基于學習進階的探究學習教學設計與實踐*
——以初中物理“動能和勢能”為例

張紅洋 王紅美

(陜西師范大學物理學與信息技術學院 陜西 西安 710119)

學習進階在學習、評價和課程等領域逐漸成為研究熱點.2004年《加拿大科學、數(shù)學與技術教育雜志》第4卷第1期?？l(fā)表關于學生科學概念發(fā)展的學習進階(Learning Progressions)的研究報告，到2013年美國頒布的《新一代科學教育標準》貫穿著學習進階研究的最新成果和思想.美國國家研究理事會將學習進階定義為“在較大時間跨度內(nèi)，學生學習和研究某一主題時，對學生連貫且逐漸深入的思維方式的描述”[1].我國較早研究學習進階的北京師范大學劉恩山教授對其定義是：對學生在各學段學習同一主題的概念時所遵循的連貫的、典型的學習路徑的描述.學習進階實際上延續(xù)了課程與教學論對“應為學生設定怎樣的學習路徑”這一核心問題的探索，螺旋式的課程設計、最近發(fā)展區(qū)和建構主義前概念等都為學習進階提供了理論基礎[2].學習進階由5個要素組成：一是進階起點和進階終點；二是進階維度；三是多個相互關聯(lián)的成就水平；四是各水平的預期表現(xiàn)；五是特定的評價工具.目前，關于學習進階的研究路徑主要有兩種，第一種是設計能夠促進學生沿著學習進階框架假設的路徑獲得學習發(fā)展的干預性教學策略[3]；第二種是利用調(diào)查問卷，按照學習進階框架來調(diào)查學生的認知、能力水平和狀態(tài)[4].本文的目的在于探討如何利用學習進階理論指導探究學習的教學設計與實踐，因此采取第一種途徑.

1 基于學習進階的探究學習教學可行性分析

中學物理課程是以提高全體學生科學素養(yǎng)為目標，使每個學生學習科學的潛能得以發(fā)展，在教學中，教育實踐者注重采用探究式的教學方法，讓學生經(jīng)歷科學探究過程，學習科學研究方法，培養(yǎng)其創(chuàng)新精神和實踐能力[5].探究學習(Inquiry Learning)是一種開放的、強調(diào)過程的學習方式，注重在事物與其他事物聯(lián)系的基礎上去了解事物[6]，可追溯于布魯納的發(fā)現(xiàn)學習理論.科學探究既是學生的學習內(nèi)容，又是重要的學習方式，包括7個基本要素：提出問題、猜想與假設、制定計劃與設計實驗、實驗與收集證據(jù)、分析與論證、評估、交流與合作.在探究過程中，應把這些要素考慮成一個由相互關聯(lián)的活動組成的網(wǎng)絡[7]，即各要素之間相互關聯(lián)，并統(tǒng)一在若干知識理論下.

學習進階能建起一座連接對學習的研究和課堂教學實踐的橋梁[8]，能解決學習者認知發(fā)展路徑的問題，能解決學習者認知發(fā)展過程中用于“踏腳”的具體的“腳踏點”，而探究學習的關鍵在于“過程”，這個過程伴隨著學生不同的認知階段.因此，本文以人教版八年級物理第十一章第三節(jié)“動能和勢能”為例，探討學習進階理論視域下的探究學習教學與實踐.

2 基于學習進階的“動能和勢能”探究學習教學設計

在《義務教育物理課程標準》(2011年版)中，“動能和勢能”在“能量”的一級主題下，并涉及兩個二級主題，如圖1所示.人教版教材中，在“動能和勢能”之前，八年級學生已經(jīng)學習了“功”和“功率”相關內(nèi)容，而之后將學習“機械能及其轉化”，因此，設計“動能和勢能”一節(jié)課的學習進階路徑，如圖2所示，圖中虛線(機械能及其轉化)表示該部分是下一節(jié)將要學習的內(nèi)容，在本研究中暫不涉及.篇幅受限，下面僅以該節(jié)課中一個教學環(huán)節(jié)(探究影響動能大小的因素)為例，進行基于“學習進階”理論的探究學習教學設計.

