基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的物理教學(xué)設(shè)計(jì)探討*
——以“速度”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)生對(duì)速度概念已經(jīng)有了一定的認(rèn)識(shí),高中階段在“運(yùn)動(dòng)快慢的描述——速度”的教學(xué)中,教師應(yīng)該關(guān)注速度概念的演變,學(xué)生思維的發(fā)展。學(xué)習(xí)進(jìn)階理論是根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況、教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)目標(biāo)確定最近發(fā)展區(qū),劃分出不同的學(xué)習(xí)階段,通過對(duì)每一學(xué)習(xí)階段的描述,來呈現(xiàn)需要學(xué)習(xí)的知識(shí)和所要達(dá)到的思維水平。依據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)階理論進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí),知識(shí)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(shí)際水平設(shè)計(jì)符合學(xué)生思維發(fā)展的教學(xué)過程。[1]因此,學(xué)習(xí)進(jìn)階理論為“運(yùn)動(dòng)快慢的描述——速度”的教學(xué)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù),本文在學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的指引下,對(duì)“運(yùn)動(dòng)快慢的描述——速度”的教學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2　學(xué)習(xí)進(jìn)階理論

美國國家研究理事會(huì)(NRC)認(rèn)為:學(xué)習(xí)進(jìn)階是對(duì)學(xué)生連貫且逐漸深入的思維方式的假定描述,在一個(gè)適當(dāng)?shù)臅r(shí)間跨度下,學(xué)生學(xué)習(xí)和探究某一重要的知識(shí)或者實(shí)踐領(lǐng)域時(shí),其思維方式逐漸進(jìn)階。[2]

學(xué)習(xí)進(jìn)階理論強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)某一主題概念的學(xué)習(xí)需要分階段進(jìn)行,每一階段對(duì)該概念的學(xué)習(xí)都是在前一階段的基礎(chǔ)上進(jìn)行加深或延展，學(xué)習(xí)進(jìn)階是對(duì)“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。學(xué)習(xí)進(jìn)階描述的學(xué)習(xí)路徑是學(xué)生在學(xué)習(xí)某一主題的概念時(shí),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(shí)成為日后要學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)。[3]

3　教學(xué)設(shè)計(jì)

王較過、趙萍萍認(rèn)為由于年齡和認(rèn)知能力發(fā)展水平的限制,中學(xué)生對(duì)核心概念的學(xué)習(xí)不可能一步到位,必須經(jīng)歷一個(gè)循序漸進(jìn),由淺入深,逐步深化的過程,這個(gè)過程不但表現(xiàn)為核心概念的學(xué)習(xí)進(jìn)階,而且是可持續(xù)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。[4]高中生在初中時(shí)已經(jīng)學(xué)習(xí)了速度的概念,但是不夠深入,需要進(jìn)一步學(xué)習(xí)。然而,概念的學(xué)習(xí)并非線性的,學(xué)生需要不斷在新情景中重溫概念,以深化對(duì)概念的理解。

3.1　教材分析

速度是學(xué)生在高中階段學(xué)習(xí)的第二個(gè)矢量，高中的“速度”和初中學(xué)過的“速度”有本質(zhì)區(qū)別，在教學(xué)過程中首先要強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)速度矢量性的理解、平均速度和瞬時(shí)速度的區(qū)別，引發(fā)學(xué)生對(duì)過程量和狀態(tài)量的思考，為學(xué)生建模能力的發(fā)展打下基礎(chǔ)。同時(shí)，通過極限的思維方式，從平均速度過渡到瞬時(shí)速度，讓學(xué)生理解兩者的區(qū)別與聯(lián)系。

3.2　學(xué)情分析

高一學(xué)生學(xué)習(xí)“運(yùn)動(dòng)快慢的描述——速度”之前已經(jīng)對(duì)速度概念有了初步的認(rèn)識(shí)。隨著學(xué)生知識(shí)的增長、思維的發(fā)展、概念的演變,高中與初中對(duì)速度概念的定義由“路程與時(shí)間”的比值變?yōu)椤拔灰婆c時(shí)間”的比值，由標(biāo)量變?yōu)槭噶?因此，本節(jié)課的教學(xué)是高中物理矢量教學(xué)的起點(diǎn)，教學(xué)效果直接影響學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)物理的興趣。學(xué)生對(duì)坐標(biāo)和坐標(biāo)變化量的理解容易接受，對(duì)于速率與速度、平均速度與平均速率等物理概念的關(guān)系，需要從生活中的實(shí)際問題出發(fā)，引發(fā)學(xué)生的思考，從而更進(jìn)一步進(jìn)行理解和區(qū)分。

3.3　進(jìn)階目標(biāo)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》對(duì)速度教學(xué)的基本要求是：理解位移、速度和加速度。通過實(shí)驗(yàn)，探究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。[5]學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容后學(xué)生要理解速度的概念,知道速率與速度、平均速度與平均速率的聯(lián)系與區(qū)別，會(huì)應(yīng)用速度知識(shí)解決實(shí)際問題，能夠解釋生產(chǎn)、生活中與速度有關(guān)的物理現(xiàn)象。

3.4　進(jìn)階起點(diǎn)

3.5　進(jìn)階層次劃分與主要教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

3.5.1進(jìn)階第一層次——坐標(biāo)與坐標(biāo)的變化量

情景1：如圖1所示，一輛汽車沿平直公路行駛，以公路為x軸建立直線坐標(biāo)系，t1時(shí)刻汽車處于x1點(diǎn)，坐標(biāo)是x1=10m，一段時(shí)間后，t2時(shí)刻汽車到達(dá)x2點(diǎn)，坐標(biāo)是x2=30m。

圖1

問題1：汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)間、位置坐標(biāo)的變化量各是多少？

答案：設(shè)用Δt表示汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)間的變化量，則Δt=t2-t1。設(shè)用Δx表示汽車位置坐標(biāo)的變化量，則Δx=x2-x1=20m。

問題2：汽車運(yùn)動(dòng)的位移是多少？

答案：汽車運(yùn)動(dòng)的位移大小是20m，方向沿x軸的正方向.

