高 嵩

( 山東師范大學 物理與電子科學學院，山東 濟南，250014 )

一、學習進階的界定

隨著國際競爭的日益激烈，各國都在關注如何培養(yǎng)人才、怎樣更好地促進公民核心素養(yǎng)發(fā)展等方面的問題。但是，如果教學中僅膚淺地關注知識點的學習，則很難形成有機的知識體系，并且非結構化的知識往往會在其他信息的影響下轉變成錯誤的形式②，所以，我國2017年頒布的高中各學科課程標準都強調(diào)了觀念的養(yǎng)成。由此，我們的教學應將視野置于整個基礎教育階段，甚至是整個學科體系的發(fā)展，以形成前后一貫的學習進程。而要做到這一點，需要對學習進階的狀況進行研究，幫助一線教師更好地理解學生的學習水平，從而使得他們在教學中能更有針對性地選擇教學策略，更恰當?shù)貫閷W生提供幫助，促進學生對知識的深入理解，形成結構良好、便于遷移的知識體系③④。

如何描述學生的學習進階現(xiàn)已成為人們關注的焦點。在實際的研究中，人們的觀點主要分為兩種：一種觀點是預成的，或者說是“自上而下”的，持這種觀點的人認為學習進階是“概念的發(fā)展序列”或“概念的發(fā)展路徑”⑤，因此，學習進階與學科知識的邏輯發(fā)展是一致的，這樣進階的框架可以從學科體系出發(fā)，根據(jù)學科的知識體系梳理出來；另一種則是基于教育現(xiàn)實的，或者說是“自下而上”的，認為進階是對學習者在不同學習階段的表現(xiàn)的反映。持這種觀點的學者，如Schwarz認為學習進階的表現(xiàn)在于學習過程中對于模型的建構和發(fā)展(1)Christina V.Schwarz， Brian J.Reiser，Elizabeth A. Davis et al., “Developing a learning pro gression for scientific modeling：Making scientific modeling accessible and meaningful for learners”，Journal of Research in Science Teaching，Vol.46,No.6,2009.，Linn認為學習進階的表現(xiàn)在于知識間關聯(lián)特征的變化(2)Linn, M,The knowledge integration perspective on learning and instruct in R. K. Sawyer ed.，The Cambridge handbook of the learning sciences,New York:Cambridge University Press,2006,243-264.，以及Wilson、Liu等人對學習進階的假設和驗證。(3)Wilson M, Scalise K, “Assessment to Improve Learning in Higher Education: The BEAR Assessment System”,Higher Education, Vol.52,No.4,2006.(4)Xiufeng Liu, Anne McKeough., “Developmental growth in students’ concept of energy: Analysis of selected items from the TIMSS database”，Journal of Research in Science Teaching, Vol.42,No.5,2005.然而無論是哪一種，都存在著這樣的兩個問題：首先，是對學習進階界定簡單化的問題。前者是在課程領域談學習進階，而后者則是在評價領域談學習進階，雖然有文獻將二者結合起來(5)王磊、黃鳴春：《科學教育的新興硏究領域：學習進階研究》，《課程·教材·教法》2014年第1期。，但是相互的聯(lián)系并沒有梳理清楚；其次，對學習進階的發(fā)生機制缺乏合理的解釋。這樣，人們關于進階的解釋就缺乏深層次的理論支撐和恰當?shù)慕忉屇Ｐ?，也將造成研究結論具有較大的隨意性和局限性，在其他研究中難以印證和借鑒，尤其關于進階的研究難以被運用于教學中。(6)姚建欣、郭玉英：《學習進階：素養(yǎng)的凝練與范式的演變》，《教育科學》2018年第4期。

