基于加涅學(xué)習(xí)層次理論的新版高中物理教材分析

洪靜爽 程敏熙

摘? ?要：在高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)導(dǎo)向下，結(jié)合新課程標(biāo)準(zhǔn)對2019年人教版高中物理必修一“牛頓第三定律”的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行整體與局部分析。結(jié)合必修一教材的整體知識結(jié)構(gòu)，分析模塊主題呈現(xiàn)順序，明確《相互作用——力》一章在必修一整體知識邏輯結(jié)構(gòu)中的地位。再基于學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平，結(jié)合加涅學(xué)習(xí)層次理論對“牛頓第三定律”所在具體章節(jié)內(nèi)容展開剖析，把握教學(xué)重難點(diǎn)。為一線物理教師制定較為合理的教學(xué)設(shè)計(jì)提供一定幫助。

關(guān)鍵詞：加涅學(xué)習(xí)層次理論;教材分析;牛頓第三定律

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）2-0024-4

1? ? 引? 言

分析教材的目的在于幫助教師在整體把握課程標(biāo)準(zhǔn)對發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的要求下，結(jié)合對教材具體章節(jié)內(nèi)容的分析明確教學(xué)目的及目標(biāo);通過對教材內(nèi)容組織及編排順序進(jìn)行分析，可以把握知識整體的邏輯結(jié)構(gòu)，明確教學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容;通過考慮學(xué)生原有知識經(jīng)驗(yàn)及認(rèn)知發(fā)展特點(diǎn)，確立具體教學(xué)難點(diǎn);通過教材分析，可以輔助設(shè)計(jì)出符合學(xué)生學(xué)情和教師特點(diǎn)的教學(xué)計(jì)劃和具體實(shí)施方案。

2? ? 課程標(biāo)準(zhǔn)必修1模塊主題呈現(xiàn)順序分析

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱新課標(biāo)），規(guī)定高中物理課程必修1模塊由兩個二級主題“機(jī)械運(yùn)動與物理模型”和“相互作用與運(yùn)動定律”組成[1]?！皺C(jī)械運(yùn)動與物理模型”描述的是宏觀層面，物體外顯性的、可視化的運(yùn)動形式及其抽象化表征;而“相互作用與運(yùn)動定律”則需要依據(jù)物體外顯的可視化運(yùn)動狀態(tài)探討物體間相互作用的內(nèi)在規(guī)律。兩個主題內(nèi)容在呈現(xiàn)順序上，思維發(fā)展經(jīng)歷從具體運(yùn)算階段[2]向形式運(yùn)算階段的過渡，符合高一學(xué)生認(rèn)知發(fā)展水平的銜接。

加涅學(xué)習(xí)層次理論考查了知識學(xué)習(xí)遷移[3]的問題，揭示了學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的發(fā)展依賴于原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，具體表現(xiàn)為教學(xué)過程中新舊知識間的有效銜接問題[2]。以2019年人教版高中物理必修一為例（如圖1），在提出描述運(yùn)動的基本概念基礎(chǔ)上引入簡單的機(jī)械運(yùn)動特例，從直線運(yùn)動出發(fā)，進(jìn)入到較復(fù)雜的考查物體發(fā)生機(jī)械運(yùn)動過程中的內(nèi)在機(jī)制即物體間的相互作用：先介紹三種常見力（包括重力、彈力、摩擦力），再歸納引出相互作用力的概念、特征及其綜合應(yīng)用，最后綜合考慮運(yùn)動和力之間的關(guān)系引出牛頓運(yùn)動定律相關(guān)內(nèi)容及其在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。也為高中物理必修二學(xué)習(xí)更復(fù)雜的曲線運(yùn)動和萬有引力等內(nèi)容奠定基礎(chǔ)，從而構(gòu)成了完整的牛頓力學(xué)體系。