問題3：在情景1中，如果汽車沿x軸的另一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，汽車位移Δx的是正值還是負(fù)值？

答案：汽車位移Δx是負(fù)值.

歸納總結(jié)：

(1)坐標(biāo)軸的物理意義。

(2) 坐標(biāo)——狀態(tài)量(時(shí)刻、位置等)，坐標(biāo)變化量——過程量(時(shí)間間隔、位移等)。

(3) 變化量的計(jì)算方法。

(4) 矢量的變化量中正負(fù)號(hào)的含義。

3.5.2進(jìn)階第二層次——速度概念的建立

情景1: 在100m賽跑中，A同學(xué)用了12s跑完全程，B同學(xué)用了15s跑完全程，A、B同學(xué)誰跑得快？

情景2: 在體育課上，C同學(xué)10s跑了90m，D同學(xué)10s跑了80m，C、D同學(xué)誰跑得快？

情景3: 在體育課上，E同學(xué)10s跑了80m，F(xiàn)同學(xué)12s跑了100m，E、F同學(xué)誰跑得快？

問題：如表1所示，在情景1、情景2、情景3中，哪位同學(xué)跑得快，為什么？

表1情景學(xué)生時(shí)間(s)位移(m)情景1A12100B15100情景2C1090D1080情景3E1080F12100

答案：在情景1中，A學(xué)生跑得快，因?yàn)槲灰葡嗤瑫r(shí)，所用時(shí)間少的跑得快；在情景2中，C學(xué)生跑得快，因?yàn)樗脮r(shí)間相同時(shí)，位移大的跑得快；在情景3中，F(xiàn)學(xué)生跑得快，因?yàn)闀r(shí)間、位移都不相同時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)位移大的跑得快。

歸納總結(jié)：

(2) 速度單位為m/s，讀作米每秒。

(3) 速度的大小為單位時(shí)間內(nèi)物體的位移大小，方向?yàn)槲矬w運(yùn)動(dòng)的方向。

3.5.3進(jìn)階第三層次——深入理解速度的矢量性

問題1：某同學(xué)沿著操場跑道跑了一圈，他的速度是多大，為什么？

答案：速度是零，因?yàn)樗奈灰剖橇恪?/p>

問題2:問題的結(jié)論與初中得出的結(jié)論的本質(zhì)區(qū)別在哪里？

3.5.4進(jìn)階第四層次——平均速度與瞬時(shí)速度

在進(jìn)階第三層次問題1中，該同學(xué)每時(shí)每刻都在運(yùn)動(dòng)，但速度為零，似乎與實(shí)際情況相矛盾，為什么？

閱讀教材中“說一說”欄目：著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者費(fèi)恩曼講過的一則笑話。[7]

引導(dǎo)學(xué)生討論上述問題后，歸納總結(jié)：

(1) 平均速度為時(shí)間間隔Δt內(nèi)的平均快慢程度，粗略描述物體運(yùn)動(dòng)的快慢。

(2)瞬時(shí)速度為t時(shí)刻運(yùn)動(dòng)的快慢，精確描述物體運(yùn)動(dòng)的快慢。

情景：若一輛汽車在行駛過程中每時(shí)每刻的瞬時(shí)速度均等于全程的平均速度，這輛汽車做的是怎樣的運(yùn)動(dòng)？

答案：是勻速直線運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樗撬矔r(shí)速度始終保持不變的運(yùn)動(dòng)，即瞬時(shí)速度等于平均速度。

3.5.5進(jìn)階第五層次——對(duì)速率與速度、平均速率與平均速度的理解

在學(xué)生閱讀教材P16相應(yīng)部分的知識(shí)點(diǎn)后，教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)歸納：速率是瞬時(shí)速度的大小，速率是標(biāo)量。

平均速率為物體運(yùn)動(dòng)的路程與所用時(shí)間的比值。初中教材所講的速度概念實(shí)際上是平均速率，平均速率一般不等于平均速度的大小。

4　結(jié)語

基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，筆者對(duì)“運(yùn)動(dòng)快慢的描述——速度”的教學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在學(xué)生原有的基礎(chǔ)上,遵循學(xué)生思維的發(fā)展特點(diǎn),將“運(yùn)動(dòng)快慢的描述——速度”的教學(xué)進(jìn)行細(xì)化，知識(shí)之間的邏輯性更強(qiáng)。通過創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)速度概念的物理情景，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)思維方法建立速度概念；選擇具體問題，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用速度概念解決問題，讓學(xué)生形成速度的科學(xué)知識(shí)；依據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)階理論對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行指引,可以推廣到其他物理知識(shí)的教學(xué)設(shè)計(jì)中。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳宏偉.基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)設(shè)計(jì)——“功”[J].湖南中學(xué)物理,2017,(8):71-73.

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

[3] 劉晟,劉恩山.學(xué)習(xí)進(jìn)階:關(guān)注學(xué)生認(rèn)知發(fā)展和生活經(jīng)驗(yàn)[J].教育學(xué)報(bào),2012,(2):81-87.

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

[5] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)[S].北京:人民教育出版社,2018:11-12.

[6] 中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)[M].北京:北京師范大學(xué)出版社,2012:16.

[7] 人民教育出版社,課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理必修1[M].北京:人民教育出版社,2010:15-18.