经认识到用天平测量重量比用手感觉重量更可靠。在此基础上，可以让儿童理解重量是一个客观概念。,2 物体发生转化时，改变的是什么，不变的是什么？,3-5,案例：一个原子-分子理论的学习进程,进程各阶段学生的科学能力和教学活动,所以，应该让儿童测量重量和体积，用它们去进一步探究物质和测量的特性。例如，用天平测量橡皮泥的重量，然后回答“如果另一块橡皮泥只有它的一半大或者四分之一大，这块橡皮泥有多重”，并通过实验检验他们的预测。他们还能将结论外推到一个小得多比如只有原体积的百分之一的物体。如果测量时天平不倾斜，这是否意味着它没有重量？怎样进一步研究这个问题？这样的思考让学生借助推理和已有论据，从已知的知识获取新知识。他们会认为，只要有一些东西，这些东西就一定有重量，即使可能很轻很轻。,2 物体发生转化时，改变的是什么，不变的是什么？,3-5,案例：一个原子-分子理论的学习进程,进程各阶段学生的科学能力和教学活动,可以让这一年龄段的学生继续评判感觉形成的印象（例如看上去的大小、感受到的重量和热量），更深入地探究测量的有效性和可靠性。同时，他们可以开始认识到不同测量工具具有不同的精确度，适用于不同的任务，还可以让学生使用显微镜，思考这些工具是如何拓宽人类的观察能力的。学生可以将测量与数学推理结合起来，开始认识到数学是强大的科学工具、科学常常需要对看不见的实体进行推理，并借助数据评估假设。学生可以还可以让学生认识到一些判断只有在特定条件下才成立。例如当铁块和铝块的大小相等时，“铁比铝重”才正确。,3 我们如何知道这些？,3-5,案例：一个原子-分子理论的学习进程,6-8 年级,进程各阶段学生的科学能力和教学活动,案例：一个原子-分子理论的学习进程,进程各阶段学生的科学能力和教学活动,在这一阶段，应当巩固和发展学生关于重量、密度、物质和材料种类的宏观概念，以及他们的数学技能、呈现数据的方法、对测量的理解和对其他认知方法的理解。借助于对重力的学习，在这一阶段，学生可以重构重量的概念，将重量与质量区别开来。在3-5年级，学生接触了微小而不可见的物质，理解空气也是物质。这使他们能够 a）探究蒸发、沸腾和冷凝（液化）；b）判断其他气体是不是物质；c）理解气体与液体、固体一样，是物质的一种状态。,1 物体是由什么组成的？我们怎样解释它们的性质？,6-8,案例：一个原子-分子理论的学习进程,进程各阶段学生的科学能力和教学活动,微观水平上的原子-分子理论可以支持这些宏观水平上的概念建构。同时，宏观概念也为理解微观机理奠定基础。3-5年级的学习基础使这一年龄段的学生能够比较弹簧秤等其他类型的称与等臂天平的测量精度和原理，能够学习测量和计算多种规则形状的固体的体积，并能借助于测量不规则形状的物体的体积，计算出物体的质量。对不规则形状物体的测量还能让学生理解物体占据的空间与它的形状是没有关系的。,1 物体是由什么组成的？我们怎样解释它们的性质？,6-8,案例：一个原子-分子理论的学习进程,进程各阶段学生的科学能力和教学活动,可以让这一年龄段的学生深化对密度的理解：在一幅图中画出一系列不同材料物体的重量和体积，发现不同材料物体的重量-体积直线不同，并引入直线的斜率就是物体的密度。不同材料的斜率不同，因而密度是材料的特性。可以让学生更深入地理解测量和测量误差，这样他们可以判断一个看似不匹配的数据是代表另一种材料还是误差引起的。,1 物体是由什么组成的？我们怎样解释它们的性质？,6-8,案例：一个原子-分子理论的学习进程,进程各阶段学生的科学能力和教学活动,这时可以通过测量一些新的性质（如沸点、凝固点、导热性），巩固学生对材料种类的理解。有些性质（如可燃性、溶解度）