對學習進階的認識既不能脫離學科概念體系，又不能超越學生實際。本文把學習進階定義為：在一定的目標預設之下，學生通過經(jīng)歷一定的學習過程而發(fā)展起來的圍繞某一科學主題核心觀念的概念序列。因此，對學習進階的描述，應該包括三個方面：首先，是目標預設，這取決于各地區(qū)、各學校對課程的規(guī)劃和安排；其次，是學生在具體某學段的知識水平的表現(xiàn)；第三，則是學習進階機制的解釋，在橫向上給出教學任務和進度以及學生表現(xiàn)之間的聯(lián)系，在縱向上可以說明學生的發(fā)展。當下在第三個方面，幾乎沒有令人滿意的結果。而對教育工作者，尤其是對于一線教師而言，只有明確了學生學習的發(fā)展機制，才能在實際教學中有較為明確的行動方針，我們的研究成果才有可能真正轉化到教學實踐中去。

本研究借助皮亞杰的心理發(fā)生理論構建學習進階機制的模型，對初中原子物理概念體系的學習進階進行了實證研究，以說明進階機制模型的適切性。之所以選這個主題，原因是在我國初中物理課程標準中這是重要的內(nèi)容之一，與此相關的學習對學生原子物理概念體系的構建，對物質(zhì)觀的形成具有重要作用。(7)[英]溫·哈倫編著：《科學教育原則與大概念》，韋鈺譯，北京：科學普及出版社， 2011年，第23頁。(8)美國科學促進協(xié)會：《科學素養(yǎng)的導航圖》，中國科學技術協(xié)會譯，北京：科學普及出版社，2008年，第54頁。

二、基于心理發(fā)生理論的學習進階理論構建

對學習進階機制作出解釋，必然地又回到皮亞杰。皮亞杰的一生都致力于研究個體的科學知識的建構過程，并且他的研究成果對教育有著極大的啟發(fā)。但是當人們實際進入教學研究的時候，卻極少直接運用皮亞杰的理論，尤其是他晚年的理論。這當然與皮亞杰的研究不是直接面對教學實踐有關，因為他的研究成果不僅要面向心理的發(fā)生，更希望憑借其研究成果與哲學、心理學形成呼應，這對于一般教育實踐者來說便顯得過于晦澀。但是當我們仔細研讀他的著作，尤其是將他對物理概念的心理發(fā)生的解釋與當下研究正熱的學習進階結合起來的時候，發(fā)現(xiàn)確實可以為我們分析、理解相關的問題提供一個明晰的思路。

(一)皮亞杰關于物理學發(fā)展機制的說明

皮亞杰晚年的新理論是建立在對應性、態(tài)射、范疇和轉換等新的概念體系上的，并且強調(diào)了“水平”概念和“意義”邏輯，從而超越了大家所熟知的他的早期理論中“四階段”的劃分。因此，皮亞杰本人就是“皮亞杰理論的最大的叛逆者”，這也使得他直到去世都始終站在建構主義的理論前沿。(9)蔣京川：《皮亞杰晚年的“新理論”及其思考》，《心理科學進展》2005年第3期。我們在此不打算對皮亞杰的理論進行詳細的闡述，而是選取與本研究主題“物理學習過程中學習者知識的發(fā)展過程應該如何來描述”相關的理論來加以整理和研究。

皮亞杰強調(diào)個體的心理發(fā)展與科學史本身是可以比較的，都是連續(xù)的構建過程。皮亞杰認為關于物理學理論的發(fā)展機制可以用圖1進行表示。(10)[瑞典]J.皮亞杰、R.加西亞：《心理發(fā)生和科學史》，姜志輝譯，上海：華東師范大學出版社，2005年，第139頁。

圖1 物理學理論連續(xù)發(fā)展機制注：D表示： 領域E表示：實驗平面，S(情境)和F(現(xiàn)象)出現(xiàn)在其中，它是“可 觀察事實”的場所O0i 表示：對Ti而言的“可觀察事實”O(jiān)1i表示：對Ti而言的理論建構，對Tj而言的可觀察事實Ti，Tj， Tk表示：連續(xù)的物理學理論A0i，A0j，A0k表示：對理論Ti，Tj，Tk而言的經(jīng)驗抽象A1i，A1j，A1k表示：對理論而言的反省抽象

第一，T代表的是某物理學理論。不同的階段物理學理論有不同的表現(xiàn)形式Ti，如解釋地球表面物體下落的原因，亞里士多德解釋為物體的本性，牛頓解釋為萬有引力，而愛因斯坦解釋為時空的彎曲。