與舊人教版教材相比，2019年人教版高中物理教材把原來的《牛頓運(yùn)動定律》一章改為《運(yùn)動和力的關(guān)系》，并把牛頓第三定律歸入到《相互作用——力》一章中，即學(xué)習(xí)三種常見力（包括重力、彈力、摩擦力）之后，實(shí)現(xiàn)由相互作用力的概念學(xué)習(xí)過渡到相互作用力之間特點(diǎn)和規(guī)律的探討，使設(shè)計(jì)思路更加清晰、嚴(yán)密，各章節(jié)內(nèi)容聯(lián)系更加密切，層層遞進(jìn)，充分體現(xiàn)了教材設(shè)計(jì)的循序漸進(jìn)原則。從知識內(nèi)容為線索的呈現(xiàn)形式看，2019年人教版教材強(qiáng)調(diào)物理知識的內(nèi)在邏輯和具體內(nèi)容的前后鋪墊，同時(shí)也強(qiáng)調(diào)了物理知識內(nèi)容學(xué)習(xí)與學(xué)生認(rèn)知發(fā)展過程的融合。

3? ? 基于加涅學(xué)習(xí)層次理論的《相互作用——力》一章教材內(nèi)容分析

美國教育心理學(xué)家加涅提出，學(xué)生學(xué)習(xí)是循序漸進(jìn)、不斷積累的過程，并根據(jù)學(xué)習(xí)的復(fù)雜性程度劃分為8個學(xué)習(xí)層次：信號學(xué)習(xí)、刺激-反應(yīng)學(xué)習(xí)、動作鏈鎖、言語聯(lián)想、辨別學(xué)習(xí)、概念學(xué)習(xí)、規(guī)則學(xué)習(xí)和問題解決或高級規(guī)則學(xué)習(xí)。而概念形成、推理、問題解決是思維活動的主要形式，因此概念學(xué)習(xí)、規(guī)則學(xué)習(xí)和問題解決學(xué)習(xí)三個層次是學(xué)校教育較為關(guān)注的[2，4，5]。本章共分為5個小節(jié)（見表1），第1、2節(jié)介紹了三種常見力，包括重力、彈力、摩擦力，劃分為概念學(xué)習(xí)范疇;第3節(jié)通過問題引導(dǎo)和探究實(shí)驗(yàn)得出相互作用力的概念與牛頓第三定律，第4節(jié)討論力的合成與分解，大體上將3、4小節(jié)歸類到一級規(guī)則學(xué)習(xí);第5節(jié)的共點(diǎn)力平衡，是在系統(tǒng)學(xué)習(xí)前面核心概念和定律的基礎(chǔ)上，通過掌握一定分析規(guī)則和工具后的有關(guān)力學(xué)問題的一個基礎(chǔ)的綜合性應(yīng)用，屬于問題解決學(xué)習(xí)階段。

4? ? 基于加涅學(xué)習(xí)層次理論的“牛頓第三定律”教材內(nèi)容分析

進(jìn)一步深入把握本節(jié)內(nèi)容的重難點(diǎn)，需結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展特點(diǎn)以及教師教學(xué)需要，深入到教材的小節(jié)內(nèi)容展開分析?！芭ｎD第三定律”（見表2）在章教材內(nèi)容分析中劃分為一級規(guī)則學(xué)習(xí)，其下設(shè)有三個小標(biāo)題，再次體現(xiàn)了從概念學(xué)習(xí)—規(guī)則學(xué)習(xí)—問題解決學(xué)習(xí)的遷移。同時(shí)，新教材強(qiáng)化了圖文之間的對應(yīng)關(guān)系，教材中所選配圖與教學(xué)目的、教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合，增強(qiáng)了教材的可讀性。由表格內(nèi)容可初步確定教學(xué)重點(diǎn)是概念學(xué)習(xí)中相互作用力概念的理解以及規(guī)律學(xué)習(xí)中對一對相互作用力特點(diǎn)的探究，難點(diǎn)可初步確定為問題解決學(xué)習(xí)中一對相互作用力與一對平衡力的區(qū)別和聯(lián)系，最終教學(xué)重難點(diǎn)的確定應(yīng)依據(jù)具體學(xué)情、教師特點(diǎn)和教學(xué)條件確定。

