基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的物理學(xué)習(xí)情況分析*

張玉峰

(北京教育科學(xué)研究院基礎(chǔ)教育教學(xué)研究中心 北京 100036)

學(xué)習(xí)情況分析是在教學(xué)設(shè)計(jì)之前對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的認(rèn)知基礎(chǔ)、可能達(dá)到的發(fā)展水平、學(xué)習(xí)中可能遇到的困難、學(xué)習(xí)興趣與愛好等方面進(jìn)行的全面診斷.學(xué)習(xí)情況分析是教學(xué)設(shè)計(jì)的重要組成部分，進(jìn)行學(xué)習(xí)情況分析有利于貫徹因材施教原則，提升教學(xué)針對(duì)性.

傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)情況分析往往側(cè)重對(duì)知識(shí)基礎(chǔ)、能力水平與興趣愛好等方面的靜態(tài)分析，缺乏從學(xué)生認(rèn)知發(fā)展過(guò)程的角度進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，缺乏對(duì)認(rèn)知發(fā)展關(guān)鍵點(diǎn)及其產(chǎn)生原因的分析.這樣的狀況導(dǎo)致學(xué)習(xí)情況分析往往僅憑借教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，缺乏足夠證據(jù)；對(duì)學(xué)習(xí)情況分析的結(jié)果往往是碎片化的，難以支撐有效教學(xué)策略的選擇.

本文首先基于已有研究確定影響學(xué)生學(xué)習(xí)的主要因素，并在此基礎(chǔ)上從學(xué)習(xí)進(jìn)階的過(guò)程和學(xué)習(xí)的影響因素兩個(gè)維度建立學(xué)習(xí)情況分析框架，最后基于框架討論學(xué)習(xí)情況分析的內(nèi)容與策略并以“加速度”為例說(shuō)明分析框架的使用.

1 影響學(xué)生學(xué)習(xí)的主要因素

探索影響學(xué)生學(xué)習(xí)的主要因素一直是學(xué)科教學(xué)研究的熱點(diǎn).研究者(Posner，1982；徐寧，2009)根據(jù)不同的研究目的從不同視角篩選了影響學(xué)生學(xué)習(xí)的因素.Posner 等人將影響概念轉(zhuǎn)變的因素形象地描述為“概念生態(tài)圈”(Conceptual ecology).概念生態(tài)包括認(rèn)識(shí)論信念、原有概念、學(xué)習(xí)的本質(zhì)、概念的本質(zhì)、問題解決的策略、情意領(lǐng)域、科學(xué)的本質(zhì)等因素[1].北京師范大學(xué)徐寧博士提出的概念支撐體系理論認(rèn)為[2]，概念學(xué)習(xí)的必要支持要素包括四大支持要素：個(gè)體經(jīng)驗(yàn)背景、系統(tǒng)知識(shí)、意義因素與思維因素.

本文把影響學(xué)習(xí)進(jìn)階的因素概括為知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)、思維與信念、技能與實(shí)踐、態(tài)度與責(zé)任等4個(gè)主要方面.

知識(shí)因素主要包括物理學(xué)科知識(shí)、跨學(xué)科概念和其他學(xué)科的知識(shí)等3類.經(jīng)驗(yàn)包括日常生活中與學(xué)習(xí)內(nèi)容相關(guān)的現(xiàn)象，以及基于現(xiàn)象獲得的體驗(yàn)，學(xué)科實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果等.經(jīng)驗(yàn)因素還包括學(xué)生頭腦中存在的大量前概念.

思維是指從學(xué)科化的視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及其相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式.思想方法與思維策略是思維的重要組成部分.信念主要是指基于科學(xué)本質(zhì)、學(xué)習(xí)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)論信仰.思維與信念密不可分.任何思維必定帶著一定的信念，信念形成與應(yīng)用一定離不開思維，并促進(jìn)思維發(fā)展.

技能既包括動(dòng)手操作技能，也包括思維技能.物理學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)可以分為物理量的測(cè)量、探究性實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、小制作等.實(shí)踐因素包括提出問題，猜想假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并獲取證據(jù)，使用不同手段和方法分析、處理數(shù)據(jù)等方面.

態(tài)度與責(zé)任是學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力因素，并影響認(rèn)知的效率和效果.態(tài)度、責(zé)任與信念密不可分.