第二，E表示實驗平面，S(情境)和F(現(xiàn)象)出現(xiàn)在其中，是“可觀察事實”的場所。對處于某一理論階段的人來說，能進入他的視野，作為他的研究對象的可觀察事實F只能局限于E的某一個領域D，這些D有時候是重合的，有時候是分離的。這取決于認識主體的經(jīng)驗。

第三，O0和O1分別表示描述F(現(xiàn)象)和情境S的某些概念，這些概念對高一級理論來說是可觀察事實，對低一級理論則是理論建構，它們分別用某些概念來表達。如我們?yōu)楸硎颈訅鹤烂娴摹皦毫Α保龅拇怪庇谧雷酉蛳碌挠邢蚓€段。對于高一級的理論，如牛頓運動定律，這個表達是形象的、經(jīng)驗的。而對于低一級的“杯子壓在桌面上”的生活認識，這個有向線段便是一種抽象的表達。

第四，A0和A1分別表示對理論T的經(jīng)驗抽象和反省抽象。經(jīng)驗抽象使得新的理論T立足于原有的經(jīng)驗——通過O描述的F，而得到建立，反省抽象，則是皮亞杰理論的獨創(chuàng)(11)李其維：《評發(fā)生認識論的“反省抽象”范疇》，《心理科學》2004年第3期。，通過反省抽象使得原來未考慮的領域里的某些現(xiàn)象在新的理論中得到了解釋。如認識到大氣壓強之前，人們從“自然界厭惡真空”來解釋氣體的擴散和把水抽到高處等現(xiàn)象，認為真空是不存在的。然而到了17世紀，隨著托里拆利、格里克等人的一系列實驗的展開，最終建立起大氣壓強的理論。以此人們既能理解“抽水機可以把水抽到高處”，又能解釋原來不可理解的“水不能被抽到比33英尺高的地方”等問題，理論也因為有著更廣泛的適用性以及更強的解釋力而得到了確立。

由此，物理學理論的發(fā)展脈絡就清晰了：一種物理學理論Ti的出發(fā)點始終是人們試圖解釋的一個現(xiàn)象。對這個現(xiàn)象(或所有現(xiàn)象)的選擇和描述，意味著人們將考慮某些個體(或人們與某些個體打交道)，而忽視其他個體，考慮某些關系，而忽視其他關系。當通過一個抽象過程建立起一個理論的時候，各種現(xiàn)象便被分為了對主體來說可觀察的證據(jù)和事實，以及主體還不認為理論能解釋的其他領域。此時物理理論的作用并沒有得到體現(xiàn)，因為它只是說明性的。而當它成為解釋性的理論，通過反省抽象，將理論的適用范圍拓展到其他的領域D，這個理論就獲得了合理性。每當某一理論從較低的階段Ti發(fā)展到較高階段Tj的時候，發(fā)生的機制是一樣的，以上描述的過程都會重復發(fā)生。

(二)學生學習進階機制的構建

皮亞杰通過大量的考證，證明了個體的心理發(fā)展與學科的歷史發(fā)展是可以對應的，根據(jù)皮亞杰關于物理學理論發(fā)展的模型，我們構建起學生學習進階機制的模型，如圖2所示：

圖2 學習進階機制模型

第一，學科理論T在學生的不同學習階段有不同的表現(xiàn)形式，具有明顯的階段性，我們表示為各“理論階段”，對應于圖1中的各個Ti。以本文研究的原子及相關概念的學習進階為例，對于小學或剛上初中的學生而言，他們對于原子幾乎沒有什么特別的認識，在他們的視野里，大的東西是由小的東西組成的，而原子，就是很小的東西之一。

第二，不同階段學習者對原理的領會和把握，都是在具體的情境里發(fā)生的，這包括學習者對涉及到的各事物間的情境S和對這些事物存在的現(xiàn)象F的經(jīng)驗的分析。如剛上初中的學生，在解釋物質(zhì)構成的時候，他們必須面對具體的事物，如“一杯水”“一塊鐵”“一堆石頭”等。這些東西連同他們的“原子”，必須在一定的時空里存在。學生描述的石頭、水、鐵塊、空氣等就組成了他們的認識領域，這是他們的經(jīng)驗基礎，在圖2中即為“能解釋”的范圍，這是構建高一級的理論階段的基礎和出發(fā)點。

