基于學(xué)習進階的課堂教學(xué)設(shè)計與實踐

杜靜 彭小月

摘 要：本文基于學(xué)習進階理論，通過分析進階起點、終點和進階水平，探討“動能和勢能”一節(jié)的教學(xué)設(shè)計，并以學(xué)習進階的關(guān)鍵“階”點為依托，嘗試進行教學(xué)實踐.

關(guān)鍵詞：學(xué)習進階;教學(xué)設(shè)計和實踐;動能和勢能

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）24-0049-04

基金項目：山東省教育教學(xué)研究重點課題“基于初中物理核心概念的學(xué)習進階實踐研究”（項目編號：2018JXZ1043）.

作者簡介：杜靜（1970-），女，山東鄒平人，本科，中小學(xué)正高級教師，山東省特級教師，研究方向：初中物理教學(xué)教研;

彭小月（1975-），女，山東鄒平人，本科，中小學(xué)副高級教師，研究方向：初中物理教學(xué).

學(xué)生認知發(fā)展過程一直是科學(xué)教育界普遍關(guān)心的問題.基于知識碎片理論，教學(xué)論專家認為“學(xué)生認知思維發(fā)展過程具有進階特點”，并據(jù)此提出“學(xué)習進階”教學(xué)理論.本文結(jié)合初中物理“動能和勢能”一節(jié)，嘗試將學(xué)習進階理論應(yīng)用于教學(xué)設(shè)計和實踐中.

1 學(xué)習進階的含義

美國對學(xué)習進階的研究起步最早，其成果體現(xiàn)在《美國新一代科學(xué)教育標準》中.《標準》闡述學(xué)習進階，以逐級遞進的方式連貫地表征出學(xué)生K-12 各學(xué)段中應(yīng)達到的表現(xiàn)水平，使科學(xué)內(nèi)容學(xué)習隨著年級升高逐漸擴展.多個教育機構(gòu)和學(xué)者對學(xué)習進階進行界定，如首次提出學(xué)習進階的史密斯將其定義為：學(xué)習者在理解某核心概念過程中所遵循的一系列逐漸復(fù)雜的思維路徑.再如，美國國家研究理事會（NRC）認為：學(xué)習進階是對學(xué)生連貫且逐漸深入的思維方式的假定描述，在一個適當?shù)臅r間跨度下，學(xué)生在學(xué)習并探究某一重要知識或者實踐領(lǐng)域時，其思維方式逐漸進階.學(xué)習進階實際上是延續(xù)課程與教學(xué)論對“應(yīng)為學(xué)生設(shè)定怎樣的學(xué)習路徑”這一核心問題的探索，如布魯納提出螺旋式課程設(shè)計、維果茨基提出最近發(fā)展區(qū)理論、布朗和坎皮奧內(nèi)提出“發(fā)展階梯”“跨年級、跨年齡的學(xué)習路徑”，等等，這些概念的提出都為學(xué)習進階研究奠定理論基礎(chǔ).

2 基于學(xué)習進階的“動能和勢能”教學(xué)設(shè)計

本文參考北京師范大學(xué)郭玉英研究團隊提出的“基于學(xué)習進階的科學(xué)教學(xué)設(shè)計模型”，結(jié)合我們對學(xué)習進階內(nèi)容的理解，進行“動能和勢能”的教學(xué)設(shè)計（如圖1所示）.

2.1 進階起點分析

進階起點是對開始理解某個概念之前學(xué)生已掌握知識的描述.

學(xué)生已有的事實經(jīng)驗：如運動物體具有能量的具體事例，高空下落物體具有能量的具體事例，被壓縮的彈簧等發(fā)生形變的物體具有能量，運動快的物體能量大的具體事例.當然，此時學(xué)生頭腦中還存在“只有生物具有能量”“靜止于高處的物體沒有能量”等迷思概念.

學(xué)生已有知識：人教版初中物理教材八年級下冊將“動能和勢能”安排在“功”“功率”之后學(xué)習，此時學(xué)生已經(jīng)學(xué)習功的定義，知道做功包含兩個必要因素，會計算功的大小，會比較做功快慢，能計算功率大小.教材從“是否做功”的角度出發(fā)，依托生活實際，幫助學(xué)生建立能量的概念，符合學(xué)生的認知規(guī)律.

學(xué)生思維特點：學(xué)生思維傾向于將“能量”“動能”“勢能”與可觀察、可感知的具體實物或因素相聯(lián)系，如：因為物體運動，所以具有能量;因為物體大，所以能量多;等等.因此，學(xué)生思維還處于“基于日常經(jīng)驗中，利用簡單因果推理認知能量”的認知水平.

