基于“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的物理概念教學(xué)

柯曉露

摘 要：以“學(xué)習(xí)進(jìn)階”為理論依據(jù)，遵循學(xué)生的思維發(fā)展路徑，制定“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的起點(diǎn)、終點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)，圍繞學(xué)科核心概念建構(gòu)物理概念。以“超重與失重”為例展示物理概念的教學(xué)過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)“加速度”概念的深化學(xué)習(xí)，進(jìn)一步掌握學(xué)科核心概念“運(yùn)動(dòng)和相互作用”，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。并以此出發(fā)探討中學(xué)物理概念教學(xué)。

關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)進(jìn)階；概念教學(xué)；超重與失重

引言

教育部在2018年1月份公布了高中課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版），這意味著新一輪的高中課程標(biāo)準(zhǔn)改革的正式實(shí)施。學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)是本次課程改革的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在物理教學(xué)領(lǐng)域，整合與發(fā)展是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的重要方法。通過(guò)整合建構(gòu)物理學(xué)科的概念體系，通過(guò)發(fā)展使學(xué)生隨著學(xué)習(xí)進(jìn)階實(shí)現(xiàn)學(xué)科素養(yǎng)的進(jìn)階發(fā)展[ 1 ]。

1 學(xué)習(xí)進(jìn)階理論描述

從1980年起，人們?cè)谘芯扛拍钷D(zhuǎn)變時(shí)，嘗試將時(shí)間拉長(zhǎng)，并對(duì)概念轉(zhuǎn)變的模式整合，從而建構(gòu)概念認(rèn)知模型，這就是學(xué)習(xí)進(jìn)階研究的內(nèi)容。學(xué)習(xí)進(jìn)階理論在美國(guó)教育界最先興起，2012年，美國(guó)發(fā)布的《K-12科學(xué)教育框架：實(shí)踐、通用概念及核心概念》使用“學(xué)習(xí)進(jìn)階”制定學(xué)生在各學(xué)段的學(xué)習(xí)目標(biāo)。學(xué)習(xí)進(jìn)階是學(xué)生學(xué)習(xí)或者探究知識(shí)時(shí)，其思維方式的連續(xù)不斷精致化發(fā)展的路徑描述。學(xué)習(xí)進(jìn)階在圍繞“核心概念”建構(gòu)時(shí)，刻畫學(xué)生不同層級(jí)的知識(shí)和能力，在深入探究的學(xué)習(xí)中實(shí)現(xiàn)學(xué)科素養(yǎng)的發(fā)展。學(xué)習(xí)進(jìn)階有以下的水平層級(jí)，不同的層級(jí)代表學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的掌握程度：（1）低錨點(diǎn)，進(jìn)階的起點(diǎn)，即學(xué)生學(xué)習(xí)的前概念；（2）高錨點(diǎn)，進(jìn)階的終點(diǎn)，即學(xué)生要掌握的科學(xué)概念；（3）進(jìn)階節(jié)點(diǎn)，學(xué)生在達(dá)到進(jìn)階終點(diǎn)前的重要理解步驟[ 2 ]。

“學(xué)習(xí)進(jìn)階”實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為本的教育理念，教師的教圍繞學(xué)生的學(xué)進(jìn)行，通過(guò)測(cè)試學(xué)生所處的進(jìn)階節(jié)點(diǎn)來(lái)調(diào)整教學(xué)方式和策略，這樣的教學(xué)策略是高效的。

2 圍繞學(xué)科核心概念建構(gòu)物理概念

對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性抽象概括稱為科學(xué)概念，是學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的重要組成部分?？茖W(xué)概念分為4個(gè)層次，按思維水平層級(jí)從高到低依次為層次1“學(xué)科核心概念”、層次2“主題核心概念”、層次3“重要概念”、層次4“基礎(chǔ)概念”，層次3“重要概念”又分為兩個(gè)亞層次，“基本概念”和“關(guān)系概念”[ 3 ]。

學(xué)科的核心概念是學(xué)科結(jié)構(gòu)的主干部分，在“學(xué)習(xí)進(jìn)階”理論中，應(yīng)圍繞學(xué)科核心概念建構(gòu)物理概念，這樣的學(xué)習(xí)邏輯嚴(yán)密成系統(tǒng)，能有效培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)，建立學(xué)科體系。

下面以普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）中“必修1”里的“相互作用與運(yùn)動(dòng)定律”主題下的“超重與失重”為例，談?wù)劵凇皩W(xué)習(xí)進(jìn)階”的物理概念教學(xué)。

3 以“超重與失重”為例的“學(xué)習(xí)進(jìn)階”教學(xué)

在利用“學(xué)習(xí)進(jìn)階”理論進(jìn)行教學(xué)時(shí)，學(xué)生是否按照進(jìn)階假設(shè)進(jìn)行學(xué)習(xí)的驗(yàn)證可通過(guò)測(cè)試和訪談來(lái)進(jìn)行。

