基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的科學(xué)教學(xué)設(shè)計
——以圓周運動為例

柴品芳 陳紅君 王 爽

(長春師范大學(xué)物理學(xué)院,吉林 長春 130032)

新一輪的課程改革體現(xiàn)了國家對于提高學(xué)生核心素養(yǎng)這一教育理念的重視,完善教育體制是提高國民素質(zhì)的最有效的途徑,教學(xué)過程的完美實現(xiàn)又離不開科學(xué)的教學(xué)設(shè)計．因此,越來越多的教學(xué)研究者將重點放在了教學(xué)的設(shè)計上．學(xué)習(xí)進(jìn)階對于學(xué)生和教師,甚至對于整個教育教學(xué)過程起到至關(guān)重要的作用,如今越來越多的專家和學(xué)者對學(xué)習(xí)進(jìn)階進(jìn)行著更為深刻和透徹的研究．

1 學(xué)習(xí)進(jìn)階的背景及概念演變

美國學(xué)者Kevin D.Cunningham在博士論文“關(guān)于學(xué)生對熱力學(xué)第二定律的理解的研究發(fā)展特征:利用學(xué)習(xí)進(jìn)階來說明高中化學(xué)中的思維方式”的第一部分著重于研究學(xué)習(xí)進(jìn)階部分,指出學(xué)習(xí)進(jìn)階的起源來自于對概念的逐步深入研究,概念的變化與發(fā)展如表1.

表1 概念的變化及發(fā)展

續(xù)表

該表展現(xiàn)了早期對于概念研究逐漸深入的過程．2004年,學(xué)者史密斯(Carol Smith),代表“基礎(chǔ)教育階段科學(xué)學(xué)業(yè)成就評價委員會”向美國國家研究理事會提交一份報告,這是學(xué)習(xí)進(jìn)階第一次在科學(xué)教育領(lǐng)域中提出．2005年美國的《建立州科學(xué)評價體系》的報告中提到了學(xué)習(xí)進(jìn)階可以成為解決評價、課程和教學(xué)連貫性問題的工具．2007年在《將科學(xué)帶入學(xué)校:K-8年級的科學(xué)教與學(xué)》中,提到學(xué)習(xí)進(jìn)階可以對開發(fā)具有連貫性的課程和教學(xué)起作用,并且其認(rèn)為學(xué)習(xí)進(jìn)階具有潛在價值．2013年5月的美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》(Next Generation Science Standards)進(jìn)一步指出學(xué)習(xí)進(jìn)階的重要性．

學(xué)習(xí)進(jìn)階是一種概念的序列,它和核心的概念息息相關(guān),這些序列是由簡單到復(fù)雜且相互關(guān)聯(lián)的,同時可以理解為是對學(xué)生的不同學(xué)段學(xué)習(xí)同一個題目時所遵循的比較典型的學(xué)習(xí)路徑的描述．

2 科學(xué)概念理解的發(fā)展層級模型

2.1 學(xué)習(xí)進(jìn)階的層級模型

在美國學(xué)習(xí)進(jìn)階的研究影響下,我國一些學(xué)段的科學(xué)課程設(shè)計也采用了學(xué)習(xí)進(jìn)階來規(guī)劃核心素養(yǎng)．郭玉英帶領(lǐng)的團(tuán)隊基于對學(xué)習(xí)進(jìn)階的理解,進(jìn)行了大量的實證研究,建構(gòu)了科學(xué)概念理解的發(fā)展層級模型(如表2),表2中的發(fā)展層級為進(jìn)階變量,層級描述代表的是各級的表現(xiàn)期望．

表2 科學(xué)概念理解的發(fā)展層級模型

針對于物理學(xué)科的內(nèi)容,以“圓周運動”為例,在表2的基礎(chǔ)上總結(jié)出對于圓周運動概念的學(xué)生的理解的發(fā)展層級模型,如表3.

