“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”的學(xué)習(xí)進(jìn)階研究*

蔣培旺 徐平川 楊 歡 代利紅

(西華師范大學(xué)物理與空間科學(xué)學(xué)院 四川 南充 637009)

1 引言

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，一般表現(xiàn)為圍繞著核心概念展開的一系列由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、相互關(guān)聯(lián)的概念序列，是對(duì)“應(yīng)為學(xué)生設(shè)定怎樣的學(xué)習(xí)路徑”這一核心問題的探索[1].

北師大郭玉英帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了中學(xué)物理學(xué)科中相關(guān)核心概念及關(guān)鍵能力的學(xué)習(xí)進(jìn)階，將理論構(gòu)建與實(shí)際研究相結(jié)合[2].國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)“力與運(yùn)動(dòng)”“運(yùn)動(dòng)與相互作用的關(guān)系”進(jìn)行了學(xué)習(xí)進(jìn)階研究[3]，構(gòu)建了相關(guān)核心概念的進(jìn)階框架.

目前學(xué)習(xí)進(jìn)階的研究?jī)?nèi)容從核心概念轉(zhuǎn)向基本概念和基本規(guī)律.牛頓運(yùn)動(dòng)定律是整個(gè)經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，在各個(gè)國(guó)家的中學(xué)物理教學(xué)中占有很大篇幅，是教學(xué)中的重難點(diǎn).

本文通過分析從小學(xué)到高中的課程標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)各個(gè)階段常見的迷思概念和科學(xué)概念，制定了各水平的進(jìn)階目標(biāo).進(jìn)階終點(diǎn)的設(shè)定從物理發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律和動(dòng)力出發(fā)，注重過程性評(píng)價(jià)，為學(xué)生的終身發(fā)展奠定基礎(chǔ).

2 “牛頓運(yùn)動(dòng)定律”的進(jìn)階框架設(shè)計(jì)

2.1 基于課程標(biāo)準(zhǔn)的分析

《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》和《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》對(duì)學(xué)生不同階段學(xué)習(xí)“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”提出了最基本的要求.小學(xué)階段，要求學(xué)生能描述常見運(yùn)動(dòng)的形式和特征.初中階段，要求學(xué)生了解伽利略物理實(shí)驗(yàn)，初步形成物理極限思想，構(gòu)建慣性的初步概念，初步理解牛頓運(yùn)動(dòng)定律.高中階段，強(qiáng)調(diào)基于學(xué)生已有的經(jīng)驗(yàn)，要求學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)伽利略等人的探索歷程，從對(duì)力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系的定性認(rèn)識(shí)，到理解加速度和力、質(zhì)量的定量關(guān)系，形成對(duì)牛頓定律相關(guān)知識(shí)的物理觀念、科學(xué)思維方法和科學(xué)探究意識(shí)[4].

2.2 牛頓運(yùn)動(dòng)定律的進(jìn)階框架構(gòu)建

牛頓運(yùn)動(dòng)定律相關(guān)概念在中學(xué)階段具有跨度大、靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)，根據(jù)皮亞杰“認(rèn)知發(fā)展階段理論”“布魯姆教育目標(biāo)分類”相關(guān)理論，考慮到學(xué)生認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)展水平，針對(duì)學(xué)生在不同學(xué)習(xí)階段呈現(xiàn)的概念理解水平的描述，可以將牛頓運(yùn)動(dòng)定律的學(xué)習(xí)進(jìn)階分為5個(gè)水平，如表1所示.

3 學(xué)習(xí)進(jìn)階與物理課堂教學(xué)

小學(xué)生的思維大多停留在水平1層次，初中學(xué)習(xí)可以達(dá)到水平2層次甚至是水平3層次，高中學(xué)習(xí)過牛頓第三定律的學(xué)生應(yīng)該能到達(dá)水平4層次，但仍有部分學(xué)生只能到達(dá)第2、第3水平層次.大學(xué)學(xué)生經(jīng)過學(xué)習(xí)可以達(dá)到水平5層次.學(xué)生對(duì)“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”的學(xué)習(xí)不是一蹴而就的，在學(xué)習(xí)過程中難免會(huì)產(chǎn)生迷思概念，學(xué)習(xí)進(jìn)階實(shí)際上就是，實(shí)現(xiàn)迷思概念與科學(xué)概念之間的轉(zhuǎn)變，將概念轉(zhuǎn)變的研究時(shí)間拉長(zhǎng)并對(duì)概念模型進(jìn)行整合[5].因此教師應(yīng)以學(xué)習(xí)進(jìn)階為參考，從學(xué)生現(xiàn)有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)出發(fā)，設(shè)置一系列的進(jìn)階節(jié)點(diǎn)，按照層級(jí)結(jié)構(gòu)，一步步地達(dá)到進(jìn)階終點(diǎn).