4.1? ? 問題引入環(huán)節(jié)

與舊人教版教材不同，2019年人教版高中物理教材在每節(jié)內(nèi)容開頭增加了“提問”環(huán)節(jié)加以引入。部分學(xué)生因在日常生活中形成的直觀感受，認(rèn)為在掰手腕過程中大人之所以能成功掰倒小孩是因?yàn)榇笕说牧σ笮?。教材中本?jié)“問題”引入部分，便以日常生活中大人和小孩掰手腕的情境導(dǎo)入，并提出問題：相互作用的力其大小有什么關(guān)系？是否相等？由此引起學(xué)生的認(rèn)知沖突，喚起學(xué)生的好奇心與求知欲，為后面的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)作準(zhǔn)備。在實(shí)際教學(xué)過程中要注意培養(yǎng)學(xué)生的問題意識和積極主動的提問能力。

4.2? ? 概念學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)

本環(huán)節(jié)教材內(nèi)容選取的3個物理情境（見表2），由接觸力過渡到非接觸力，使課程內(nèi)容豐富化、情境化，有助于學(xué)生有意識地嘗試從物理學(xué)視角去認(rèn)識和理解生活中的相互作用物理現(xiàn)象。除了教材提及的物理情境，實(shí)際教學(xué)過程中還可以引導(dǎo)學(xué)生對生活所觀察或思考的眾多其他物體間的相互作用現(xiàn)象進(jìn)行重新細(xì)致分析。在物體間發(fā)生相互作用的諸多客觀情境中引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會初步概括該類事物的共同特征，進(jìn)而抽象出物體相互作用過程的本質(zhì)，深化對“作用力和反作用力總是互相依賴，同時(shí)存在”的認(rèn)識。即要讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)思維的相對完整的鍛煉過程，切實(shí)落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。此外，本環(huán)節(jié)也可以將問題情境轉(zhuǎn)化為學(xué)生感受性試驗(yàn)，再加上教師演示實(shí)驗(yàn)[6]，比如“磁鐵與鐵塊之間相互作用的多情境演示實(shí)驗(yàn)”或師生共同合作實(shí)驗(yàn)，再讓學(xué)生舉例、歸納、總結(jié)，在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)作用力與反作用力物理概念模型。

4.3? ? 實(shí)驗(yàn)與規(guī)律學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)

本環(huán)節(jié)，在建構(gòu)作用力與反作用力物理概念模型的基礎(chǔ)上，教材注重通過實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生從力的三要素去探究作用力與反作用力的特點(diǎn)和規(guī)律。因此，在具體教學(xué)過程中，教師要注重從科學(xué)探究的視角拓展教材中有關(guān)彈簧測力計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。比如，設(shè)計(jì)成學(xué)生小組合作探究的實(shí)驗(yàn)形式，自主制訂探究計(jì)劃，在不同的可能情境下（見表3）展開實(shí)驗(yàn)與探究[7]。教師要注意讓學(xué)生在活動中能真切感受科學(xué)探究過程，避免讓學(xué)生按照教師或教材的既定步驟進(jìn)行虛假探究。