表3 學(xué)生圓周運動概念理解的發(fā)展層級模型

在這里對表3進(jìn)行解釋與補充:首先在經(jīng)驗層級上,學(xué)生初始的狀態(tài)是知道在日常的生活中有運動的軌跡是一個圓的現(xiàn)象;在接觸了圓周運動的概念之后在映射的層級上能夠建構(gòu)出圓周運動這一抽象概念的具體的特征;在關(guān)聯(lián)層級上指能夠掌握分辨生活中運動的事物是否屬于圓周運動的能力;在系統(tǒng)層級上進(jìn)一步學(xué)習(xí)圓周運動,掌握圓周運動的相關(guān)物理量并掌握其計算和轉(zhuǎn)換的方法;在最后的整合層級上,學(xué)習(xí)的最終要求是學(xué)生能夠掌握知識，整合能力,通過圓周運動的學(xué)習(xí)解決更多的生活問題．

2.2 學(xué)習(xí)進(jìn)階的作用

(1) 在教學(xué)前學(xué)習(xí)進(jìn)階可以讓教師更加直觀了解學(xué)生的水平．教師可以將學(xué)習(xí)進(jìn)階作為工具去明確在新的課程中應(yīng)該在學(xué)生原有的知識水平基礎(chǔ)上進(jìn)行哪些教學(xué)．

(2) 在教學(xué)過程中教師可以將學(xué)習(xí)進(jìn)階作為教學(xué)評價的證據(jù),學(xué)習(xí)進(jìn)階可以很好地描繪出學(xué)生在不同的階段對于知識的不同認(rèn)知程度．一開始,學(xué)生只是有對于知識的記憶,然后逐漸能夠領(lǐng)會知識,接著可以應(yīng)用知識達(dá)到對于知識的整合,最后能對于知識進(jìn)行獨立評價,達(dá)到更加高級的水平．在這個過程中教師可以利用學(xué)習(xí)進(jìn)階對于學(xué)生的水平進(jìn)行評價．

3 基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的科學(xué)教學(xué)設(shè)計

根據(jù)教育心理學(xué)家布魯曼菲爾德以及埃利奧特·索洛韋等人關(guān)于對于學(xué)生的學(xué)習(xí)動機和思維的研究中涉及教學(xué)的一些建議，總結(jié)教學(xué)設(shè)計過程應(yīng)該考慮以下兩個方面.

一方面是針對于教學(xué)過程的一些細(xì)節(jié)要求: (1) 任務(wù)多樣性學(xué)習(xí)的主題應(yīng)該包括新穎的元素; (2) 提出的問題具有真實性和價值性,并且能夠增強學(xué)生對學(xué)習(xí)的興趣; (3) 問題對于學(xué)生有一定的挑戰(zhàn)性; (4) 有很好的結(jié)束,能夠真正有所作用和效果; (5) 教學(xué)的方法,即如何完成本節(jié)教學(xué)工作的; (6) 在過程中注重合作的重要性.

另一方面是環(huán)境的問題，課堂環(huán)境將影響學(xué)生．假設(shè)他們對這個問題感興趣,并且認(rèn)為自己有能力完成這個項目,但如果教師指出解決問題的方向,學(xué)生可能不會以促進(jìn)理解的方式參與這個主題．當(dāng)教師強調(diào)成績、不鼓勵冒險、強調(diào)正確答案的評價標(biāo)準(zhǔn)、通過實施獎勵和懲罰等外部控制措施來加強對工作的問責(zé)制,或主要分配低水平的任務(wù)時,績效取向而不是學(xué)習(xí)取向就更有可能出現(xiàn),因此應(yīng)該注意教學(xué)的方式和方法．

除此之外還可以利用多媒體、圖書資料等方法加入到教學(xué)設(shè)計中來豐富課堂．

3.1 基于核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)進(jìn)階的科學(xué)教學(xué)設(shè)計模型

教學(xué)設(shè)計基于課程標(biāo)準(zhǔn)、根據(jù)學(xué)生的不同特點,將教學(xué)的要素有序安排,最終確定最合適的教學(xué)方案的計劃．一般包括下面幾個環(huán)節(jié):教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重難點、教學(xué)方法、教學(xué)步驟與時間分配等．在教學(xué)中,ADDIE模式(圖1)是教學(xué)設(shè)計的一種基本模式．ADDIE模式將教學(xué)設(shè)計系統(tǒng)分為分析、設(shè)計、開發(fā)、執(zhí)行和評估這5個模塊．基于核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)進(jìn)階的科學(xué)教學(xué)設(shè)計也遵循這個經(jīng)典的基本范式．

圖1 教學(xué)設(shè)計的ADDIE模式

我國物理教學(xué)研究者以圖1的經(jīng)典教學(xué)設(shè)計模式為框架結(jié)構(gòu)并且結(jié)合科學(xué)的教學(xué)設(shè)計理念總結(jié)出了基于核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)進(jìn)階的科學(xué)教學(xué)設(shè)計模型(圖2)．

圖2 基于核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)進(jìn)階的科學(xué)教學(xué)設(shè)計模型