2 基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的學(xué)習(xí)情況分析框架

早在2007年美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)(NRC)就對(duì)學(xué)習(xí)進(jìn)階作出明確界定，學(xué)習(xí)進(jìn)階是對(duì)學(xué)生在一段較長(zhǎng)的時(shí)間跨度內(nèi)學(xué)習(xí)或研究某一主題時(shí)，學(xué)生的思維方式從新手型到專家型的連續(xù)且有層級(jí)的發(fā)展路徑的描述[3].學(xué)習(xí)進(jìn)階具有上位錨點(diǎn)和下位錨點(diǎn)[4].因此，確定學(xué)習(xí)進(jìn)階的起點(diǎn)和終點(diǎn)是刻畫思維方式發(fā)展路徑的首要任務(wù).但學(xué)習(xí)進(jìn)階并非只有起點(diǎn)和終點(diǎn)，還有若干中間層級(jí).在中間層級(jí)的進(jìn)階過(guò)程中，學(xué)習(xí)情況分析需要弄清楚有哪些進(jìn)階的關(guān)鍵點(diǎn)、學(xué)生思維從低層級(jí)發(fā)展到高層級(jí)的條件及其路徑等內(nèi)容.

從學(xué)生認(rèn)識(shí)發(fā)展的角度看，教學(xué)的目的便是促進(jìn)學(xué)生的思維方式由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的發(fā)展.教學(xué)要有效促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)階，就需要從學(xué)生的角度分析影響學(xué)生進(jìn)階的各種認(rèn)知因素與非認(rèn)知因素，然后采用合適的教學(xué).因此，需要建立具有可操作性的學(xué)生學(xué)習(xí)情況分析框架.

筆者以學(xué)習(xí)進(jìn)階過(guò)程和影響學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)階的因素作為兩個(gè)維度建立如表1所示的分析框架.

表1 基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的物理概念學(xué)習(xí)情況分析框架

3 學(xué)習(xí)情況分析的內(nèi)容與策略

3.1 分析原有認(rèn)知基礎(chǔ) 建構(gòu)新舊知識(shí)聯(lián)系

現(xiàn)代學(xué)習(xí)觀認(rèn)為，人們用他們已經(jīng)知道和相信的知識(shí)去建構(gòu)新知識(shí)和對(duì)新知識(shí)的理解[5].學(xué)生已有的前科學(xué)概念或者體驗(yàn)對(duì)概念的學(xué)習(xí)可能起到正反兩種截然不同的作用.因此，我們有必要分析學(xué)生擁有哪些與概念學(xué)習(xí)有關(guān)的認(rèn)識(shí)或者能力，這不僅有助于建立概念，并在此基礎(chǔ)上建立概念與已有概念的聯(lián)系，有助于深入理解概念，形成結(jié)構(gòu)良好的概念體系.

學(xué)生原有的認(rèn)知基礎(chǔ)可以分為兩大類：一類是有助于概念學(xué)習(xí)的認(rèn)知基礎(chǔ)；一類是干擾概念學(xué)習(xí)的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí).

探查學(xué)生原有認(rèn)識(shí)的方法也就多種多樣，大體上可以分為直接法和間接法.所謂直接法就是通過(guò)對(duì)學(xué)生的直接觀察、測(cè)驗(yàn)、訪談等具體方式了解其原有認(rèn)識(shí).所謂間接法就是通過(guò)查閱相關(guān)研究文獻(xiàn)、咨詢有經(jīng)驗(yàn)的教師等間接方式了解學(xué)生原有認(rèn)知.

3.2 分析學(xué)習(xí)進(jìn)階關(guān)鍵點(diǎn)及其影響因素 明確教學(xué)目標(biāo)與重難點(diǎn)

確定恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)目標(biāo)和重難點(diǎn)是設(shè)計(jì)合理的教學(xué)過(guò)程、選擇有效的教學(xué)策略的前提.反之，則是低效教學(xué)，甚至是無(wú)效教學(xué).從學(xué)生角度分析學(xué)習(xí)進(jìn)階的關(guān)鍵點(diǎn)，并基于此確定教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)重難點(diǎn).

