不同科目组合对物理化学教学的影响

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【摘要】以大概念为中心的课程设计与教学设计是近年来我国教育改革的热点问题。教学要以发展学生的学科核心素养为主旨,重视学科的大概念教学,重视学生的知识结构化。在当前的选科制度下,如何进行学科组合以便更好地实施大概念教学是学生、教师和家长面临的问题,以物理、化学、生物的组合为例分析该组合对大概念教学的影响,以更好地进行教学设计。

【关键词】大概念教学;核心素养;结构化知识

2013年,教育部启动了普通高中课程修订工作,至2018年分别对高中各科目进行了改革,对学生高考选科也进行了改革。目前,全国部分省市实行了“3+1+2”的新高考选科模式,[1]同时,关于大概念教学也在教育界引起了广泛关注。如何将教育改革和大概念教学进行有机融合成了当前需要解决的问题之一。

一大概念教学及其价值

1.大概念教学的含义

大概念教学是为了让学生头脑中零散的知识点,以及一些依靠机械记忆残存的知识碎片形成系统的结构,让知识在头脑中以合理的逻辑存在,形成学生可以接受并能够加以应用的知识网络,能够解决日常生活中的问题,能够解释自然现象和认识自然规律。[2]基础性、系统性、综合性和结构化都是大概念的特征。在提升学生自身的文化素养和科学素养的同时强调课程与教学的设计以大概念为中心,简言之就是教师在教授学生某一知识或者概念时,都要尽可能地将这些概念和技能与大概念相连,并用适合学习者不同认知水平的方式进行教学。

2.大概念教学的价值

大概念教学作为近年来我国教育改革的热点问题,有着自身独特的价值,主要有以下三个方面。(1)科学知识从零散化向结构化转变。传统的教学常常从微观视角关注学生的学习,即学生是否通过某一章节的学习掌握该章节的特定知识,这样的教学理念使得知识以杂乱无章的形态存在于学生的意识中,学生只能短暂地记忆知识,一段时间后就产生了大幅度的遗忘,在无形中加重了学生的学习负担。大概念教学从宏观的视角关注学生的学习,即以具有统摄性的概念将零散的知识结构化,注重知识之间的内在联系,深化学生对知识的理解,为学生构建具有梯度性的知识结构,有利于知识迁移,同时深化学习进阶的理念。(2)教学侧重点从知识本位向学科核心素养转变。学科核心素养是学生学科学习过程中所形成的适应终身发展和社会发展的关键能力和必备品格。[3]需要通过发挥各学科的育人功能才能达到对学生学科核心素养的培养,这就意味着必须要摒弃死记硬背和机械性的训练,将学生的创新能力、发现分析和解决问题的能力、思维能力放在首要位置。传统教学的目标指向较为狭隘,通常是关注学生某一次月考或者是期中、期末的考试成绩,将学生的具体分数作为评判教学质量的唯一标准,在这样的教育体制下学生只是学会了如何机械记忆应对考试,对于学科核心素养的培养并无益处。大概念教学的目标指向是知识的迁移与创新,更注重知识的实际应用,在教学过程中重视学习进阶,这些都是培养学生核心素养的必要条件。(3)各学科从相对独立向逐渐整合转变。从哲学的角度,人们很早之前就认识到事物之间都是相互联系的,理论上各学科之间都存在哲学意义上的关联,但传统的教育并未重视这一规律,各学科是一座座孤岛,各科的教师之间也有着一条无形的鸿沟,教师只关注自己学科的实时动态和学术发展,在教学中涉及其他学科的知识时,往往一带而过。基本概念、核心概念、学科核心概念以及跨学科概念是大概念的不同类别。其中的跨学科概念就是强调学科之间的相互关联,主张将各学科知识在跨学科概念的统摄下进行整合,在学科之间构建桥梁,将原本的一座座孤岛转变为有机整体。这样的转变更有利于学生形成系统的、结构化的知识框架,同时对于学科核心素养的培养也大有裨益。

二物理、化学、生物的内在关联

1.学科知识层面

对物理、化学、生物知识的全面深度学习是培养高科技人才的必经之路。物理是化学与生物的基础,化学是联结三门学科之间的桥梁,生物是研究热点和方向。三者之间的关联如下图所示。