基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的學(xué)情分析方面,結(jié)合核心素養(yǎng)的理念,針對以下幾個問題對授課內(nèi)容進(jìn)行分析：(1) 需要建構(gòu)哪些科學(xué)觀念?并在過程中確定學(xué)生原有的基礎(chǔ)水平及在該內(nèi)容的學(xué)習(xí)之后期望學(xué)生所達(dá)到的知識水平；(2) 結(jié)合核心素養(yǎng)的理念及要求確定在此部分的學(xué)習(xí)中希望培養(yǎng)學(xué)生的關(guān)鍵能力是什么?(3) 希望幫助學(xué)生能夠構(gòu)建哪些整合聯(lián)系(包括學(xué)生思維和能力的整合,觀念和實踐的整合等)；(4) 能夠確定學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中可能存在的問題和中間存在的狀態(tài)．該教學(xué)設(shè)計模型與經(jīng)典的教學(xué)設(shè)計模型相比,對于目標(biāo)、學(xué)情和重難點的分析進(jìn)行了系統(tǒng)的整合,更注重以學(xué)習(xí)進(jìn)階為基礎(chǔ)．

3.2 基于核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)進(jìn)階的科學(xué)教學(xué)設(shè)計——以圓周運動為例

3.2.1 基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的學(xué)情分析

學(xué)生已經(jīng)比較好地掌握了直線運動的知識和曲線運動的一些初步知識,并能夠利用用比值定義法對勻速直線運動進(jìn)行描述．即使是這樣,由于圓周運動具有特殊性和復(fù)雜性以及對于不同學(xué)生有差異的認(rèn)知的水平,因此本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容對于學(xué)生來說是困難的．

(1) 需要建構(gòu)的科學(xué)觀念.學(xué)生已經(jīng)掌握了一定的運動學(xué)基礎(chǔ),在此部分是對于曲線運動的一種——圓周運動來進(jìn)行分析和學(xué)習(xí)．學(xué)生已經(jīng)掌握的知識水平和經(jīng)驗:理解并掌握時間、速度和加速度等概念;知道運動軌跡是曲線的運動稱為曲線運動．期望學(xué)生達(dá)到的整合(理解)水平:理解并掌握圓周運動的概念;理解并掌握圓周運動相關(guān)的物理量和計算．

(2) 期望培養(yǎng)的關(guān)鍵能力.通過描述圓周運動快慢這一教學(xué)環(huán)節(jié),學(xué)生可以了解對于同一個問題可以從不同的角度和方面進(jìn)行研究．本部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)比較強調(diào)觀察學(xué)生的發(fā)散性思維能力，即學(xué)生多方面思考和探究同一問題的能力的培養(yǎng)．

(3) 期望建構(gòu)的整合聯(lián)系.這一節(jié)課期望能夠整合圓周運動的學(xué)習(xí)進(jìn)階與學(xué)生科學(xué)探究能力的整合．通過思維中已有的運動模型及對于圓周運動內(nèi)容的學(xué)習(xí)整合建構(gòu)圓周運動的相關(guān)模型．

(4) 可能存在的中間狀態(tài).根據(jù)學(xué)生現(xiàn)有水平和期望學(xué)生達(dá)到的理解水平,可能存在的中間狀態(tài):初步理解圓周運動并能聯(lián)系生活實際分辨圓周運動；通過分析和思考推斷出圓周運動的相關(guān)物理量；理解并掌握圓周運動幾個相關(guān)物理量之間的關(guān)系．

3.2.2 教學(xué)過程的設(shè)計和教學(xué)開發(fā)

教學(xué)過程的設(shè)計要帶著以上學(xué)情分析的幾個問題的結(jié)果來進(jìn)行設(shè)計,也可以說是對于學(xué)生學(xué)習(xí)軌跡的設(shè)計,在圓周運動的學(xué)習(xí)過程中學(xué)生學(xué)習(xí)的軌跡應(yīng)該是多元的,復(fù)雜的．然后以學(xué)習(xí)軌跡為基礎(chǔ),開始教學(xué)的開發(fā),教學(xué)的開發(fā)以選擇驅(qū)動問題和任務(wù)為起點．選擇驅(qū)動問題和任務(wù)要求我們一方面要能夠引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣起到積極的影響作用,引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機,另一方面要求我們流暢地引出學(xué)生學(xué)習(xí)和理解的任務(wù)情景．那么在圓周運動概念的引入時我們可以積極地引入生活實例來引起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,在教學(xué)過程中也可以通過拋問題讓小組討論思考來流暢地連接學(xué)習(xí)情境．根據(jù)學(xué)生的概念理解水平及進(jìn)階過程其具體的教學(xué)流程設(shè)計如下．

