构建“CEA”解释模型促进深度学习的实践——以《大气压强》为例.docx

构建"CEA”解释模型促进深度学习的实践以大气压强为例蔡呈腾本文摘要：以解释大气压强存在为实例来构建“CEA”解释模型，并进行应用。通过实例，以课程标准、模型要素、解释内涵等来设置“CEA”解释模型来促进深度学习。具体实践通过活动开放、对比设计、证据全面和归因分析来达成深度学习。“CEA”解释模型在课堂教学中具有表征上的简化与抽象、思维上的推理与预测、活动上的协作与会话等价值。关键词：“CEA”解释模型深度学习大气压强“科学地解释现象”是PISA2015素养框架中三大能力要素之一。解释自然现象是科学的核心任务，也是科学教学的重要形式。对广泛的教师在课堂上的科学解释行为进行分析，大致可将科学解释分为类比的、拟人的、功能的、起源的、机制的、形而上的、实用的、理性的、同义反复的和目的论的等十种解释类型。这十种解释类型中，有些解释类型并不符合促进学生深度学习。教师只有通过建构标准的解释模型来帮助学生构建科学概念，从而才能促进学生深度理解科学概念。本文以学习大气压强为例，通过构建“CEA”解释模型来促进学生深度理解大气压的存在。“CEA”解释模型中的“CEA”分别代表对比(Contrast)证据(Evidence)归因(Attribution)o“对比”就是通过设置一个对比实验，在对比实验中能呈现出相对的、差异性大的实验现象，为解释提供“证据”，从而解释科学现象。在“对比”实验操作形成相对“证据”的过程，需要通过“归因”来深化从现象到本质的科学概念构建与理解。“CEA”解释模型构架如图1所示。一、l4CEAn解释模型设置“CEA”解释模型设置是基于教学目标的具体体现，需要充分考虑解释所需要的科学概念与学生接受能力之间的关系。义务教育初中科学课程标准（2011版）对大气压强的课程要求是“通过实验认识大气压”。浙教版初中科学教材对“认识大气压”教材内容设置包括大气压强存在的证据，大气压强的大小等。浙教版八年级科学上册第2章第3节大气压强的第1课时的主要内容就是“大气压强的存在”。教材是通过图2覆杯实验、图3牛奶盒的变化、图4瓶中取袋三个活动，形成大气压强存在的证据链，再通过“讨论与交流”中的图5吸饮料、图6紧贴在墙面上的吸盘，利用大气压强存在的知识解释这两种现象，最终通过图7科学史马德堡半球实验以及阅读材料图8“吸盘一一动物身上的马德堡半球”进一步解释与应用。图2覆杯实验图3牛奶盒的变化图4瓶中取袋图5吸饮料图6紧贴图7马德堡半球实验图8章位触手上的E基于“CEA”解释模型来学习大气压强的存在，目标指向初中科学课程核心素养，具体如下：通过构建“CEA”解释模型，建立大气压强存在是基于大气作为物质存在的反映，形成物质观和平衡观；构建“CEA”解释模型解释大气压强存在来培养模型建构、科学推理及论证的科学思维能力；基于自主活动开展大气压强存在的探究实践，通过对比、问题、证据、解释、交流等活动构建“CEA”解释模型，并利用“CEA”解释模型来解释大气压强存在；在构建和应用“CEA”解释模型过程中深入理解大气压强存在的科学本质。2 .基于模型要素设置“CEA”解释模型教学内容“CEA”解释模型的对比、证据和归因，本身是科学思维过程，是从科学现象深化为科学本质的过程，为深度学习提供脚手架。（1）对比，为证据提供显著现象。解释大气压强存在，为学生提供自主活动的实例，提供对比实验。如图4瓶中取袋实验，既提供完整的塑料袋，也提供底部有小孔的塑料袋，这样就形成了成功与失败实验的对比。通过成功与失败的对比分析，形成“构建一个封闭空间，是解释和应用大气压强来实现特定功能（如盘能“吸”在墙面上）的关键。（2）证据，为归因提供典型案例。大气压强存在的“CEA”解释模型，关键的环节是活动需要一个“操作”来减小密闭空间里的大气压强。在所有体现大气压强存在的现象中，概括后发现，通过三种方式减少大气压强大小：一是通过减少密闭空间里的气体质量来减小气压；二是通过增大密闭空间里气体的体积来减小气压；三是通过降低密闭空间里的气体温度来减小气压。故在构建“CEA”解释模型时，只要选择这三种有代表性的典型案例，就可以“囊括”所有解释大气压强存在现象，使“CEA”解释模型具有普遍意义。（3）归因，为思维提供深化路径。对于初中学生来说，思维发展从现象到本质的过程，是基于经验事实到概念抽象的过程。