3.1 概念的界定

在“超重與失重”學(xué)習(xí)中，所要圍繞的學(xué)科核心概念為“運(yùn)動(dòng)與相互作用”，這個(gè)學(xué)科核心概念涉及的領(lǐng)域非常廣泛，即有力學(xué)領(lǐng)域，也有電磁學(xué)領(lǐng)域等。在層次1下的層次2主題核心概念為“力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系”，這是層次3基本概念“加速度”與“力”關(guān)聯(lián)的建構(gòu)。在“超重與失重”教學(xué)中，通過(guò)對(duì)概念之間的關(guān)聯(lián)，提高學(xué)生對(duì)基本概念“加速度”和主題核心概念“力與運(yùn)動(dòng)”的理解水平，從而更深入掌握學(xué)科核心概念“運(yùn)動(dòng)與相互作用”。

在概念關(guān)聯(lián)建構(gòu)中，屬于層次4“基礎(chǔ)概念”，即影響建構(gòu)的知識(shí)要素有質(zhì)點(diǎn)、位置、參考系、時(shí)間、時(shí)刻、標(biāo)量和矢量等。

3.2 “學(xué)習(xí)進(jìn)階”的終點(diǎn)

“超重與失重”在普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）內(nèi)容要求中的1.2.3的描述為“通過(guò)實(shí)驗(yàn)，探究物體運(yùn)動(dòng)的加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系。理解牛頓運(yùn)動(dòng)定律，能用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解釋生產(chǎn)生活中的有關(guān)現(xiàn)象、解決有關(guān)問(wèn)題。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)超重和失重現(xiàn)象?！毙抡n標(biāo)強(qiáng)調(diào)了建模的重要性，在“超重與失重”中，通過(guò)建模使學(xué)生更深入理解和掌握“加速度”這個(gè)基本概念。

在“超重與失重”中，學(xué)生通過(guò)建構(gòu)模型加深對(duì)“加速度”這個(gè)科學(xué)概念的理解，如果沒有引入加速度的概念，就無(wú)法定量描述機(jī)械運(yùn)動(dòng)和相互作用之間的關(guān)系，無(wú)法解釋相關(guān)物理現(xiàn)象。要建構(gòu)的模型為：物體在豎直運(yùn)動(dòng)中，當(dāng)加速度向上時(shí)，物體的視重（物體對(duì)懸掛物的拉力或?qū)χС治锏膲毫Γ┐笥谥亓?，產(chǎn)生超重現(xiàn)象，當(dāng)加速度向下時(shí)，物體的視重小于重力，產(chǎn)生失重現(xiàn)象，當(dāng)物體的加速度正好等于重力加速度時(shí)，視重為零，稱為完全失重。

3.3 “學(xué)習(xí)進(jìn)階”的起點(diǎn)

在學(xué)習(xí)“超重與失重”前，通過(guò)分析學(xué)生的認(rèn)知水平可以知道，學(xué)生有以下的前概念，也就是“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的起點(diǎn)如下：

（1）學(xué)生已學(xué)過(guò)“重力”和“彈力”的概念，經(jīng)歷質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的建構(gòu)過(guò)程，對(duì)“機(jī)械運(yùn)動(dòng)”和“相互作用”概念有了一定層次的掌握。

（2）學(xué)生已學(xué)過(guò)牛頓三大定律，理解加速度和受力、質(zhì)量之間的關(guān)系。

（3）學(xué)生混淆視重與實(shí)重之間的關(guān)系，有認(rèn)為超重和失重就是物體自重增加和減少的錯(cuò)誤觀念。

（4）學(xué)生可能會(huì)把超重、失重與運(yùn)動(dòng)方向即速度方向聯(lián)系起來(lái)。

在教學(xué)之前，可對(duì)學(xué)生進(jìn)行一個(gè)前測(cè)，掌握學(xué)生的認(rèn)知水平，從而更有效地進(jìn)行教學(xué)。

3.4 “學(xué)習(xí)進(jìn)階”的節(jié)點(diǎn)

在“超重與失重”的教學(xué)建模中，應(yīng)按學(xué)生的思維發(fā)展進(jìn)行建模，讓學(xué)生親身體驗(yàn)建模過(guò)程。在學(xué)生的思維發(fā)展過(guò)程中，有幾個(gè)關(guān)鍵的理解步驟，也就是“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的節(jié)點(diǎn)，教師應(yīng)清晰認(rèn)識(shí)到這幾個(gè)節(jié)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生的思維路徑順利走到最后的終點(diǎn)。學(xué)生在參與建模的過(guò)程中，可以真正使知識(shí)內(nèi)化。