圖1 義務教育物理課程標準中的“動能和勢能”

圖2 “動能和勢能”進階路徑設計

(1)進階起點

進階起點是指學生在開始學習某個概念之前就應該掌握的知識和能力的描述[9].根據(jù)八年級學生已有的知識經(jīng)驗(知道能夠對外做功的物體具有能量,運動的物體具有的能量叫動能)，設定學生將要學習的“動能大小與什么因素有關”的進階起點為學生根據(jù)生活經(jīng)驗和動能的概念，能意識到運動著的不同物體具有的動能大小不同；學生不知道用什么衡量、比較兩個物體動能的大?。粚W生初步猜想影響動能大小的因素可能有兩個，能意識到需要用控制變量法進行實驗探究，但對如何設計實驗并不明確.

(2)進階終點

進階終點是學生在學習過程結束后應該進階達到的目標，即最終被期望獲得的知識或技能.進階終點通常是由學習者的期望、科學素養(yǎng)的學習目標以及某一學科的學習教育研究確定的[9].根據(jù)《義務教育物理課程標準》(2011)中“經(jīng)歷科學探究過程，具有初步的科學探究能力，樂于參加與科學技術有關的活動，有運用研究方法的意識”的課程目標，并結合進階路徑，設定該探究學習教學環(huán)節(jié)的進階終點為通過觀察實驗現(xiàn)象(相同的木塊在不同的小車的作用下運動的距離不同)，理解不同的物體具有不同的動能；學會運用轉換法，把比較木塊動能的大小轉換為比較小車在木塊的作用下運動距離的遠近；運用控制變量的方法進行實驗探究，定性地理解影響動能大小的因素是物體的質量和速度.

(3)進階水平

學習進階框架應當首先確定其中的最低和最高層級，然后刻畫中間層次.最高層級應該是學生能夠達到的對目標知識的最高理解層次；而學生關于目標知識的原始認識應當作為學習進階框架的最低層次[10].因此，教師在進行探究學習教學設計時，應該考慮什么樣的教學能夠促使學生的理解向更高層次發(fā)展，并依據(jù)學習進階理論提前預設多個相互關聯(lián)的進階水平，并在教學實踐中按“階”逐漸展開.據(jù)此，設計“探究影響動能大小的因素”實驗的學習進階水平，如表1所示.

表1 學習進階表現(xiàn)水平

(4)教學設計

基于以上對“影響動能大小的因素”知識的進階起點、進階終點和進階水平的分析，設計“影響動能大小的因素”實驗環(huán)節(jié)的探究學習教學流程，如表2所示.

表2 探究實驗教學流程

3 基于學習進階的教學實踐

利用2017年5月在深圳市福田區(qū)某重點初中實習的機會，在3個班級進行教學實踐，并用該課題參加校級公開課，都取得了很好的教學效果.

3.1 感性認識

【提出問題】

教師：我們已經(jīng)知道運動的物體具有的能量叫動能，那么動能的大小和哪些因素有關呢？

說明：本節(jié)課的第一環(huán)節(jié)已經(jīng)通過歸納生活中不同能量的特點，總結出了動能的概念，不同物體具有的動能大小不同，自然而然地激發(fā)學生們產(chǎn)生疑問，有哪些因素影響了動能的大小呢？

3.2 猜想推理 走近科學

【猜想與假設】

教師：首先，利用多媒體展示全班同學課間一齊跑操的照片，如圖3所示，將圖中瘦弱的小紅(女)同學和胖胖的小明(男)同學同時圈出，向全班提問，小紅和小明一齊跑步時，誰的動能大？為什么？然后，播放博爾特在2008年奧運會百米賽跑的視頻，向全班提問,博爾特在起跑時和沖刺時，何時的動能大？為什么？最后，當學生回答完畢，教師總結,我們猜想物體動能的大小可能與物體的質量和物體的速度有關.

圖3 一齊跑步的學生

學生回答：小明的動能大，并能準確地說出因為小明重；沖刺時的博爾特具有的動能大，并能準確地說出因為博爾特在沖刺時跑得快.

說明：學生看到自己的照片出現(xiàn)在大屏幕上，興趣頓時高漲，一個個大膽猜想，當看見博爾特百米跑的視頻時，男生比女生更興奮，不禁感嘆跑得真快啊.精心挑選的兩組圖片素材拉近了學生與科學之間的距離，激發(fā)了學生的學習興趣，活躍了學習氛圍.但是八年級學生的物理概念還不是很清晰，物理思維還不是很完善，當回答原因時，學生只能說出重和快，卻不能準確地說出質量大和速度快，因此，教師最后必須給予總結，用專業(yè)的物理術語表述實驗猜想.

