徐 承 翔

(温州市教师教育院，浙江 温州 325000)

发展学生核心素养是当前推进基础教育改革的重要内容。核心素养导向下初中科学课程育人目标追求从科学观念、科学思维、探究实践、态度责任等方面体现学生通过科学课程学习后内化的具有科学特性的品质。科学观念是科学素养中的关键内容[1]，纵观科学观念的历史演进，可以发现科学观念教育对学生自然观、世界观、人生观的建立，创新精神的激发，批判性思维的形成，科学态度责任的培养等都具有重要作用。因此，科学观念教育也是推进核心素养导向下科学教育改革的重要内容。笔者在初中科学教育实践中，尝试从培养学生“物质和能量观”方面进行深入实践研究，力求实现从知识为本到观念建构为本的教学，促进学生核心素养发展。

一、“物质和能量观”建构的内涵

科学观念不是知识简单的积累，而是学生对所学知识深度理解的基础上提炼和概括出来的，是学生在多年后当具体知识遗忘后保留在头脑中的对事物的认识或做出判断和抉择的依据。美国《新一代科学教育标准》中提出“物质与能量观”是七个跨学科观念之一。跨学科观念可以认为是所有科学领域中均可运用的思维方式，是一种融合物理、化学、生物、工程等学科特点的思考方式，最终的核心价值是打破学科壁垒，培养学生科学的思想观念和综合素养。

《义务教育初中科学课程标准(2011年版)》(以下简称科学课标)中强调“注重自然科学中统一的概念和原理，引导学生认识自然界的内在统一性，体现综合性科学课程的课程性质。”[2]浙教版初中《科学》教材定位于综合理科课程，在物质科学、生命科学、地球与宇宙空间科学等领域均有“物质”和“能量”的相关教学内容。如物理学科从机械能、电能、光能、势能等能量形式与物质的变化角度，体现物体间相互作用又遵循能量转化与能量守恒。化学学科中，认识物体由物质组成，物质由微粒构成；化学变化可以产生新物质并伴随能量变化，其本质是原子的重新排列因而遵循质量守恒定律；在生命科学领域中则更多考虑物质与生物质能、太阳能之间的关系，生物个体生命活动过程及生物圈生态系统中处处伴随物质和能量的流动、循环及转化等。虽然不同学科对于能量的诠释不完全相同，但都可以反映作为跨学科观念的“物质与能量观”的流动思想、循环思想和守恒思想。

二、“物质和能量观”建构的承载体系

分析浙教版初中《科学》教材和科学课标，根据郭玉英教授提出的科学概念理解发展的层级模型，学生建构“物质和能量观”可以分为经验、映射、关联、系统、整合等进阶层级(如表1所示)。[3]

表1 “物质和能量观”建构的课标和教材的承载体系

经验阶段，学生具有尚未相互关联的经验和零散的事实。如学生从“细胞”学习中接触纤维素、二氧化碳、水等表示物质的名词，光能、热能等表示能量的名词，及细胞吸收营养而生长、生物会产生代谢废物等一些零散的知识。

映射阶段，学生初步建立事物具体特征与抽象术语之间的映射关系。如教材通过观察蔗糖的系列活动，让学生认识到宏观的物质是由肉眼看不见的微观粒子构成；基于之前“细胞学说”的学习，认识细胞也是由各种物质组成的，由此让学生体验生命也是物质的观念；通过物态变化系列实验，学生感知到吸热、放热现象，从而体验“能量”与“物质”不同但又有相关性的概念。

关联阶段，学生能建立抽象术语与事物多个可观测特征之间的关联。如除物质三态变化伴随能量变化外，溶解过程中的能量变化、电磁学中电能和机械能的转化、生物体生命活动如体温调节过程中物质和能量转变等；系统学习物质构成的层级结构；通过水循环初步认识物质循环的全球性等。

系统阶段，学生能从系统层面上协调多要素结构中各变量的自变与共变关系。从现象到本质、从定性到定量、从个别到一般地深层次理解物质的转变、质量守恒、物质循环、能量的转化和守恒等核心概念，逐步建构“物质和能量观”。

整合阶段，学生能统整科学核心概念对跨学科观念的理解，是进一步内化阶段。在“物质和能量观”的“流动思想、循环思想、守恒思想”引领下，设计或解释“在生态系统中如何让能量更多流向对人类有利的方向、为什么永动机是不可能制造的”等一些实际问题。

因此，在科学课标统领下《科学》教材在编排上隐含导向“物质和能量观”建构的线索。五个阶段学生的学习进阶，每个阶段都深化理解上一阶段学习的同时也为下一阶段学习奠定基础。

三、“物质和能量观”建构的策略

1.注重核心概念的深层次理解以建构“物质和能量观”