物理概念學(xué)習(xí)進(jìn)階的關(guān)鍵點(diǎn)往往存在于以下“位置”：第一，受到錯(cuò)誤概念的較強(qiáng)干擾，從錯(cuò)誤概念轉(zhuǎn)變到科學(xué)概念的“位置”.第二，需要較復(fù)雜的數(shù)學(xué)知識(shí)或者學(xué)科思維方法才能實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)進(jìn)階的“位置”.第三，從若干相關(guān)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，概括得出結(jié)論的“位置”.第四，在學(xué)習(xí)進(jìn)階過(guò)程中需要建模的“位置”.當(dāng)然，學(xué)習(xí)進(jìn)階的關(guān)鍵點(diǎn)還可能存在于其他“位置”，往往需要根據(jù)具體知識(shí)的特點(diǎn)進(jìn)行具體分析，而不是一概而論.

分析突破學(xué)習(xí)進(jìn)階關(guān)鍵點(diǎn)的影響因素可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：首先，在對(duì)具體學(xué)習(xí)內(nèi)容分析的基礎(chǔ)上，以分析框架的學(xué)習(xí)影響因素維度為線索，分析有哪些具體的認(rèn)知和非認(rèn)知因素在影響學(xué)習(xí)進(jìn)階.其次，對(duì)這些影響因素進(jìn)行分類，區(qū)分哪些是學(xué)生已經(jīng)具備的，哪些是目前不具備的，或者存在某種程度的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí).

在分析學(xué)習(xí)進(jìn)階關(guān)鍵點(diǎn)的基礎(chǔ)上，明確教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)重難點(diǎn)，有利于加強(qiáng)教學(xué)目標(biāo)對(duì)整個(gè)教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)和教學(xué)策略選擇的統(tǒng)領(lǐng)性，有利于有針對(duì)性地突破教學(xué)重難點(diǎn).

3.3 分析學(xué)習(xí)進(jìn)階路徑及其影響因素 為個(gè)性化的學(xué)習(xí)指導(dǎo)提供依據(jù)

學(xué)習(xí)進(jìn)階的路徑往往不是唯一的，不同的路徑具有不同的特點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于不同的認(rèn)知過(guò)程，自然影響學(xué)習(xí)進(jìn)階的因素就不同.例如，加速度建構(gòu)可以有兩個(gè)不同的路徑：一個(gè)是在大量不同物體加速運(yùn)動(dòng)的事實(shí)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用比值定義法或者根據(jù)變化率概念，定義加速度描述物體速度變化快慢；另一個(gè)是做出不同物體做勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度—時(shí)間圖像，然后根據(jù)數(shù)學(xué)上斜率概念，借助圖像定義加速度概念.顯然，通過(guò)這兩個(gè)不同的途徑都實(shí)現(xiàn)了定義加速度的目標(biāo)，但由于學(xué)生原有認(rèn)知基礎(chǔ)的不同，可以根據(jù)學(xué)生實(shí)際情況采用不同的方式.

學(xué)習(xí)進(jìn)階路徑的影響因素主要有兩類：一類是課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)與教學(xué)要求；另一類是學(xué)生頭腦中原有的知識(shí)、技能、思維方式等若干方面的影響因素.

那么，如何分析學(xué)習(xí)進(jìn)階路徑呢？第一，研究課程標(biāo)準(zhǔn)與教材，弄清楚課程標(biāo)準(zhǔn)中要求的學(xué)習(xí)進(jìn)階路徑；第二，從學(xué)科學(xué)知識(shí)建構(gòu)角度，分析其他可能的學(xué)習(xí)進(jìn)階路徑；第三，根據(jù)學(xué)生的實(shí)際認(rèn)知水平，分析這些不同路徑在現(xiàn)階段哪些是可行的，并比較它們的影響因素有哪些不同.

3.4 分析學(xué)習(xí)進(jìn)階終點(diǎn)及其影響因素 為學(xué)生遷移與創(chuàng)新能力發(fā)展奠定基礎(chǔ)

學(xué)習(xí)進(jìn)階終點(diǎn)包括“在核心概念下的概念體系整合；概念與跨學(xué)科概念之間的聯(lián)系；反思概念理解過(guò)程獲得的反省認(rèn)知知識(shí).[6]”這些內(nèi)容更容易遷移到其他主題，也是發(fā)展學(xué)生創(chuàng)新能力的知識(shí)基礎(chǔ).因此，分析學(xué)習(xí)進(jìn)階終點(diǎn)的具體內(nèi)容，并在教學(xué)中有針對(duì)性地規(guī)劃與實(shí)施，正是培養(yǎng)學(xué)生遷移能力和創(chuàng)新能力的可操作途徑.