2.2 進階終點預(yù)設(shè)

進階終點是進階結(jié)束后應(yīng)該達到的目標，即最終被期望獲得的知識或技能.根據(jù)《義務(wù)教育物理課程標準（2011年版）》要求，學(xué)生需要達到“了解能量及其存在的不同形式;描述各種各樣的能量和生產(chǎn)、生活的聯(lián)系;知道動能、勢能和機械能”的教學(xué)目標.教材方面，在人教版初中物理教材中，設(shè)計“探究物體動能與哪些因素有關(guān)”的實驗，并介紹影響重力勢能和彈性勢能的因素.結(jié)合進階路徑，設(shè)定本節(jié)課進階終點：能定性描述物體動能與物體質(zhì)量、速度的關(guān)系，能定性描述物體重力勢能與物體質(zhì)量、高度的關(guān)系，知道彈性物體在一定范圍內(nèi)形變越大，其具有的彈性勢能越大;學(xué)會運用轉(zhuǎn)換法，將比較鋼球動能轉(zhuǎn)換為比較木塊被撞擊移動距離的遠近;學(xué)會運用控制變量法進行實驗探究.通過學(xué)習本節(jié)內(nèi)容，學(xué)生逐步形成能量觀念;掌握運用機械推理方式認知能量的方法，即利用抽象物理概念思考“能量”;逐步學(xué)會從能量角度分析并研究生活實際問題.

2.3 進階水平

功是初中物理力學(xué)核心概念，做功過程是能量轉(zhuǎn)化的過程，且做功多少是能量轉(zhuǎn)化的量度.要提高學(xué)生認知水平，應(yīng)當從已有“功”的概念出發(fā)認知能量，這就需要教師為學(xué)生搭建不同“階”認知能量.通過對課標、教材以及學(xué)情進行分析，本文依據(jù)學(xué)習進階理論提前預(yù)設(shè)4個進階水平（見表1）.

3 基于學(xué)習進階的“動能和勢能”教學(xué)實踐過程

3.1 進階水平1：重視原有知識經(jīng)驗，感知能量

視頻播放：電影《海嘯》中海嘯產(chǎn)生巨大破壞力的片段.

設(shè)計意圖：通過這一令人震撼的畫面，讓學(xué)生感受到大自然巨大的能量威力，喚醒學(xué)生頭腦中已有事實經(jīng)驗，形成初步能量認識，提高學(xué)生保護自然、敬畏自然的意識.

學(xué)生實驗：利用小球、彈簧、橡皮筋及身邊物品模擬大自然的各種力量將“房子”（紙盒）毀壞——移動、掀翻、變形.

學(xué)生進行實驗后分析實驗中流動的空氣、滾動的球、壓縮的彈簧、拉長的橡皮筋、舉高的小球是否對“房子”做功.

設(shè)計意圖：利用學(xué)生動手實驗，在鞏固原有知識“功包含兩個必要因素”的同時，引導(dǎo)學(xué)生運用抽象思維，如果這些物體對“房子”做功，就說明這些物體具有能量，順利引出能量的概念，這是學(xué)生第一次學(xué)習進階實現(xiàn)的關(guān)鍵.

3.2 進階水平2：建立動能和勢能的概念

請學(xué)生分析流動的空氣、滾動的球、壓縮的彈簧、拉長的橡皮筋、舉高的小球等物體具有能量的原因，并將能量進行分類.

歸納總結(jié)得出動能、重力勢能和彈性勢能的概念.

設(shè)計意圖：利用分析歸納法將事實經(jīng)驗與科學(xué)術(shù)語之間建立簡單聯(lián)系，讓學(xué)生明確什么是動能、重力勢能和彈性勢能，為更高水平的學(xué)習鋪好階梯.

3.3 進階水平3：探究影響動能、重力勢能和彈性勢能的因素

實驗一：探究物體動能大小與哪些因素有關(guān).

多媒體播放颶風的視頻后提出問題：狂風能撼動大樹，而微風只能搖動樹葉，說明動能有大有小，動能大小與什么因素有關(guān)？

小組討論得出：動能大小可能與質(zhì)量、速度有關(guān).

設(shè)計意圖：利用生活實例讓學(xué)生意識到不同物體的動能大小可能不同，接著提出問題引導(dǎo)學(xué)生思維進階發(fā)展.

請學(xué)生利用斜面、鋼球、木塊等器材設(shè)計實驗.在學(xué)生設(shè)計實驗過程中，教師提出四個思考問題：

（1）怎么改變小球到達水平面的速度？

（2）怎樣使質(zhì)量不等的小球到達水平面時的速度相等？

（3）怎樣判斷小球動能大?。?/p>

（4）如何設(shè)計實驗步驟？

學(xué)生分組完成實驗探究后，教師請一個實驗小組展示實驗過程，一位學(xué)生進行實驗，另一位學(xué)生講解，其他學(xué)生適時補充，分享實驗結(jié)論.

