基于學(xué)習(xí)進階理論的探究實驗教學(xué)研究

郭慶

摘 ? 要：學(xué)習(xí)進階理論通過圍繞某個核心概念的建構(gòu)過程，來研究學(xué)生知識與能力的不同層級，并以過程中學(xué)生的具體學(xué)習(xí)表現(xiàn)反饋進行教學(xué)調(diào)整，以改變學(xué)生現(xiàn)有的思維模式。文章介紹了如何在探究實驗教學(xué)過程中合理運用學(xué)習(xí)進階理論，逐步提升學(xué)生的實驗探究能力。

關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)進階;探究實驗;大氣壓強

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2020）10-0021-4

學(xué)習(xí)進階對教學(xué)產(chǎn)生了較大的促進作用，使其成為近年來教育領(lǐng)域研究的又一熱點。作為一線教師，把握學(xué)習(xí)進階的特點，關(guān)注學(xué)生的認知發(fā)展過程，從而提升學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣和實驗探究能力，也成為了我們研究的重點。下文將從學(xué)習(xí)進階及其理論研究、探究實驗學(xué)習(xí)進階教學(xué)研究的可行性與教學(xué)研究案例進行詳細闡述。

1 ? ?學(xué)習(xí)進階及其理論研究

美國國家教育委員會（NRC）于2007年對學(xué)習(xí)進階的定位獲得了更為廣泛的認可：學(xué)習(xí)進階描述的是學(xué)生在一定時間跨度內(nèi)，對于某一主題、依次進階、逐漸熟練和深化的思維方式，這些思維方式能在主題學(xué)習(xí)和探究過程中得到連續(xù)發(fā)展[1]。學(xué)習(xí)進階理論認為，學(xué)生的思維發(fā)展過程具有“進階”的特點，學(xué)生學(xué)習(xí)的過程就是思維從簡單到復(fù)雜的連續(xù)發(fā)展的過程。這是一個長期的過程，需要經(jīng)過不同的“階”，“階”代表了學(xué)生思維的不同水平，也是學(xué)生認知發(fā)展過程中的“腳踏點”，處在不同“階”的學(xué)生的思維方式存在差異[2]。

由學(xué)習(xí)進階的研究內(nèi)容和研究重點不難發(fā)現(xiàn)，它與學(xué)習(xí)領(lǐng)域、課程領(lǐng)域、評價領(lǐng)域三大研究領(lǐng)域有著密切的關(guān)系[3]。學(xué)習(xí)進階注重的是學(xué)生思維方式的提升方式，并不局限于內(nèi)容層面的正確或錯誤，而是通過學(xué)生給出的答案或者外部行為表現(xiàn)反映出學(xué)生所處的知識能力層級。皮亞杰的“認知學(xué)習(xí)”理論、維果茨基的“最近發(fā)展區(qū)”理論、奧蘇貝爾的“有意義學(xué)習(xí)”理論均為學(xué)習(xí)進階提供了強有力的理論支撐。

在現(xiàn)階段關(guān)于學(xué)習(xí)進階的研究中，又多以研究其結(jié)構(gòu)設(shè)計（如“結(jié)構(gòu)中心設(shè)計法”）與評價系統(tǒng)（如“伯克利評價系統(tǒng)”）為主，在教學(xué)實踐中又多以“核心概念”“物理建?！钡确矫鏋橹?，關(guān)于在“探究實驗”教學(xué)方面加入學(xué)習(xí)進階理論的研究較少，這也說明了對此項內(nèi)容展開研究有更重要的意義。

2 ? ?探究實驗學(xué)習(xí)進階教學(xué)研究的可行性

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，初中階段學(xué)生初次接觸物理，在實驗教學(xué)中應(yīng)注重學(xué)生的實驗體驗，在教學(xué)設(shè)計中要重視學(xué)生能夠通過觀察、操作、體驗等方式經(jīng)歷實驗探究的過程，能夠從實驗的探究過程中學(xué)會科學(xué)知識和科學(xué)探究方法。

學(xué)習(xí)進階雖然理論邏輯清晰，但是過于抽象。如果將其運用到探究實驗的教學(xué)中，能夠發(fā)揮其特點，幫助學(xué)生更清晰、更有層次地設(shè)計實驗項目，完成實驗探究，從而達到思維和能力的穩(wěn)步提升。而且在探究實驗的學(xué)習(xí)進階教學(xué)指導(dǎo)過程中，不同階段需要學(xué)生具備的知識、動手能力的基礎(chǔ)往往都是逐級遞增的，甚至有的需要借助其他學(xué)科知識解決，這樣還能促進學(xué)生不同學(xué)科知識的融合與拓展，最終形成個人的實驗探究能力。下面將以“大氣壓強”內(nèi)容的探究實驗設(shè)計為例，對基于核心素養(yǎng)的探究實驗學(xué)習(xí)進階流程設(shè)計進行詳細說明。（“大氣壓強”探究實驗學(xué)習(xí)進階流程圖如圖1）