可以從以下幾個(gè)方面分析影響概念學(xué)習(xí)進(jìn)階的因素：第一，分析學(xué)生頭腦中原有的、與學(xué)習(xí)內(nèi)容相關(guān)的概念體系是怎樣的？有哪些相關(guān)的跨學(xué)科概念？有哪些相關(guān)的認(rèn)知策略？第二，學(xué)習(xí)具體內(nèi)容對(duì)概念體系的完善、跨學(xué)科概念的理解和反省認(rèn)知知識(shí)的獲得有什么幫助？第三，影響因素有哪些？這些因素中哪些是主要的？哪些是次要的？哪些是學(xué)生已經(jīng)具備的？哪些又是不具備的？第四，具體學(xué)習(xí)內(nèi)容在促進(jìn)學(xué)生概念整合方面可能存在哪些方面的障礙或者困難？這些障礙或者困難中哪些是學(xué)生可以獨(dú)立克服的？哪些是必須在教師指導(dǎo)下才能克服的？

3.5 分析影響學(xué)習(xí)的非認(rèn)知因素 提升學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力

學(xué)生由于自身的成長(zhǎng)環(huán)境、性格特點(diǎn)等方面的不同，具有不同的學(xué)習(xí)興趣、態(tài)度與動(dòng)機(jī).在學(xué)習(xí)進(jìn)階的不同階段，由于學(xué)習(xí)內(nèi)容和思維層次的不同，學(xué)生往往會(huì)在學(xué)習(xí)興趣、好奇心、求知欲等方面表現(xiàn)出明顯不同.例如，在速度概念學(xué)習(xí)過(guò)程中，有的學(xué)生對(duì)動(dòng)手操作、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等方面感興趣，則在事實(shí)經(jīng)驗(yàn)建立的過(guò)程容易產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣；有的學(xué)生對(duì)探討知識(shí)間的因果關(guān)系感興趣，則在從平均速度如何進(jìn)階到瞬時(shí)速度的過(guò)程容易產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣.因此，分析不同學(xué)生，甚至同一學(xué)生在學(xué)習(xí)進(jìn)階的不同階段影響學(xué)生學(xué)習(xí)的非認(rèn)知因素是非常有必要的.

分析影響學(xué)生學(xué)習(xí)的非認(rèn)知因素應(yīng)注意挖掘在哪些“點(diǎn)”上容易激發(fā)學(xué)習(xí)興趣與動(dòng)機(jī)，可以關(guān)注以下幾個(gè)方面：第一，在事實(shí)經(jīng)驗(yàn)的積累階段，往往需要學(xué)生動(dòng)手操作、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等，這些與現(xiàn)象緊密聯(lián)系的動(dòng)手操作活動(dòng)往往能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.第二，與生產(chǎn)、生活實(shí)際緊密聯(lián)系的“點(diǎn)”容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，例如，在高速公路上如何對(duì)行駛車輛進(jìn)行速度監(jiān)控，定點(diǎn)測(cè)速與區(qū)間測(cè)速各有什么特點(diǎn)，它們之間是怎樣的關(guān)系等問題.第三，建立概念之間關(guān)聯(lián)或者存在因果解釋的“點(diǎn)”容易激發(fā)那些喜歡思考知識(shí)內(nèi)容內(nèi)在邏輯、追求和諧統(tǒng)一的學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.例如，在學(xué)習(xí)了用電場(chǎng)強(qiáng)度描述電場(chǎng)的強(qiáng)弱之后，分析在重力場(chǎng)或者萬(wàn)有引力場(chǎng)中如何定義學(xué)科量描述場(chǎng)的強(qiáng)弱.第四，動(dòng)腦與動(dòng)手相結(jié)合的“點(diǎn)”，例如，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻、如何解釋小燈泡的伏安特性曲線等.