3.3 探討科學本質

【制定計劃與設計實驗】

教師：向學生展示實驗器材(小車、大木塊、小木塊、砝碼2個、木板)，明確實驗目的是探究動能的大小與物體的質量以及物體的速度有怎樣的關系，并出示3個問題.

(1)實驗中如何比較小車動能的大??？

(2)如何改變小車的質量？

(3)如何改變小車碰撞木塊時的速度？

學生討論結束后，引導學生總結出2個實驗方案：

(1)改變小車的質量，讓小車從同一高度由靜止開始滑下，觀察哪次木塊被撞得遠；

(2)讓同一小車分別從不同的高度由靜止開始滑下，觀察哪次木塊被撞得遠.

學生：4人一組，討論實驗方案并解決3個問題.

說明：給學生提供了充足的實驗器材，讓學生通過小組合作交流的方式制定實驗方案，但是在學生開始交流之前，教師的指令一定要具體明確，否則有的小組會因為沒聽清楚而動手操作起來(注意此時只是討論實驗方案).3個問題能夠幫助學生進一步理解該實驗，縮小思考范圍，只要解決了3個問題，實驗方案也就迎刃而解了.

3.4 歸納定性結論

【實驗與收集證據(jù)】

教師：指導學生開始實驗，并在學生中間巡視指導，解答疑問，并要求學生在實驗結束后派小組代表總結實驗結論.

學生：按照兩個實驗方案，小組合作，動手操作進行實驗，并思考總結實驗結論.

說明：教師的指令一定要具體，注意采用任務驅動性教學.學生開始實驗前，教師一定要明確地告訴學生邊做實驗邊思考并總結實驗結論，讓學生帶著任務去實驗，否則多數(shù)學生只顧著操作實驗，而等實驗結束后，卻總結不出實驗結論.

【分析與論證】

學生：2個小組派代表總結實驗結論，其他小組補充.

說明：通過2個小組代表總結和其他小組補充，學生們最終得出的實驗結論是,速度相同時，質量越大的小車能將木塊撞得越遠，所以，小車的速度相同時，質量越大，動能越大；小車從高處滑下，高度越高，小車運動到底部時越快，木塊被撞得越遠，所以，質量相同時，小車的速度越大，動能越大.

【評估】

教師：評價學生的發(fā)言，肯定并表揚學生在整個實驗探究過程中出色的表現(xiàn)，并歸納完善實驗結論.

說明：通過教師引導，最終歸納出的結論是，物體動能的大小跟質量、速度有關，運動速度相同的物體，質量越大，它的動能也越大；質量相同的物體，運動的速度越大，它的動能越大.與學生總結的實驗結論相比，更簡潔，可以看出學生總結歸納的能力還有待于提高.

【交流與合作】

小試牛刀：圖4是珠海的水灣路路牌，用物理學的術語解釋，為什么要對機動車的行駛速度進行限制？為什么在同樣的道路上，不同車型的限制車速不同？

圖4 珠海的限速路牌

學生：小組討論交流上述問題，用本次的實驗結論加以解釋.

說明：在前面6個環(huán)節(jié)中，學生基本經(jīng)歷了完整的實驗探究過程，按照提前設計的進階路徑，從起點進階到終點，學生的動手能力、質疑精神、語言表達能力以及小組合作意識都逐漸得到了提高，在最后一個環(huán)節(jié)中，通過解釋生活現(xiàn)象，讓學生學以致用，體現(xiàn)了從課堂走向生活的新課程理念.

4 關于學習進階的幾點思考

第一，學習進階理論為研究者、教師等人重新審視科學課程標準、課程與教學提供了一條有效的新途徑[10].從學習進階理論的視角出發(fā)，將一節(jié)實驗探究課納入學生整個物理實驗探究課程的學習之中進行教學設計，站位更高，實踐證明也更有成效[11].

第二，把以知識邏輯為中心和以學生認知為中心相結合，建構描述學生認知狀態(tài)的“能量”進階框架.本研究主要是從能量相關概念間的邏輯聯(lián)系出發(fā)，依據(jù)課程標準對學生提出的探究能力期望來構建學習進階框架，缺乏對八年級學生認知特點的有效關注，缺少對學生思維過程的描述.如若能把以知識邏輯為中心和以學生認知為中心相結合，進而建構學習進階，將有利于教師深入了解學生的真實思維活動，從而幫助教師提高教學設計的針對性和有效性.