基于學(xué)習(xí)進階理論的物理教學(xué)設(shè)計*
——以“重力勢能”教學(xué)為例

(西北師范大學(xué)教育學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

1 引言

初中階段學(xué)生已經(jīng)對重力勢能有了定性的認識,重力勢能是學(xué)生學(xué)習(xí)機械能守恒定律的基礎(chǔ)。高中階段在重力勢能的教學(xué)中,教師應(yīng)該關(guān)注重力勢能概念的演變、學(xué)生思維的發(fā)展。學(xué)習(xí)進階的理論是根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況、教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)目標確定最近發(fā)展區(qū),劃分出不同的學(xué)習(xí)階段,通過對每一學(xué)習(xí)階段的描述,呈現(xiàn)需要學(xué)習(xí)的知識和所要達到的思維水平。依據(jù)學(xué)習(xí)進階理論進行教學(xué)設(shè)計,知識之間的內(nèi)在聯(lián)系更加緊密，有利于教師根據(jù)學(xué)生的實際水平設(shè)計符合學(xué)生思維發(fā)展的教學(xué)過程。筆者在學(xué)習(xí)進階理論的引領(lǐng)下,對重力勢能的教學(xué)進行設(shè)計。

2 學(xué)習(xí)進階理論

美國國家研究理事會(NRC)將學(xué)習(xí)進階定義為:學(xué)習(xí)進階是對學(xué)生連貫且逐漸深入的思維方式的假定描述,在一個適當?shù)臅r間跨度下,學(xué)生在學(xué)習(xí)和探究某一重要的知識或者實踐領(lǐng)域時,其思維方式逐漸進階[1]。

學(xué)習(xí)進階理論強調(diào)學(xué)生對某一主題的概念學(xué)習(xí)需要分階段(或者學(xué)段)進行,每一階段對該概念的學(xué)習(xí)都是在前一階段的基礎(chǔ)上進行加深或延展。學(xué)習(xí)進階是對“應(yīng)該為學(xué)生設(shè)定怎樣的學(xué)習(xí)路徑”這一問題的探索，其描述的學(xué)習(xí)路徑是學(xué)生在學(xué)習(xí)某一主題的概念時,思維所遵循的連貫的、由簡單到復(fù)雜的軌跡。這條軌跡由一系列相互關(guān)聯(lián)的、存在前后順序的概念組成,為學(xué)生提供學(xué)習(xí)圖景。指出先學(xué)什么、后學(xué)什么,先學(xué)的知識成為后續(xù)學(xué)習(xí)知識的基礎(chǔ)[2]。

3 基于學(xué)習(xí)進階理論的“重力勢能”教學(xué)設(shè)計

王較過、趙萍萍認為由于年齡和認知能力發(fā)展水平的限制,中學(xué)生對核心概念的學(xué)習(xí)不可能一步到位,必須經(jīng)歷一個循序漸進,由淺入深,逐步深化的過程,這個過程不但表現(xiàn)為核心概念的學(xué)習(xí)進階,而且是可持續(xù)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。高中生在初中時已經(jīng)學(xué)習(xí)過重力勢能的概念,但是不夠深入,需要進一步學(xué)習(xí)。然而,概念的學(xué)習(xí)并非線性的,學(xué)生需要不斷地在新情景中重溫概念,以深化對概念進一步的理解[3]。

3.1 教材分析

重力勢能是學(xué)習(xí)機械能守恒定律、應(yīng)用能量觀點解決物理問題的基礎(chǔ)，因此重力勢能的教學(xué)是本章的重點。物體由于被舉高而具有重力勢能,物體在被舉高的過程中重力做功,重力做功的過程就是重力勢能變化的過程；然后通過分析，總結(jié)重力做功與路徑無關(guān)的特點；構(gòu)建重力勢能的概念，推導(dǎo)出重力勢能的表達式；進一步討論重力勢能具有相對性，重力勢能為物體與地球系統(tǒng)所共有。

3.2 學(xué)情分析

高一學(xué)生在初中階段已經(jīng)對重力勢能有定性的認識，隨著學(xué)生知識的增長、思維的發(fā)展,高中生對重力勢能的認識將由定性上升到定量，在對重力做功與路徑無關(guān)的特點的認識基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出重力勢能的表達式。學(xué)生應(yīng)用能量觀點分析、解決物理問題存在很大困難,主要表現(xiàn)在對研究對象的選擇和物理過程的具體分析上。

還有學(xué)者對二語習(xí)得中影響語言遷移的社會因素進行大量的研究，找到影響語言遷移的因素，即年齡、性別、文化水平、社會地位、民族等因素都會影響語言遷移的發(fā)生。