第三，理論需要通過一個基于現(xiàn)實的抽象過程建立起關系。但不同于科學家的研究，在限定的時間里，學生很難發(fā)現(xiàn)自身所擁有理論的缺陷，所以也就沒有發(fā)展理論的動力，這就需要教師構造這樣的場景，讓學生從可以解釋的經(jīng)驗開始，對相關問題、情境進行提問、辨析和取舍。這是一個經(jīng)驗抽象的過程，生動的現(xiàn)象和經(jīng)驗被模型化成“理論階段1”。然后通過反省抽象的過程，幫助學生拓展可解釋的領域，這樣階段1的理論逐漸得到確認和接納，而學生可認識的范圍——從一個理論階段的認識范圍，擴展到了另外一個階段的認識范圍，并且階段越高，可以認識和解釋的范圍也越大。

第四，隨著理論水平的提升，對同一事物的解釋也會發(fā)生變化。學習科學知識，不是一個單純的概念復述的問題，而是要考查學習者是否真正基于理論“認識”了某個或某類事物。學習的結果既不是完全取決于純粹的客體，也不是完全取決于主體，而是取決于主客體間的相互作用。(12)[瑞典]J.皮亞杰：《發(fā)生認識論原理》，王憲鈿等譯，北京：商務印書館，1970年，第21頁。這樣，學習者在不同的學習階段，對同樣的情境和現(xiàn)象的描述都會不同。比如在日出時刻，持“地心說”的人“看到的”是太陽圍著地球轉，而持“日心說”觀點的人則“看到了”地球圍著太陽轉。一般情況下，人們“看到”的“事實”依賴于觀察者的概念體系。

由此可見，學生學習包括物理學在內(nèi)的各門科學知識，既不是頭腦空白的文字復制，更不能以是否可以復現(xiàn)理論的文字表達而告終。學習的關鍵在于可以構建起科學的解釋體系(13)高嵩、洪正平、王其超：《科學探究中的科學解釋》，《山東師范大學學報(人文社會科學版)》2009年第6期。。綜上所述，科學概念或理論的學習不是一蹴而就的，而是一個不斷發(fā)展的過程。理論發(fā)展的動力來自于超越原有理論的新的情境的出現(xiàn)。教學中評價個體是否“學會”了某個物理概念，或者是否實現(xiàn)了進階，不僅要考查他能否復現(xiàn)原理的文字表述，還應從與理論對應的實踐經(jīng)驗的選擇和判定、相關模型的構建、思維和解釋方式等方面予以確定。

三、以初中原子主題重要概念為例進行學習進階研究

(一)測試過程

以小學到初中這一階段學生關于“原子”這一主題的學習進階情況為研究對象。首先，我們分析了我國小學科學課程標準、小學科學教材、初中物理課程標準、人民教育出版社出版的八年級和九年級教材，并參照美國的NGSS(下一代科學標準)，整理了關于“原子”的重要概念，把“物質(zhì)結構”重要概念列表中小學階段需要理解的重要概念作為起始概念，繪制出依據(jù)教科書及學習時間先后的概念關系圖。然后，構建原子主題的雙向細目表，制定原始題庫。之后，運用Rasch模型進行分析、修改、測評等一系列環(huán)節(jié)，直到得到符合Rasch模型要求的題目。最終選取青島某城區(qū)中學八年級、九年級各一個班共100個學生進行測試，試卷發(fā)放100份，回收100份，有效問卷94份，獲得了測試題目的難度與被試對象的關系，并進一步得到了初中原子主題下重要概念的學習進階模型。

(二)研究結果

圖3 初中物理原子重要概念測試題目與被試關系圖

通過測試，獲得了測試題目的難度與被試能力關系的懷特圖，結果如圖3所示。其中一個“X”表示一個被試，右側為題號。從圖中可以看出，題目和被試都有較好的匹配，保證了測量結果具有較高的可信度。