3 ? ?基于物理核心素養(yǎng)的探究實驗學(xué)習(xí)進階教學(xué)設(shè)計環(huán)節(jié)展示

3.1 ? ?“大氣壓強”的進階分析

3.1.1 ? ?進階目標分析

參照《義務(wù)教育物理課程標準》對本部分的要求，本節(jié)將探究實驗進階目標設(shè)置為：1.體會大氣壓強存在的實驗項目;2.進行大氣壓強數(shù)值測量的實驗項目;3.解釋與大氣壓強知識相關(guān)的實驗原理。

3.1.2 ? ?進階起點分析

“大氣壓強”是在學(xué)生學(xué)習(xí)了壓強和液體壓強內(nèi)容之后的一節(jié)內(nèi)容，是學(xué)生對實驗法與類比學(xué)習(xí)法再次強化的內(nèi)容，也是學(xué)生運用所學(xué)壓強知識解決實際生活中存在的一些問題的重要載體。學(xué)生經(jīng)過前期的探究實驗學(xué)習(xí)，已經(jīng)具備了基本的實驗探究能力，有一定的數(shù)據(jù)分析能力。但由于學(xué)生還處在形象思維的階段，無法將實驗內(nèi)容與理論知識進行聯(lián)系分析。因此，教師可以設(shè)定以實驗為主題的物理情境來統(tǒng)一進階起點，然后展開以演示實驗、分組探究等多種方式結(jié)合的實驗教學(xué)。

3.1.3 ? ?進階層級分析

結(jié)合教材的內(nèi)容編排、學(xué)習(xí)進階的理論以及探究實驗教學(xué)的基本步驟，將“大氣壓強”的進階層級分為五個層面：

（1）節(jié)點一：通過實驗體會大氣壓強的存在，明確生活中存在大氣壓強;

（2）節(jié)點二：分組實驗，感受大氣壓強的大小;

（3）節(jié)點三：分組實驗，測量大氣壓強的數(shù)值;

（4）節(jié)點四：補充實驗，理論分析實驗過程中誤差產(chǎn)生的原因;

（5）節(jié)點五：利用實驗項目，解釋生活中與大氣壓強相關(guān)的知識，了解大氣壓強的應(yīng)用實例，達到進階目標。

3.2 ? ?基于核心素養(yǎng)的“大氣壓強”學(xué)習(xí)進階教學(xué)過程

3.2.1 ? ?前測

設(shè)計說明：設(shè)置診斷性問題，以選擇、填空的方式，在課前了解學(xué)生關(guān)于壓強、固體壓強知識的基本掌握情況，為后續(xù)教學(xué)中的類比法做好鋪墊。以簡答題的形式，通過茶壺是否有孔、打氣筒的結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，了解學(xué)生的常識儲備，以便設(shè)置更合適的進階起點，同時也可以吸引大多數(shù)學(xué)生積極觀察，能夠為新課開展做好基本鋪墊。

3.2.2 ? ?統(tǒng)一進階起點和實驗起點

創(chuàng)設(shè)情境：如果不用嘴吹，你能用哪些工具將一個氣球吹大？能否用一個塑料瓶就吹大一個氣球？（實驗引入裝置如圖2）

設(shè)計說明：既能以這個簡單的實驗激發(fā)學(xué)生的興趣，也可以讓學(xué)生通過這個實驗現(xiàn)象分析出氣體也能產(chǎn)生壓強的結(jié)論，將進階起點和實驗起點統(tǒng)一起來，幫助學(xué)生聯(lián)系理論知識和實驗現(xiàn)象。

3.2.3 ? ?探究實驗進階過程一：分組實驗，引發(fā)思考

學(xué)生進行簡單的分組實驗，說明大氣壓強的存在，發(fā)揮實驗在幫助學(xué)生感知“物理觀念”方面的作用。

教師演示實驗：空玻璃瓶口放置紙片。

學(xué)生分組探究實驗：玻璃瓶裝滿水，瓶口放置小紙片，并向各個方向旋轉(zhuǎn)玻璃瓶（圖3）。

設(shè)計說明：通過教師演示，學(xué)生知道紙片與玻璃瓶之間并無相互吸引的力。而通過分組探究實驗，學(xué)生能夠分析得到紙片之所以沒有掉落是因為有一個“托力”存在，而產(chǎn)生這個力的是空氣，從而能夠引出大氣壓強的概念。

3.2.4 ? ?探究實驗進階過程二：實驗感受，體會現(xiàn)象

學(xué)生通過自制教具——模擬馬德堡半球?qū)嶒灒▓D4）和吸盤對拉實驗（圖5），感受大氣壓強的數(shù)值較大，這也成為了粗測大氣壓強探究實驗的起點。

學(xué)生分組進行實驗：1.兩位學(xué)生通過對拉自制教具，感受大氣壓強;2.其余學(xué)生通過將兩個相同吸盤對扣排氣，然后用力拉動，感受大氣壓強。

設(shè)計說明：采用模擬馬德堡半球?qū)嶒?，讓學(xué)生真實感受大氣壓強的存在，讓學(xué)生有了切身體會，才能進一步加深他們對知識的掌握程度。根據(jù)實驗現(xiàn)象思考分析出大氣壓強的作用效果，同時也能得到大氣壓強數(shù)值很大的感性認知。這是對上一階中大氣壓強存在的進一步認知，也是后一階測量大氣壓強數(shù)值的起點。這個設(shè)計同時還能體現(xiàn)出對學(xué)生實驗探究和科學(xué)思維兩個方面物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