2.研究方法层面

(1)认识规律。物理、化学、生物都是研究自然规律的科学,尽管它们从不同的角度、不同的领域、用不同的手段认识世界和改造世界,但自然界本身就是和谐统一的,三门学科对自然规律的研究遵循着相同的认识规律———科学探究,即提出问题、收集资料、分析资料、去伪存真、再提出假设、设计实验、验证假设、归纳总结、得出结论。[4]我们发现在这三门学科中实验思维的重要性,都将实验作为认识物质世界和研究自然规律的重要手段。(2)实验方法。实验是研究自然科学的重要方法和手段。[5]这三门学科在对实验的要求上有着许多的相同点。首先,对学生实验能力的要求相同,即能认识和操作基本的实验仪器、能根据实验现象得出相应的实验结论、能根据要求设计简单的实验方案等。其次,三门学科中的一部分实验相互渗透和利用,如生物实验“提取和分离叶绿素实验”用到了化学方法———纸层析法、生物实验“观察细胞结构”用到物理实验仪器———光学显微镜。最后,三门学科中都有着不同类型的实验,如演示实验、学生实验、验证性实验、探究性实验等。

3.社会发展层面

从物理、化学、生物三者之间的关系以及所涉及的领域,我们不难得出,这三门学科覆盖着人类生活的衣食住行,无论是医疗、环境、科技、农业,要想有质的飞跃,就必须依靠物理、化学和生物的科学知识,因此,这三门学科对于人类进步和社会发展都具有重要的作用。

三物理、化学、生物组合对大概念教学的影响

新的选科制度主要是强调和重视学生的选择,学生可以根据自身的兴趣和特长以及高校不同专业的录取条件,综合选择最适合自身的科目组合,有利于促进学生多样化的发展。毋庸置疑,这样的改革的确拓宽了学生的选择范围,但与此同时,不同类型的科目组合在进行大概念教学时的难度和完成度是有差异性的。接下来以物理、生物、化学组合为例,分析在该组合下大概念教学理念的实施情况。

1.物理知识与化学知识在结构化时的双向作用

物理和化学有着大量的学科交叉部分,即跨学科概念。常见的知识交叉点主要有热力学、动力学、电子电流产生、原子内部结构等。总的来说,化学更倾向于在微观层面上研究物质的结构和组成、原电池的工作原理、各种能量的转化等,这与物理中的原子物理学、质量守恒等有着密不可分的关联。具体以“原子结构”知识的学习为例。从物理的视角来看。首先,在生活中感应与摩擦都可以使物体带电,生活中的静电现象都是因为物质间摩擦带电而产生的。其次,用实验的方法证实了原子核与电子的存在以及相互之间的关系,同时提出了质子和中子的相关内容。最后,在波尔理论的基础上,得到电子轨道并不连续,反而存在特定的能量。从化学视角来看。首先,通过元素周期表的学习,确定了最外层电子数决定了元素的化学性质,以及核电荷数、电子数、质子数、原子序数之间的关系。其次,通过学习原子核外电子在不同能级的排布方式,从而得到能层、能级与能量之间的关系。最后,通过化学键学习了电子云,然后衍生出共价键。[6]从该例子可看出,从化学和物理的角度认识原子结构的侧重点是有差异的,它们在不同的视角下对原子结构进行分析和解释,学生从原子的本源性出发,结合化学或者物理史实,将原子、电子、质子、中子相互联系与区分,使得知识点更立体、更多面,让学生可以从多方面进行理解和应用,对于原子结构的概念掌握也更精准。