科学观念的建构不可能是空中楼阁，也不可能通过学习知识就能自发形成，而是需要学生积极主动探索，深层次理解所学知识和核心概念，在对知识深刻理解和迁移应用中不断概括、反思、提炼而建构形成。科学观念、核心概念和科学事实之间的关系可以用图1表示。自下而上看，科学观念是若干科学事实在学生头脑中的提炼和升华，科学课程中核心概念及其所涵盖的具体知识充实、发展着科学观念的内涵；自上而下看，科学观念对科学事实又具有引领作用，它赋予科学概念、科学事实能动性和灵活性，让科学知识和科学概念有效迁移和应用。所以，需要对科学事实、科学概念深层次理解和学习以建构科学观念，而观念的建构又能反过来引领科学概念和科学知识深层次理解和应用。

图1 科学观念、核心概念和科学事实之间的关系

如对“呼吸作用”的学习中，不能仅停留在事实性知识层面。生物体在氧气参与下将体内复杂的有机物分解为二氧化碳和水等简单无机物，是化学变化、物质转变；同时将有机物中化学能转化为生物体生命活动所需能量或转化为热能释放，是能量转化；还有，基于“物质转变和能量转化”关联一些重要概念，如“化学变化同时伴随能量变化”。如“生命是物质的”，因为生命活动中的化学变化与非生命活动的化学变化实质是一致的，呼吸作用其实质是氧化反应，物质在体内的氧化反应与物质在体外的铁生锈、木炭燃烧等都可纳入氧化反应都要放热这一普遍规律中。如“物质是循环的”，有机物来自光合作用将自然界中二氧化碳和水合成有机物，呼吸作用又将这些有机物分解为二氧化碳和水还回自然界，是碳循环、氧循环的部分环节。如“能量是转化和流动的”，呼吸作用释放的能量一部分以热能形式散失，另一部分用于机体生命活动或机体的跑步、弹跳、劳作等机械运动或其他能量消耗。上述是对重要概念的深层次理解，形成知识的互相关联和引申出新的认知和探索，不断充实和发展“物质和能量观”这一跨学科观念的内涵，有利于学生建构观念。

2.注重事物和现象内在科学统一性以内化“物质和能量观”

爱因斯坦(1954)指出：“科学的目的，一方面是尽可能完整地理解所有感性经验之间的联系，另一方面是通过最少个数的基本概念和基本关系的使用来达到理解的目的。[4]科学的目的就是要找到纷繁复杂的大千世界里的各种事物和现象间的联系、规律，再建构科学理论，最终回答一些大问题，形成科学的核心观念。“物质和能量观”是跨学科观念，有物理、化学、生物和工程等学科概念，也有反映各学科之间有意义的联系、能给学生提供一个将各学科关联起来的组织架构，因此科学教育中有意识引导学生关注事实背后的科学内在统一性，让学生建立起理解世界的一致性的科学视角以内化“物质和能量观”显得非常重要。

借助科学史认识科学本质及理解事物和现象内在的科学统一性是内化“物质和能量观”的有效途径之一。如“电压”概念对8年级学生来说抽象难理解，可以从“物质和能量观”建构视角，并借助相关科学史资料、动手实践活动、生活生产实际应用等设计教学。学生从观看科学史视频——“‘一条蛙腿’引发的电生理学起源和电池发明”认识了科学家研究“电”所经历的动物电、金属电、化学电直到认识伏打电堆，实际上是逐步接近产生“电”的科学实质——物质化学变化过程中释放出来的能量。接着再用柠檬、橙子等做水果电池实现二极管、音乐贺卡正常工作，凭借物理学的电压、电流使物质化学反应外显出来。该项实践活动重复科学家发明电池的关键步骤，感受电能与声能、光能等其他形式能的转化，体悟物理、化学、生物等多学科的融会贯通，更深层次地理解物质和能量观作为跨学科观念的内涵。最后，通过认识干电池、蓄电池、家庭照明电压、三峡发电站发电电压等实例，进一步拓展认识各种不同的电源中电能的产生及其输出反映了不同的物质转变和能量转化系统。这样通过实际生活生产中能量的流动、转化和守恒，赋予了“电压”这个抽象概念以具体、生动、真实的意义，而且在深层次理解概念的基础上内化“物质和能量观”，教学设计如图2所示。

图2 “物质和能量观”建构视角设计“电压”教学

3.注重学生知识结构化过程以发展“物质和能量观”