新課標(biāo)中強(qiáng)調(diào)要重視數(shù)字實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方式。因此，教材在彈簧測力計(jì)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步引入力傳感器的拓展學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)，供有條件的學(xué)校選用，力傳感器可以實(shí)時(shí)采集、記錄任意運(yùn)動狀態(tài)（平衡或非平衡）下二者的大小和方向的變化情況，測量靈敏度高、精確度高、更具說服力。探究實(shí)驗(yàn)是發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究能力的重要途徑，實(shí)際教學(xué)過程中讓學(xué)生在探究實(shí)驗(yàn)的觀察和操作過程中，經(jīng)歷作用力與反作用力“比較（大?。爬ǎú煌榫诚麓笮?、方向、作用點(diǎn)的共同點(diǎn)）—抽象（高度凝練出牛頓第三定律）”的過程，可以促進(jìn)他們科學(xué)思維和探究能力的發(fā)展，從而有效促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的進(jìn)一步培養(yǎng)。

4.4? ? 問題解決學(xué)習(xí)與概念辨析環(huán)節(jié)

本環(huán)節(jié)教材主要以受力分析相關(guān)例題的形式展開，首先銜接初中內(nèi)容從相互作用的角度以簡化提要的物理模型示意圖出發(fā)，按重力、彈力和摩擦力的順序來分析粗糙斜面上靜止物體的受力情況，強(qiáng)調(diào)受力分析目標(biāo)對象的針對性。再進(jìn)一步呈現(xiàn)真實(shí)情境，對猴子單手掛樹吊在空中的情境進(jìn)行受力分析，再次指出受力分析過程目標(biāo)對象的針對性，從而概括平衡力與作用力、反作用力的共同點(diǎn)和區(qū)別。此外，“練習(xí)與應(yīng)用”環(huán)節(jié)提供4道相應(yīng)的練習(xí)加以鞏固。

從培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)重視對學(xué)生科學(xué)態(tài)度與責(zé)任培養(yǎng)的視角考查教材所選擇內(nèi)容的合適性與有效性，除了生活中常見的一些例子（如教材中提到的汽車驅(qū)動受力分析問題）外，具體教學(xué)過程可增加聯(lián)系生活和現(xiàn)代科技的教學(xué)內(nèi)容，在習(xí)題部分加以補(bǔ)充。比如，參考2019年粵教版必修一在本節(jié)的 “練習(xí)”中關(guān)于2018年北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射過程中對衛(wèi)星與火箭升空情況的物理情境分析。另外，教師還可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)需要布置課外研究性學(xué)習(xí)任務(wù)，讓學(xué)生主動查找資料、了解物理學(xué)史上牛頓等科學(xué)家對牛頓第三定律的具體探究過程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)意識和態(tài)度。

5? ? 結(jié)? 語

2019年人教版高中物理教材總體上是圍繞落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)要求選擇和組織本節(jié)內(nèi)容的。教師在備課過程中可以先通過對新課標(biāo)中模塊主題的分析，理解并從整體上把握《相互作用——力》一章在必修一知識邏輯結(jié)構(gòu)中的地位?？梢酝ㄟ^對具體章節(jié)教材內(nèi)容組織分析把握新教材的變化和特點(diǎn)，理解新教材內(nèi)容編排與組織變化是對新課標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)的呼應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，教師可以從學(xué)生學(xué)習(xí)視角，基于加涅學(xué)習(xí)層次理論，結(jié)合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展特點(diǎn)，對章節(jié)內(nèi)容展開細(xì)致分析，確立教學(xué)目標(biāo)以及把握教學(xué)重點(diǎn)。從落實(shí)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)，選擇、開發(fā)及組織具體的教學(xué)內(nèi)容。包括創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境;注意引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷真實(shí)的科學(xué)探究環(huán)節(jié);通過增加聯(lián)系生活和現(xiàn)代科技的教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任意識;通過研究性學(xué)習(xí)任務(wù)，讓學(xué)生了解物理學(xué)史及物理學(xué)家關(guān)于牛頓第三定律的真實(shí)探究過程，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和物理探究意識等。在教學(xué)準(zhǔn)備過程中，結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)及教材，但不拘泥于教材，根據(jù)教學(xué)需要選擇及組織教學(xué)內(nèi)容，可以有效地落實(shí)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

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（欄目編輯? ? 劉? ?榮）