2.生物知识与化学知识在结构化时的双向作用

从教材我们可以看出,生物与化学同样存在大量的学科交叉部分。例如,化学中关于反应速率的影响因素,糖类、油脂、蛋白质的化学性质,微生物燃料电池的工作原理等知识与生物中的酶的作用机理,维持生命能量的物质,微生物结构等知识。[7]具体以“糖类、油脂、蛋白质”知识的学习为例。从生物上分析,以生活化为认识视角,主要从这三种物质为人的生命活动提供能源、能量的转化、蛋白质由氨基酸组成、肽键的断裂、如何使蛋白质失去活性、糖的分类以及葡萄糖如何为生命提供能量等方面去学习这三种物质。从化学上分析,以微观视角为主,主要从官能团的类别和性质去分析,糖类分为单糖、二糖和多糖,其中葡萄糖为单糖且为醛糖,故具有醛基的性质。油脂中含有酯基,故难溶于水并且具有酯基的性质。同时从蛋白质的变性和盐析等微观层面进行分析和解释。对于某些概念的学习我们能从生物的视角也能从化学视角进行多角度的学习,有利于学生构建二者的结构化知识体系。如果缺失了某一部分知识,就会导致知识体系中有缺陷,那么学生在具体应用和迁移时就会有障碍,从而无法形成适应社会发展的关键能力和必备品格。

3.物理知识与生物知识在结构化时的双向作用

从教材内容我们可以发现,生物知识与物理知识同样有着不可忽视的关联。例如,生物上显微镜的构造和使用方法和物理上的显微镜成像原理和放大倍数、生物中光合作用的碳氧原子的转移和物理上的放射性同位素示踪原理、生物中植物根的向地性及茎的背地性和物理中的重力作用等。通过分析我们发现,物理相对于生物来说更多的是提供坚实的物质和理论基础,两者之间没有过多的同一知识点的重叠,而是以物理为依托对生物知识进行研究和分析。但这种知识的相关性同样对于学生理解知识和构建知识框架有着重要作用。例如,学生基于对于显微镜成像原理和放大倍数的理解,更容易接受细胞的微观性,操作实验时会更熟练,脑海中的逻辑会更清晰,同时也将物理仪器应用于具体实验,对仪器本身的特性了解也会更加明了。

四结论

物理通常从宏观的视角分析和认识物质,化学更注重从微观层面认识物质,生物则侧重于从生产生活的角度研究物质———更贴近生活,学生能够将宏观与微观相结合去认识物质,从生活化的角度应用知识,学生将会有更大的收获。首先,从知识结构上,它会使学生更加注重知识的本源性问题,从不同的视角构建知识框架,促进知识的迁移,使学生更容易达到高阶学习的状态。其次,从思维能力上,有利于学生发散思维和创新思维的发展,学生不再以单一的视角认识事物,能够对物质的性质和用途做出一定的推断和预测,从而整体提升学生的综合能力。最后,从学科核心素养上,各科的新课程标准对于学科核心素养的描述有着一定的差异性,但核心思想是相同的———通过各学科的学习,培养学生适应社会发展的关键能力和必备品格,物理、化学、生物三门学科之间的知识相互交叉渗透,认识和研究物质的方法和思维模式相差不大,针对大概念教学所重视的结构化知识体系的构建有着重要的作用。从大概念教学的角度分析,物理、化学、生物是众多科目组合中一个很好的选择,当然我们不能一味地只看到该组合的优势就鼓励甚至要求学生选择该组合,而是要结合学生自身的兴趣和特长进行选择,假设学生在对生物缺乏兴趣且基础也较为薄弱的情况下选择了生物,这不仅无法更好地实施大概念教学,反而会阻碍学生的身心发展。总而言之,在学生感兴趣的前提下物理、化学、生物的学科组合对于大概念教学的实施有较大的促进作用。

参考文献

[1]黄学涛.“3+1+2”模式下高中生物理科目选择的影响因素研究———以黄冈市部分高中为例[D].黄冈:黄冈师范学院,2020

[2]何彩霞.化学学科核心素养导向的大概念单元教学探讨[J].化学教学,2019(11)

[3]徐洁.从知识学习到素养发展:大概念的教育意蕴[J].福建教育,2021(10)

[4]欧阳浩波.浅谈生物科与物理、化学学科之间的联系和综合[J].中学生物教学,2002(Z2)

[5]舒铃.高中物理教学中化学知识的渗透策略探究[D].南充:西华师范大学,2020

[6]李云平,弓平,王保玉,等.联系中学化学实际开展物理化学教学[J].洛阳师范学院学报,2009(5)

[7]张妍.与生物科学相融合的中学化学教学设计研究[D].天津:天津师范大学,2012

作者:付进 付文升 单位:重庆师范大学