3.2.5 ? ?探究實驗進階過程三：實驗探究，把握過程

教師通過回顧壓強的基本計算方法，引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)大氣壓強測量的基本原理，同時通過前一階段實驗現(xiàn)象的深入分析，得出需要小吸盤、刻度尺以及彈簧測力計等實驗器材。

學(xué)生分組實驗：學(xué)生拉動吸附在玻璃板上的小吸盤（圖6），測量小吸盤剛被拉起來的拉力大小以及吸盤的直徑，計算得到大氣壓強數(shù)值的大小。

設(shè)計說明：通過引導(dǎo)學(xué)生分析上一階段吸盤實驗的受力情況，得出剛好拉動吸盤時的拉力等于大氣壓強產(chǎn)生的壓力大小，結(jié)合壓強大小的計算，推理得出大氣壓強的實驗原理。此階段的設(shè)計也體現(xiàn)出了對學(xué)生科學(xué)思維方面的培養(yǎng)。學(xué)生通過實驗測量得到大氣壓力和吸盤直徑，在計算時也能對其數(shù)據(jù)處理能力進行針對訓(xùn)練。同時，不同小組實驗得到的數(shù)據(jù)會有不同程度的誤差，這也為后續(xù)對實驗誤差的深入分析做好了鋪墊，成為下一階段的起點。

3.2.6 ? ?探究實驗進階過程四：嚴謹實驗，理論驗證

視頻演示實驗：通過視頻《托里拆利實驗》進一步對實驗測量大氣壓強數(shù)值大小進行學(xué)習(xí)。

設(shè)計說明：雖然此項實驗在教學(xué)時無法親自完成，但是可以采用視頻的形式讓學(xué)生了解托里拆利實驗，讓學(xué)生掌握如何準確測量大氣壓強的數(shù)值。同時，根據(jù)其數(shù)值和實驗數(shù)據(jù)的對比，再深入分析哪些因素影響了實驗結(jié)果。以嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度對待實驗結(jié)果，這也是對學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)。同時，這個內(nèi)容往往也是考查的一個難點。

3.2.7 ? ?探究實驗進階過程五：應(yīng)用拓展，提升素質(zhì)

通過揭秘課前實驗的裝置結(jié)構(gòu)（圖7），引導(dǎo)學(xué)生分析其能夠吹大氣球的具體原因。同時，也結(jié)合生活中和大氣壓強相關(guān)的實例，讓學(xué)生自主分析大氣壓強究竟是如何起到作用的。這對學(xué)生科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的培養(yǎng)起到了重要作用。

目前，在我國科學(xué)教育研究領(lǐng)域關(guān)于學(xué)習(xí)進階的研究已經(jīng)吸引了更多的人參與其中。學(xué)習(xí)進階將我們對學(xué)生的關(guān)注從一個時間點拉長到了一個更為系統(tǒng)的時間軸中，它要求教師要對教學(xué)有整體的規(guī)劃和設(shè)計，要去關(guān)注學(xué)生在這段觀測時間內(nèi)的學(xué)習(xí)行為轉(zhuǎn)變并及時調(diào)整教學(xué)內(nèi)容。無疑這能夠更有效地促進教師的專業(yè)素質(zhì)。同時，從對學(xué)生思維和能力的培養(yǎng)上來說，這樣一個縱向的研究過程，讓我們要更多地研究學(xué)生每個階段的認知、探究能力和各學(xué)科知識的儲備情況，關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)并持續(xù)作出調(diào)整，這樣更有利于設(shè)計更適應(yīng)學(xué)生學(xué)習(xí)情況的教學(xué)。

但我們也應(yīng)該注意到，西方科學(xué)教育界對于學(xué)習(xí)進階的研究目前也仍然處于起步階段，形成的成熟的學(xué)習(xí)進階案例并不多。國內(nèi)雖然已經(jīng)有許多專家團隊在學(xué)習(xí)進階的研究領(lǐng)域開展了各具特色的研究，但還未形成系統(tǒng)的理論成果供一線教師參考，這要依靠更多的實踐去充實此項研究（例如，北京師范大學(xué)的郭玉英教授團隊關(guān)于學(xué)習(xí)進階的研究，已有專著出版，且有多篇論文）。所以，我們在教學(xué)時可以借鑒一些優(yōu)秀的課例、案例嘗試教學(xué)改革，但不能一味地為了追求改革而忽視現(xiàn)有的教學(xué)模式。我們也相信在未來學(xué)習(xí)進階研究的發(fā)展將取得更大的突破，在課程、教學(xué)和評價領(lǐng)域的改革中起到重要作用。

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（欄目編輯 ? ?劉 ? 榮）