美国国家研究理事会将学习进阶定义为：“学生在一段较长的时间跨度内学习或研究某个主题时，其思维方式由新手向专家转变的、连续的、有层级的发展路径的描述。”关于新手与专家的研究方面，专家的知识往往是结构化的，知识间存在丰富的联系，并具有层次性。[5]科学观念建构建基于核心概念的认知深化，而概念认知深化还要基于学习进阶系统设计知识间的衔接以不断促进学生知识结构化，发展学生认知逻辑，从新手向专家转变，这样能更有利于科学观念的形成和发展。

例如，初中科学中“生态系统”内容的学习是形成和发展“物质和能量观”的重要载体。依据课标和教材，基于物质和能量观视角设计知识间的衔接及其内在逻辑关系，促进知识结构化(如图3所示)，以促进“物质和能量观”科学观念发展。

图3 “生态系统”知识内在逻辑关系

在教学过程中注重观念引领下的教学设计，“生物与环境相适应”模块突出物质和能量观的基础，即使学生具备物质和能量影响生物生存，生物为获取物质和能量而存在竞争、捕食、互助、共生等关系的意识和观念；在“种群和群落”模块中，学生要进一步理解种群不是简单的生物群体，而是与环境物质和能量发生相互作用的生物群体，因此菜市场内的所有鲫鱼就不能称为一个种群等；“食物链和食物网”模块更加深刻地体现了生态系统结构与其物质循环、能量流动功能的支持和维系关系，以及与生态系统稳定性的维持与反馈关系。这样的设计可以促进学生的知识结构化，让物质和能量观在学生头脑中不断发展完善。

从学习进阶的进阶变量和内容看，包括知识进阶和能力进阶，不仅是学生所学知识从碎片化到结构化的进程设计，也是伴随知识学习的能力发展进程设计[6]，因此，需要同时注重伴随知识学习的思维能力发展设计。例如，基于培养学生观察与记录、科学解释、科学推理等科学探究技能与科学关键能力的发展，设计“制作一个生态瓶并探究生态瓶维持平衡的条件”的驱动性任务。学生需要从物质和能量角度思考：密封的生态瓶中除阳光、热能外其余物质都无法进入，瓶内动植物如何获得所需物质？生态瓶内动物、植物等个体数量该如何合理配置？如果柳条鱼因生长而质量增加，那么整个生态球的质量是否变化？再如，基于培养学生识别与概括、分析、评价等能力的发展，设计一份科普写作任务，要求：结合物质和能量观分析阐述“生物圈2号实验”中大气和海水酸化、氧气浓度降低、水循环失调、物种大量死亡等(选择一个角度)发生的原因及变化趋势，设想解决问题的可能方法及说明该方法的理论推理过程。

“物质和能量观”反映物质和能量的循环、流动和守恒，学生在自己制作的生态瓶或生物圈2号等真实实验的实际问题中，将他们对所学知识的反思感悟应用于实践，将蕴含于具体知识、概念中的思想、观点和方法等抽象概括出来应用于实践，则能强化学生对所学科学知识、思维方法的应用，及在应用过程中完善知识结构化及能力提升，同时在问题解决中发展和完善科学观念。

四、“物质和能量观”建构的意义

“物质和能量观”对应的是“当事物发生变化或被改变时，会发生能量的转化，但是在宇宙中能量的总量总是不变的”这一科学大概念。[7]周光召先生在《科学教育的原则和大概念》中文版序中强调：科学教育不应该传授给孩子们支离破碎、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、生动的教育方法，帮助孩子们建立一个完整的对世界的理解，初步形成科学态度，掌握科学方法，了解科学精神，构建一个人健康协调发展的基础。[7]而教师若能以科学大概念、科学观念为引领设计教学，必然导向注重学科交叉融合、学习进阶、真实问题情境中问题解决等迁移应用，从而有效促动教师教的方式变革，进而带动学生学的方式的变革，才有可能让学为中心的课堂真正发生。

笔者认为，以物质和能量观建构导向下的教学设计思想符合周光召先生的倡导，吻合新教育时代下培养发展学生核心素养的理念。不管是“呼吸作用”“电压”“生态系统”或是其他领域内容的学习，都不局限于固化的知识点，而是借助这些载体，对物质转变、能量转化、流动和守恒进行分析、解释，从而逐步让学生认识到他们所学的科学知识、进行的科学活动与他们周围的世界是有联系的，可以帮助他们理解周围的事物，从而使学生成为一名能有依据地进行决策的公民。这应该是当今教师为核心素养下育人目标的达成而必须具备的教学设计或实施的能力。

浙教版初中《科学》教材定位于综合理科课程，有着将跨学科观念融入科学教育的优势。围绕跨学科观念和核心概念组织教学内容，建构统一的概念体系，设计合理的学习进阶，加强各学科知识间的联系，实现科学本质的内在统一和助力学生科学素养的连贯发展，这将成为当今教师不懈追求和努力的方向。