第1步:分析學(xué)生現(xiàn)有的認(rèn)知基礎(chǔ)——已經(jīng)能夠從運動軌跡的角度來分析問題.問題1：觀察圖片回答問題并通過思考和探究進(jìn)行舉例.導(dǎo)入時以常見的實例來進(jìn)行導(dǎo)入,例如工作中的電風(fēng)扇、工作的鐘表等,然后讓學(xué)生來思考問題,在這些實例中物體在運動時軌跡有什么共同的特點?學(xué)生回答得到它們的軌跡都是圓,并給出圓周運動的概念——運動軌跡為圓的運動稱為圓周運動．然后讓學(xué)生們來舉例生活中還有哪些現(xiàn)象是利用了圓周運動——例如騎自行車的時候車輪的運動以及圓錐擺的運動．

第2步:學(xué)生鍛煉探究性思維思考問題.問題2：小組討論探究比較兩個相同摩天輪工作時運動快慢的方法.

展示圖片讓學(xué)生探究工作中的兩個同樣大小的摩天輪,哪一個運動更快,小組討論有哪些方法來比較?討論結(jié)束后總結(jié)出學(xué)生小組討論的結(jié)果: (1) 比較兩個摩天輪轉(zhuǎn)一圈所花費的時間多少——學(xué)生討論得出花費時間越長運動越慢,在這里可以得出第1個物理量周期T.定義:圓周運動的物體運動一圈所花費的時間的多少;單位為秒．(2) 比較一定時間內(nèi)轉(zhuǎn)動的弧長的多少——學(xué)生討論得出轉(zhuǎn)動的弧長越長運動越快,在這里得出第2個物理量線速度v.定義:圓周運動在單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)過的軌跡的長度;單位為m/s，為矢量;同時根據(jù)定義繼續(xù)推出v=l/t=2πr/T;(3)比較在一定時間內(nèi)半徑掃過的角度的大小——學(xué)生討論得出劃過的角度越大運動越快,在這里得出了第3個物理量角速度w.定義:在單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度的大小;單位為rad/s，為矢量;同時根據(jù)定義繼續(xù)推出w=θ/t=2π/T.在這時可以通過上面的學(xué)習(xí),讓學(xué)生再次小組探究討論然后推導(dǎo)出線速度與角速度的關(guān)系．問題3： 探究線速度和角速度的關(guān)系.

線速度和角速度的關(guān)系為v=wr. (1) 比較在一定時間內(nèi)轉(zhuǎn)動的圈數(shù)——學(xué)生討論得出轉(zhuǎn)動的圈數(shù)越多運動越快,在這里得出了第4個物理量轉(zhuǎn)速n.定義:圓周運動的物體在一定時間內(nèi)轉(zhuǎn)過的圈數(shù);單位為r/s;同時根據(jù)定義繼續(xù)推出n=1/T.

第3步:提問并要求學(xué)生進(jìn)行自己總結(jié)和思考本節(jié)課學(xué)到的概念和內(nèi)容.問題4： 本節(jié)課你掌握了哪些內(nèi)容?

第4步:設(shè)計例題，示例后學(xué)生自己實踐解決例題.問題5：理論聯(lián)系實際檢驗學(xué)生的能力．

3.2.3 教學(xué)評估和反饋

在課程結(jié)束后教師應(yīng)積極對本節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行效果評估,檢驗在課堂進(jìn)行過程中是否達(dá)到預(yù)想的效果,學(xué)生是否能夠活躍進(jìn)入到課堂并對課堂內(nèi)容感興趣,從而確定該課堂是否符合核心素養(yǎng)的理念;還要評估課堂上對于實驗探究部分和小組討論交流時間學(xué)生是否能親自參與,積極提出自己的想法和意見;在課堂結(jié)束后更是要評估學(xué)生對于新知識的掌握情況如何,是否掌握了課程標(biāo)準(zhǔn)所要求的內(nèi)容,本部分可以通過課堂提問和課后學(xué)生練習(xí)題的作答情況來實現(xiàn)．那么在評估結(jié)束后對于效果不佳的地方就要進(jìn)行反思,可以在對下一節(jié)課的內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)設(shè)計時及時做出改正．