如在图5吸饮料活动中，在确定“由口腔、吸管和饮料液面构成的密闭空间”后，“吸”这个动作能改变的是密闭空间中的空气质量，而不是空气体积。造成“液面上升而密闭空间体积减小”是大气压强的直接结果，不是“吸”的直接结果，“吸”的直接结果是密闭空间里的气体质量的减少。此过程的归因分析，不但提炼了“空气质量”的科学概念，还将变化过程的前因后果进行了逻辑梳理。3 .基于解释内涵设置“CEA”解释模型深度学习（1） “CEA”解释模型是基于著名的亨普尔演绎一律则解释模型（D-N模型）发展而来的。如我们解释图4“杯中取袋”时，被解释项就是“为什么袋难以被拉出来”；“袋要贴着杯子内壁”“袋口用橡皮筋扎紧在杯口处使袋与杯壁形成一个密闭的空间”等就是解释项；“密闭空间里的空气质量的减小、体积的增大和温度的降低等会减小密闭空间里的气压”是普遍律。显然，以解释“为什么袋难以被拉出来”，就需要有“手拉袋造成袋与杯子形成的密闭空间的体积变大，从而气压变小”这个普遍律从解释项中推导出；同时，“袋要贴着杯子内壁”“袋口用橡皮筋扎紧在杯口处使袋与杯壁形成一个密闭的空间”等解释项是能被实验或观察所证实的，描述的这类句子也是真的。“CEA”解释模型遵循D-N模型前提条件，同时在构建解释模型进行对被解释项进行解释的过程中，提炼科学概念（如通过对密闭空间里的变化现象提炼出“质量”减小、“体积”变大、“温度”降低等），理解科学原理（对于一定质量的理想气体来说，质量、体积和温度就是影响其气压的三个因素，其规律符合理想气体状态方程），实现从现象到本质的抽象概括，也初步定性地建立一定质量的气体（可认为是理想气体）的气压与质量、体积和温度的关系，从而能解释日常生活中的许多现象，如排球充气越多，排球越“硬”（质量越大气压越大）；夏天轮胎充气太足容易爆胎（温度越高气压越大）；前端封闭的注射器活塞越来越难推（体积越小气压越大）等。（2） “CEA”解释模型属于当下国际上总结出的八类模型中的“概念一过程模型”。课堂中通过构建解释大气压强存在的现象，构建“CEA”解释模型，不仅仅只能利用此构建的解释模型来解释更多的现象，而且通过建构“CEA”解释模型过程，来理解科学知识和原理，建构科学知识体系，促进深度学习。如此课例中针对大气压存在的一系列实例现象，通过对比、证据、归因，抽象出它们都需要通过一些“操作”来构建一个密闭的空间，并通过减小质量（或增大体积或降低温度）来减小气压，理解“理想气体状态方程”中气压与质量、体积、温度等量的关系，并用科学语言进行表征,这就是建模的过程，是通过建模的具体实践来培养这种建模能力的。解释大气压存在实例的“CEA”解释模型建构过程如图9所示：图9解释大气压存在实例的aCEA"解释模型泮学教师学书二、uCEAn解释模型实践通过课堂上的科学探究和实践，帮助学生构建“CEA”解释模型来理解科学原理，并应用“CEA”解释模型来解释其他大气压强存在，甚至还可以利用“CEA”解释模型来改进与创新应用大气压强的设备和仪器，从而促进深度学习。1.活动开放是构建“CEA”解释模型促进深度学习的实践基础本课时解决一个核心的问题，就是“寻找大气压存在的证据”。课堂是从如图2所示的教师演示覆杯实验开始的。演示实验后，组织学生讨论“覆杯实验能说明大气压强存在吗？”学生的争议点就在于“硬纸片不会掉下来一定是大气压强存在的原因吗”“为什么杯子里无水时大气压强也存在，硬纸片却掉下来了”等问题上。如上两个问题的存在，使覆杯实验中体现大气压强存在的证据并不是特别充分。此时，组织学生通过开放式的活动，以4人为学习小组，分组体验活动。提供给每个小组的是两个如图4所示的瓶中取袋（其中一个袋底有小孔），两支吸管吸矿泉水（其中1支吸管上部被扎了小孔），若干个大小不一的吸盘，1对如图10所示的玻璃吸盘，两个空的软矿泉水瓶（其中一个瓶子上端被扎了小孔。为了保护用热水的安全，教师轮流给每小组的矿泉水瓶倒热水）。让小组学生自主“寻找大气压强存在的证据”。图10玻璃吸书2 .对比设计是构建“CEA”解释模型促进深度学习的思维导向在学生展示与汇报“大气压强存在证据"环节，因为有对比实验的现象，学生汇报的重点很容易集中到“大气压强存在证据”的模型建构上，从而为构建“CEA”解释模型做好铺垫。以图4瓶中取袋为例，对比分析“一个袋子容易被拉出瓶子，另一个不容易”，从而形成“构成一个密闭的空间”的重要性；而后还需要有一个“拉”的操作，目的是增大空间的体积。