3.3 進階目標

《普通高中物理課程標準(2017年版)》對重力勢能的教學(xué)基本要求是：理解重力勢能。知道重力勢能的變化與重力做功的關(guān)系[4]。學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容后，學(xué)生要能理解重力勢能的概念、重力勢能的表達式,會計算物體的重力勢能,知道重力勢能的變化與重力做功的關(guān)系。

3.4 進階起點

《義務(wù)教育物理課程標準(2011年版)》對重力勢能的教學(xué)要求是：知道勢能。通過實驗,了解動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化。舉例說明機械能和其他形式能量的相互轉(zhuǎn)化[5]。因此,高一學(xué)生在學(xué)習(xí)重力勢能之前，已經(jīng)知道：受到重力的物體被舉高后所具有的能叫做重力勢能。物體質(zhì)量越大,位置越高,它做功的本領(lǐng)就越大,物體具有的重力勢能就越大。在教學(xué)中要引導(dǎo)學(xué)生利用做功的一般表達式W=Flcosα，推導(dǎo)出重力勢能的表達式。

3.5 進階層次劃分與主要教學(xué)活動設(shè)計

進階第一層次——探究重力勢能與哪些因素有關(guān)？

在透明的容器內(nèi)裝上細沙。

圖1

實驗二:用大小不同的兩個鋼球從同一高度釋放,觀察兩個鋼球落在細沙中的深度。

實驗現(xiàn)象:在實驗一中,鋼球釋放高度越大,鋼球落在細沙中的深度越大;在實驗二中,質(zhì)量大的鋼球落在細沙中的深度大。

結(jié)論:重力勢能與物體的質(zhì)量和高度有關(guān),質(zhì)量越大、高度越高,重力勢能就越大。

進階第二層次——探究重力做功與什么因素有關(guān)？

質(zhì)量為m的小球,從高度為h1的位置A,運動到高度為h2的B處,在以下三種情景中重力對小球各做了多少功(如圖1、圖2、圖3)？

圖2

圖3

情景一:重力做功WG=mgh=mgh1-mgh2。

情景二:重力做功WG=mgLcosθ=mgh=mgh1-mgh2。

情景三:重力做功WG=mgΔh1+mgΔh2+mgΔh3+…=mgh=mgh1-mgh2。

結(jié)論:重力做功只與物體的初末位置有關(guān),而與運動路徑無關(guān)。重力對小球做的功WG=mgh=mgh1-mgh2。

進階第三層次——建立重力勢能的概念。

在進階第一、二層次的基礎(chǔ)上,根據(jù)“功是能量變化的量度”可知“mgh”必然是一種能量,且是與物體質(zhì)量和位置相關(guān)的能量,物理學(xué)中把這種能量叫做重力勢能(物體所受重力與所處高度的乘積),用EP表示,即EP=mgh。

說明:① 重力勢能的單位:焦耳(J);② 重力勢能是標量;③ 重力做功與重力勢能的關(guān)系:重力做的功等于物體重力勢能變化量的負值(用EP1、EP2分別表示物體初、末狀態(tài)的重力勢能),則WG=-(EP2-EP1)。

進階第四層次——重力勢能的相對性和系統(tǒng)性。

高度具有相對性，重力勢能與高度有關(guān),因此,重力勢能具有相對性。所選參考平面(參考平面的選取是任意的,通常選取地面為參考平面)不同時,同一物體的重力勢能不同。重力勢能與重力有關(guān),重力是地球與物體之間的相互作用,因此重力勢能是物體與地球組成的系統(tǒng)共有的,而不是地球上某一物體單獨具有的能量。

4 結(jié)論

基于學(xué)習(xí)進階的理論對重力勢能的教學(xué)設(shè)計,將知識進行細化,

知識之間的邏輯性更強,將重力勢能的教學(xué)過程劃分為四個進階層次,層層遞進,逐步進階,引導(dǎo)學(xué)生建立重力勢能的科學(xué)知識?；趯W(xué)習(xí)進階的理論進行教學(xué)設(shè)計,可以推廣到其他物理知識的教學(xué)設(shè)計中。

[1] 郭玉英,姚建欣.基于核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)進階的科學(xué)教學(xué)設(shè)計[J].課程·教材·教法,2016，(11):64-67.

[2] 劉晟,劉恩山.學(xué)習(xí)進階:關(guān)注學(xué)生認知發(fā)展和生活經(jīng)驗[J].教育學(xué)報,2012，(2):81-87.

[3] 王較過,趙萍萍.概念圖在中學(xué)物理核心概念學(xué)習(xí)進階的應(yīng)用[J].中學(xué)物理教學(xué)參考,2015，(11):2-6.

[4] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準(2017年版)[M].北京:人民教育出版社,2018:15.

[5] 中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標準(2011年版)[M].北京:北京師范大學(xué)出版社,2012:21.