分析影響學(xué)習(xí)的非認(rèn)知因素既要關(guān)注內(nèi)在的興趣、好奇心與求知欲，又要關(guān)注因?yàn)閮?nèi)容的有用性或者對(duì)個(gè)人發(fā)展的價(jià)值判斷而引起的外部學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī).

4 案例分析

基于前述分析框架，以高中物理中“加速度”一節(jié)為例,學(xué)習(xí)情況分析如下.

4.1 原有認(rèn)知基礎(chǔ)

學(xué)習(xí)加速度概念之前，已經(jīng)學(xué)習(xí)了速度概念，對(duì)矢量概念也有了解，在建構(gòu)速度概念中采用了比值定義法，在從平均速度得出瞬時(shí)速度的過(guò)程中，采用了極限思想.這些思想或者方法都為加速度概念的建立提供了基礎(chǔ).在生活經(jīng)驗(yàn)中，已經(jīng)具備了速度變化的體驗(yàn).在數(shù)學(xué)課上已經(jīng)對(duì)變化率的概念有初步了解.同時(shí)，學(xué)習(xí)本節(jié)前有些學(xué)生頭腦中存在與加速度相關(guān)的大量錯(cuò)誤前概念，例如，加速度就是“增加的速度”；只有物體做加速運(yùn)動(dòng)才有加速度；速度越大，加速度就越大；速度變化量越大，加速度就越大等.

4.2 學(xué)習(xí)進(jìn)階的關(guān)鍵點(diǎn)及其影響因素

主要體現(xiàn)在：第一，加速度是矢量，學(xué)生剛剛建立矢量概念，對(duì)矢量概念的理解還不夠深刻，容易忽視或者弄錯(cuò)加速度的方向；第二，涉及矢量的變化量和變化率，這兩個(gè)概念對(duì)學(xué)生比較陌生，但又是重要的，另外，由于還沒有學(xué)習(xí)平行四邊形法則，矢量變化量的計(jì)算也是學(xué)習(xí)的關(guān)鍵點(diǎn)；第三，加速度建立在比速度更加抽象的速度變化量基礎(chǔ)之上，并且學(xué)生并不能像觀察物體的位置變化或者速度大小那樣觀察到加速度，因此，建立加速度概念時(shí)，學(xué)生缺乏直觀感受；第四，學(xué)生頭腦中存在大量與加速度概念有關(guān)的錯(cuò)誤概念，這些錯(cuò)誤的前概念往往會(huì)干擾學(xué)生對(duì)加速度概念的理解.

4.3 學(xué)習(xí)進(jìn)階路徑

4.4 學(xué)習(xí)進(jìn)階終點(diǎn)及其影響因素

加速度學(xué)習(xí)進(jìn)階終點(diǎn)可以包括以下幾個(gè)方面：認(rèn)識(shí)到描述運(yùn)動(dòng)的物理量位移、速度與加速度之間的邏輯關(guān)系；體會(huì)從描述運(yùn)動(dòng)到分析運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，即分析加速度的產(chǎn)生原因，這是物理學(xué)研究的一般思路；認(rèn)識(shí)到物理學(xué)中常常用物理量的變化率描述這個(gè)量的變化快慢；認(rèn)識(shí)到物理量之比是物理學(xué)中用來(lái)定義物理量的常用方法.這些學(xué)習(xí)進(jìn)階的影響因素主要包括：對(duì)位移、速度等原有知識(shí)的理解，對(duì)變化量這個(gè)跨學(xué)科概念的理解，對(duì)密度、速度等物理量定義方式的反思程度.

4.5 影響學(xué)習(xí)的非認(rèn)知因素

日常生活、生產(chǎn)中，既有應(yīng)用加速度的實(shí)例，也有防止加速度過(guò)大引起危害的實(shí)例，本節(jié)內(nèi)容容易聯(lián)系生活、生產(chǎn)實(shí)際，有利于激發(fā)學(xué)習(xí)興趣.

以上是筆者基于學(xué)習(xí)進(jìn)階針對(duì)物理學(xué)習(xí)情況分析所采取的一些思考探索，旨在拋磚引玉，期望得到同仁們的批評(píng)指正.

致謝：本文得到云南省昆明市五華區(qū)基礎(chǔ)教育科學(xué)研究中心趙堅(jiān)先生悉心指導(dǎo)，在此表示感謝.