“拉”是一个表象化的动作，形成了一个表象现象，需要组织学生讨论对此表象的对应的科学概念的抽象与提炼。通过“拉”后，减小密闭空间的气压，从而形成“袋子内外的气压差”，使袋子不容易被拉出。在组织学生提炼此过程中，同时板书如图9。uCEAw解释模型的构建，是在对比实验现象的基础上，激发学生对“貌似相同的实验却有不同的实验结果”的探索兴趣，寻找不同现象产生的原因。当然对比实验不仅仅只有这一个，还有“用吸管吸矿泉水”的对比实验，“用热水倒入矿泉水后马上倒出，并盖上盖子”的实验等。如此形成了实验现象的序列化，使实验引起的科学思维更具有思辨性，深化了学习思维。3 .证据全面是构建“CEA”解释模型促进深度学习的深化进路活动的实践基础是获得体验，而理论基础是从体验中形成完整的理论体系。本课例所选择的活动除了来自教材之外，还需增加了两个活动：一是如图10所示的玻璃吸盘，可代替马德堡半球实验，请两位“力气大的男生”来表演能不能将它们拉开。值得说明的是，玻璃吸盘的原理与马德堡半球在“减小密闭空间气压”的“操作”后的原理是不同的。教学时结合图10的操作演示后发现，玻璃吸盘是利用“增大密闭空间的体积”而减小气压的，而引入科学史马德堡半球实验时，是通过抽气机“抽气减小质量”而减小气压的。二是如图11所示的热水倒矿泉水瓶实验。这是一个补充活动，活动的目的是教材实例中缺失的“温度影响气压大小”的实例，即补充了“一定质量的气体温度越低气压越小”的实例。这样，本节课不但构建了“CEA”解释模型，同时也深度理解“影响气压大小因素”（理想气体状态方程各物理量之间的定性关系）。同时可让学生解释“添加热水一段时间后的热水瓶，塞子往往不容易拔出来”之类的现实问题。图11矿泉水礼主岛场陵?4 .归因分析是构建“CEA”解释模型促进深度学习的评价逻辑归因的本质是评价，是寻找证据的过程。不管是构建“CEA”解释模型，还是利用模型来解释日常关于大气压强存在的实例，都是在评价过程中实现的。以图4瓶中取袋构建“CEA”解释模型为例，当通过对比活动明确“构建一个密闭的空间”的重要性时，学生对“拉”袋底的“操作”给予分析评价，目的是“增大体积”，归因是“减小气压”，这种归因往往是一种猜测性推理基础上形成的。从基于归因分析指向深度学习的评价逻辑出发，可让学生举例说明“日常生活中哪些事例能说明增大气体体积能减少气压？”最终整个课例的板书是以图9的形式呈现的。三、uCEAn解释模型价值台湾学者邱美虹认为模型具有描述性、解释性、预测性、抽象化、模拟、沟通、推理性、问题解决这八个功能宵1°“CEA”解释模型也具备这八大功能，但突出体现在引发深度学习方面：1. “CEA”解释模型引发表征上的简化与抽象科学解释现象能力的培养，需要模型支持。“CEA”解释模型以对比、证据和归因这三个非常简洁的要素来概括与提炼芜杂的现象，突显自然或社会现象非良构情境下的主体特征，并加以简化与抽象，形成科学概念。如本课例从变化的现象中提炼出气体质量、体积和温度对大气压强大小的影响。2. “CEA”解释模型引发思维上的推理与预测“CEA”解释模型中的对比会凸显出证据，从证据归因，往往需要推理与预测才能完成。如在本课例中为大气压强存在形成的证据，都是通过某项“操作”形成“变化的现象”，从而提炼出质量（或体积或温度）的变化对气压的影响，它们之间的关系是基于现象的证据进行归因时，利用推理与预测来完成的。也以此构建了理想气体状态方程的定性理解框架。3. “CEA”解释模型引发活动上的协作与会话“CEA”解释模型的对比、证据和归因三要素，是基于学生学习实践活动发生的，需要组织学生形成学习共同体，通过学习共同体的协作与会话，完成模型的构建及应用。此课例中对比实验现象的分析会引发学习共同体在认知上的兴趣，从而引发探索的意愿，通过协作与会话构建“CEA”解释模型，或应用此模型解释现象。参加文献1姚建欣，郭玉英，克努特诺依曼.科学解释能力培养模式的教育反思与哲学分析口.自然辩证法研究，2017,33(1):93-99.义务教育初中科学课程标准M.北京师范大学出版社，中华人民共和国教育部，2011.叶闯.亨普尔科学解释模式的核心问题及其解决J.自然辩证法通讯,1997(04):10.18.赵萍萍，刘恩山.科学教育中模型定义及其分类研究述评J.教育学报,2015,ll(01)4653.邱美虹,刘俊庚.从科学学习的观点探讨模型与建模能力.科学教育月刊，2008z(314):2-20.