3.4.1 節(jié)點(diǎn)一：超重與失重不是物體自重的改變

在這里，可以設(shè)置如下情境：

情境1：把紙帶對(duì)折掛上鉤碼，只用一只手能否把紙帶拉斷？

情境2：把一條橡皮筋套在手指上，掛上鉤碼，上下運(yùn)動(dòng)，感受手指的受力。

情境3：在體重計(jì)上站起、下蹲，觀察示數(shù)變化。

在情境1中，大部分學(xué)生基于前概念建立起拉力等于重力的模型，如圖1所示，會(huì)回答一只手是不能拉斷紙帶的。這時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)引起學(xué)生的認(rèn)知沖突，學(xué)生原有知識(shí)不能解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)，必須修改模型。

在情境2和情境3中，學(xué)生同樣會(huì)建構(gòu)如圖1的模型，通過(guò)手指受力感受鉤碼所受的拉力的改變和觀察體重計(jì)示數(shù)的變化，給學(xué)生提供定性直覺理解的機(jī)會(huì)，這是一種類比架橋的策略。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)和引導(dǎo)，學(xué)生建構(gòu)起如下模型：物體自重不變，在向上或向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，拉力或支持力會(huì)產(chǎn)生變化，引起超重或失重。

3.4.2 節(jié)點(diǎn)二：超重和失重與物體的運(yùn)動(dòng)方向，即速度方向無(wú)關(guān)。

進(jìn)一步分析情境3，觀察體重計(jì)的示數(shù)變化。

教師提問(wèn)，在什么情況下會(huì)引起超重或失重？大部分學(xué)生會(huì)把超重和失重與物體運(yùn)動(dòng)方向，即下蹲或站起聯(lián)系起來(lái)。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察回答問(wèn)題時(shí)將會(huì)互相沖突，有些人回答下蹲示數(shù)變大超重，站起示數(shù)變小失重，有些人回答下蹲示數(shù)變小失重，站起示數(shù)變大超重等等。學(xué)生會(huì)建構(gòu)如圖2的物理模型：

最后，學(xué)生通過(guò)認(rèn)知沖突了解到，超重和失重與運(yùn)動(dòng)方向，即速度方向無(wú)關(guān)。以上的模型建構(gòu)存在問(wèn)題，必須修改。很顯然，用速度方向無(wú)法解釋超重和失重。

3.4.3 節(jié)點(diǎn)三：超重和失重的產(chǎn)生條件為物體在豎直方向上運(yùn)動(dòng)的加速度a的改變。

引入影響因素加速度a應(yīng)非常慎重，應(yīng)按照學(xué)生的思維路徑引導(dǎo)引入。教師可設(shè)置如下情境：

情境4：坐電梯的時(shí)候，電梯在上升和下降過(guò)程中感受超重和失重。

在情境4中，教師用拉力傳感器提升下降重物模擬坐電梯。如圖3所示：

學(xué)生通過(guò)傳感器產(chǎn)生的圖象，發(fā)現(xiàn)了超重和失重的產(chǎn)生條件為物體在豎直方向上的加速度a。并引入牛頓第二定律，最后建構(gòu)了科學(xué)模型（圖4）。

通過(guò)對(duì)“超重與失重”的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)基本概念“加速度”有了更進(jìn)一步的掌握。通過(guò)解釋“超重和失重”現(xiàn)象，對(duì)“加速度”概念的意義進(jìn)行了進(jìn)一步的建構(gòu)，促進(jìn)了“加速度”概念內(nèi)涵的深化和外延的拓展，并對(duì)“力”和“加速度”這兩個(gè)概念的關(guān)聯(lián)做了進(jìn)一步的建構(gòu)。從而使學(xué)生更深入掌握主題核心概念“力與運(yùn)動(dòng)”和學(xué)科核心概念“運(yùn)動(dòng)和相互作用”，培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)，達(dá)到了教學(xué)的目的。

4 反思和建議

在實(shí)際教學(xué)中，有如下的教學(xué)建議：（1）為確定學(xué)生的認(rèn)知水平，有必要要求學(xué)生進(jìn)行定型推理和口頭解釋，闡明自己的觀點(diǎn)；（2）某些概念的理解和突破難以用口授的教學(xué)方式來(lái)解決，在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上，必須在設(shè)定的情境中，以多次質(zhì)疑的方式來(lái)解決；（3）學(xué)生應(yīng)參與到概念定型模型的建構(gòu)中來(lái)。

通過(guò)課例可以看出，利用“學(xué)習(xí)進(jìn)階”理論進(jìn)行概念教學(xué)，能順應(yīng)學(xué)生的思維發(fā)展，對(duì)建構(gòu)物理模型，掌握學(xué)科核心概念，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)有較大的作用，從而達(dá)到了物理學(xué)科的教學(xué)目的。

在物理教學(xué)中，應(yīng)從課標(biāo)和書本內(nèi)容中提取所要教授的“重要概念”，并圍繞“學(xué)科核心概念”進(jìn)行教學(xué)。從學(xué)生的認(rèn)知水平出發(fā)。分析“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的起點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)和終點(diǎn)，從而使學(xué)生的認(rèn)知沿思維路徑展開，建構(gòu)科學(xué)模型。

參考文獻(xiàn)：

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