從圖3可以得到非常有趣的結果。首先看第3題(3.一杯水可以分成許多滴水，那么一滴水還可以無限分割下去嗎？( )A.能 B. 不能 C.不清楚)，該題問的是一滴水是否能無限可分，這與前后兩個題(分別讓被試分析小木塊和封在袋子里的空氣是否無限可分)考查的范疇是一脈相承的，就是涉及考查被試對常見狀態(tài)的物質(zhì)是否理解它們是可分的，但這個題對被試來說卻非常難。他們難以理解“小水滴”有多小，原子有多小，這說明對初中生來說，在頭腦中無法構建起二者間的數(shù)量關系。而另一道與大小相關的11題(11.下列各物體的尺度，按由小到大的順序排列正確的是( )A.夸克、原子核、質(zhì)子、原子；B.質(zhì)子、原子核、原子、夸克；C.夸克、質(zhì)子、原子核、原子；D.原子、原子核、質(zhì)子、夸克)，讓被試把夸克、原子核、質(zhì)子、原子按照尺度由小到大的順序進行排列，這對他們來說卻是難度適中，這是因為在學習過相關內(nèi)容之后，初中生對原子核的構成、電子的位置等在頭腦中有較為清晰的模型，所以出錯率較低。

其次，關注第9題(9.下列關于原子的說法中，正確的是( ) A.原子是由原子核和核外電子組成的；B.所有原子都由電子、質(zhì)子和中子組成；C.所有原子內(nèi)部的質(zhì)子數(shù)和電子所帶的電荷數(shù)不相等；D.帶正電荷的電子在原子核外空間繞核高速運動)，這個題目考查的是學生是否理解原子的結構，被試的出錯率也比較高。在測試之后我們進一步做了訪談，發(fā)現(xiàn)學生之所以出錯，是因為他們都沒有考慮到氫原子這個特殊情況。

本測試題中學生感到最困難的是第7題(7.春節(jié)期間，家家戶戶都要貼對聯(lián)，用膠水將對聯(lián)貼到墻上，是因為膠水分子間存在______的緣故。A．粘性；B.引力；C.斥力；D.不存在)，該題考查被試是否可以從分子間相互作用來解釋膠水貼春聯(lián)的現(xiàn)象，但很多被試認為膠水不同于學過的固體、液體和氣體三種狀態(tài)，所以粘性也不應該用“分子間既存在引力也存在斥力”來解釋。膠水這種物質(zhì)的分子還應具有引力、斥力以外的“粘力”，這說明初中生還沒有很好地構建起分子間相互作用力的模型。

而對于“原子主題”下的最后一個部分——對核能的解釋，由于初中階段，甚至整個中學階段都不需要基于核的模型做出更多的解釋。所以僅讓被試判斷關于核能說法對錯的第13題(13.下列關于核能的說法正確的是( )A.物質(zhì)是由原子組成的，原子中有原子核，所以利用任何物質(zhì)都能得到核能；B.到目前為止，人類獲得核能有兩種途徑，即原子核的裂變和聚變；C.原子彈和氫彈都是利用原子核裂變的原理制成的；D.自然界只有在人為的條件下才會發(fā)生裂變)，對被試來說難度適中。

基于以上分析，得到“原子主題”的重要概念學習進階，如圖4所示。

圖4 “原子主題”學習進階圖

虛線以下的是小學科學的學習內(nèi)容，是初中原子概念建立的基礎。圖4與最初按照課程標準和教科書制定的學習進階存在以下三個明顯的改變：

第一，對于分子動理論的三條基本原理，許多教師認為學生在學習過程中沒有難度區(qū)別，然而在實際測試中，對于涉及原子大小的問題，學生依舊出錯率很高，所以在修改后的“原子主題”進階圖中，將“分子是由原子構成的，且原子數(shù)量級約為10-10m”設置為更高的進階。第二，學生對分子動理論中“一切物質(zhì)的分子都在永不停息地做無規(guī)則運動，溫度越高運動越快”的理解，對理解“分子間有引力也有斥力”有影響，所以二者不是絕對獨立的，而是有一定的關聯(lián)性。第三，在圖4中可以看到與原子相關的概念可以分為三個層級，即以原子、分子為解釋模型的對宏觀物質(zhì)的構成和變化的理解；以“原子的核式模型”為解釋模型的對原子本身的理解；以“原子核也有結構”為解釋模型的對物質(zhì)分類問題以及核物理問題的理解。而核能的利用則屬于第三個層次的一個具體應用。所以，進階的表現(xiàn)與學習時間的先后不是必然聯(lián)系的。