以高中教科版牛頓第一定律為例，根據(jù)對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)和表1的分析，進(jìn)階節(jié)點(diǎn)設(shè)置為：對(duì)力與運(yùn)動(dòng)的初步認(rèn)識(shí)，由亞里士多德、伽利略等人的觀點(diǎn)建立極限思想，構(gòu)建牛頓第一定律的模型，形成物理觀念以及掌握慣性在生活中的應(yīng)用.具體的進(jìn)階過程可做如下設(shè)計(jì)：

(1)創(chuàng)設(shè)物理情境，形成力和運(yùn)動(dòng)初步的認(rèn)識(shí)

學(xué)生從“冰壺”“車輛行駛”“足球在草地運(yùn)動(dòng)”等生活現(xiàn)象中獲得事實(shí)經(jīng)驗(yàn)，回顧舊知.

(2)設(shè)置具體的問題情境或者實(shí)驗(yàn)，搭建“腳手架”

運(yùn)動(dòng)的物體之所以會(huì)停下來(lái)，是由于物體受到了摩擦力的緣故.通過伽利略設(shè)計(jì)的理想斜面實(shí)驗(yàn)，初步形成極限思想，建立運(yùn)動(dòng)和力相互關(guān)系的基礎(chǔ)線索.

(3)構(gòu)建物理模型

學(xué)生基于生活經(jīng)驗(yàn)，容易產(chǎn)生力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因、速度越大所受力越大等迷思概念.教學(xué)中要基于物理發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律和動(dòng)力，結(jié)合眾多學(xué)者對(duì)力與運(yùn)動(dòng)的探索的物理學(xué)史，使學(xué)生經(jīng)歷知識(shí)的獲得過程[6].由笛卡爾對(duì)于運(yùn)動(dòng)的表述以及牛頓對(duì)于力與運(yùn)動(dòng)的總結(jié)，建立牛頓運(yùn)動(dòng)定律的物理模型.

(4)形成物理觀念

通過對(duì)牛頓第一定律的理解，培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念，建立科學(xué)的時(shí)空觀、運(yùn)動(dòng)觀、相互作用觀.讓學(xué)生透過事物的表象看本質(zhì)，實(shí)現(xiàn)慣性、相互作用、運(yùn)動(dòng)等物理知識(shí)的遷移，提升學(xué)生解決問題的能力.

4 學(xué)習(xí)進(jìn)階與評(píng)價(jià)

通過牛頓運(yùn)動(dòng)定律在實(shí)際問題中的應(yīng)用，整合相關(guān)物理知識(shí)，鞏固進(jìn)階成果.目前國(guó)內(nèi)所開發(fā)的測(cè)試題更多的是注重評(píng)價(jià)是否達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，忽略了學(xué)生在學(xué)習(xí)進(jìn)階中存在的困難.筆者根據(jù)FCI,FMCE,歷年中考、高考物理試題等，使用多項(xiàng)選擇測(cè)試題對(duì)學(xué)生在概念的理解程度方面進(jìn)行考察.例如以下題目：

【題目】某女士對(duì)一只大箱子在水平方向上施加一個(gè)恒定不變的作用力，大箱子在水平面上以恒定的速度v0運(yùn)動(dòng).關(guān)于這位女士施加的水平作用力，下列說法正確的是( )

A．大小大于箱子的重力

B．大小小于箱子的重力

C．大小等于箱子在運(yùn)動(dòng)中受到的總阻力

D．大小大于箱子在運(yùn)動(dòng)中受到的總阻力

E．既大于箱子的重力也大于箱子在運(yùn)動(dòng)中受到的總阻力

當(dāng)學(xué)生選擇選項(xiàng)A或E時(shí)，反映學(xué)生對(duì)“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”的理解還處于水平1層次，錯(cuò)誤的認(rèn)為“重力會(huì)阻止物體運(yùn)動(dòng)”；選項(xiàng)B或D反映學(xué)生處于水平2層次，認(rèn)為“推力大于重力物體才能運(yùn)動(dòng)”“此時(shí)的阻力只有摩擦力”；選項(xiàng)C反映學(xué)生處于水平3，4階段，學(xué)生理解“勻速運(yùn)動(dòng)的物體合外力為零”.

5 結(jié)束語(yǔ)

學(xué)習(xí)進(jìn)階的構(gòu)建是一個(gè)理論與實(shí)踐交替的過程，通過構(gòu)建學(xué)習(xí)進(jìn)階，指導(dǎo)教學(xué)實(shí)踐，在教學(xué)實(shí)踐中構(gòu)建更符合學(xué)生學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)進(jìn)階.本文通過對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)、教材、學(xué)生認(rèn)知水平的分析，設(shè)計(jì)了牛頓運(yùn)動(dòng)定律這一核心概念的學(xué)習(xí)進(jìn)階框架，提出了相對(duì)應(yīng)的教學(xué)建議，希望能為物理教學(xué)提供建議和參考.