四、結語

通過本研究，我們有如下結論：

第一，從本研究的結果來看，學生的學習過程中的確有著明顯的進階。但是進階不是指某一條概念或規(guī)律的進階，而是與此相關的一組概念的發(fā)展。所以當我們考查學生的學習進階時，要分析相互聯(lián)系的概念組。越到高階的認識，其相應的概念網(wǎng)絡會更加的嚴密。

第二，通過本研究我們更深刻地體會到，構建學習進階的過程是一個回歸的過程。起點仍舊可以是教科書、課程標準，但教師需要結合學生的情況確定概念體系的層次， Rasch模型可以在學生的能力和題目的難度間建立起較好的對應性。當然，關于其他的研究，研究者可以根據(jù)自己對該研究的認識，選定更加合適的方法。

第三，隨著學習的展開，認識范圍的變化并不是單一擴大。 圖2中某“理論階段”的認識范圍的變化并未像我們最初設想的那樣僅僅是擴大，而是有兩個方向：精確化和擴大化。比如小學階段學生并沒有清晰的原子的概念，所以，包括固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)的所有的物質(zhì)幾乎都在他們的認識范圍之內(nèi)，但到了初中，原子圖景越來越清晰，僅有微觀的問題才能進入到原子主題的認識范圍，使得研究的問題越加精確。另一個就是往更大的范圍發(fā)展，基于氫原子的結構，便可以更好地了解和認識更多更復雜的原子的結構，并以此為基礎，理解諸如金屬為何能導電、物體間發(fā)生相對運動時為什么可以產(chǎn)生摩擦力，等等。

第四，物理概念的進階，還體現(xiàn)在學習者所運用的工具上。進階的層次越高，數(shù)學推理的工具介入得就越深。如本研究中的兩個判斷句“原子數(shù)量級約為10-10m”和“一切物質(zhì)的分子都在永不停息地做無規(guī)則運動”，字面上難以說明哪個難哪個易。但當面臨具體問題時，前者要用數(shù)學表征、推理和運算，而這種能力的形成是非常不易的，對不同學生來說差異非常大。(14)柳笛、楊純：《兒童數(shù)量表征研究評述》，《華東師范大學學報(教育科學版)》 2017年第5期。所以物理學大師費恩曼在講解原子的時候，非常生動地講到：“如果把蘋果放大到地球那樣大，那么蘋果中的原子就差不多有原來的蘋果那樣大?！?15)[美]費恩曼、萊頓、桑茲：《費恩曼物理學講義》(第1卷)，鄭永令等譯，上海：上?？茖W技術出版社, 2012年，第31頁。

第五，學習進階還體現(xiàn)在描述所用的概念(或語詞)上。如初中伊始，學生所說的原子可能就是很小的東西，雖然模糊，但它可以幫助學生為建立有關小得看不到的微粒概念做準備，而到了初中，學習了相關理論之后，他們逐步建立起“球形”的原子和分子的模型，此時，原子、分子也并未嚴格的區(qū)分，都是指的構成物質(zhì)的基本單元，并在此基礎上理解分子動理論。這些站在認知的終點來看很不嚴格的語詞，卻能幫助學生逐步構建起以原子為核心的概念系統(tǒng)。

這提示我們在教學中應該分析學習進階的目標和學生的現(xiàn)實，采取恰當?shù)氖侄?，如合理設置學習情境，恰當引入物理學史的內(nèi)容，循序漸進地引入數(shù)理工具，都可以有效幫助學生達到學習進階的目標。