設(shè)計意圖：教師通過問題串引導(dǎo)學(xué)生深入思考，與學(xué)生思維構(gòu)建階梯，使學(xué)生能順利設(shè)計出實驗方案.通過讓學(xué)生經(jīng)歷基本科學(xué)探究，學(xué)會初步科學(xué)探究方法，培養(yǎng)學(xué)生相互合作的能力，實現(xiàn)由簡單因果推理向機械推理的思維進階.

交流：實驗操作中發(fā)現(xiàn)的不足之處，并提出改進方法.

這時學(xué)生討論非常積極熱烈，完全把自己當成一個發(fā)明家.

有的說，在實驗時小球的運動軌跡不是直線，有時無法準確撞擊到木塊.

討論得出改進方法：用“帶槽軌道”代替斜面.

有的說，實驗中難以把握小球從同一高度滾下的準確初始位置 .

討論得出改進方法：在斜面的一端豎直固定一把刻度尺.

有的說，木塊的運動軌跡不是直線，不容易比較木塊被推動的距離.

討論得出改進方法：木塊改為圓柱體，并讓圓柱體在直軌道中運動，且軌道一側(cè)標上刻度，直接讀出圓柱體運動距離.

有的學(xué)生對“質(zhì)量不同的兩個小球從同一高度滾下到底端速度相同”會心生疑慮.

討論得出改進方法：在小球運動的軌道上不同位置放置兩個光電門，用計時器測出不同質(zhì)量小球經(jīng)過相同距離所用時間，從而獲得并比較小球到斜面底端時的速度.

教師利用改進后的器材進行演示實驗.

設(shè)計意圖：“紙上得來終覺淺，覺知此事要躬行”.學(xué)生從教材或教輔書上學(xué)到的實驗方案遠沒有親身設(shè)計感受深刻.學(xué)生在操作中發(fā)現(xiàn)實驗器材的不足，然后進一步改進實驗，學(xué)生會有很高的成就感，強烈地激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造思維，實現(xiàn)“科學(xué)探究”的教學(xué)價值.

實驗二：探究物體重力勢能大小與哪些因素有關(guān).

講述《狼牙山五壯士》的故事，然后提出問題：你覺得怎樣才能使石塊更具殺傷力？

學(xué)生思考與交流后得出：重力勢能可能與高度和質(zhì)量有關(guān).

利用如圖2所示自制實驗器材進行演示：同一鉤碼從不同高度落下，比較木塞被撞擊后在玻璃管中移動的距離;再讓不同質(zhì)量鉤碼從同一高度落下，比較木塞被撞擊后在玻璃管中移動的距離.

設(shè)計意圖：與動能相比，學(xué)生對重力勢能的理解有一定難度.因此本環(huán)節(jié)巧妙創(chuàng)設(shè)情境、通過問題啟發(fā)學(xué)生積極開展思維活動，驅(qū)使學(xué)生有目的地積極探索.通過此次探究過程，不僅讓學(xué)生認識到重力勢能大小與質(zhì)量和高度有關(guān)，也糾正學(xué)生錯誤的認知——只有運動的物體具有能量.實驗中再次利用控制變量法和轉(zhuǎn)換法等科學(xué)研究方法，為學(xué)生下一步自主探究鋪好階梯.

實驗三：探究物體的彈性勢能大小與哪些因素有關(guān).

讓學(xué)生利用小時候玩過的弓箭、彈弓或身邊的彈簧、橡皮筋、尺子、橡皮等自主探究影響彈性勢能大小的因素.

設(shè)計意圖：從觀察、分析演示實驗到在教師指導(dǎo)下進行實驗探究，再到教師放手讓學(xué)生完全自主探究，逐步實現(xiàn)實驗?zāi)芰λ椒矫娴倪M階.

3.4 進階水平4：整合與應(yīng)用

（1）分析海嘯具有什么能量，為什么破壞性這么強？

（2）物體具有能量可以對外做功，但事物總是有正反兩面，有些有益，有些有害.

請通過討論交流的方式利用今天所學(xué)知識，為公共安全設(shè)計一句警示語.

（3）探究發(fā)條小車的原理.

玩一玩：讓小車動起來，比一比誰能讓小車跑得更遠.

猜一猜：拉動車上的線，小車具有什么能？

想一想：能量發(fā)生怎樣的變化？小車還可以進行怎樣的改進？

設(shè)計意圖：學(xué)生通過解決具體問題，整合應(yīng)用相關(guān)物理知識，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)，鞏固進階成果，同時也為下一節(jié)“機械能及其轉(zhuǎn)化”的學(xué)習做好鋪墊.

4 有關(guān)基于學(xué)習進階教學(xué)設(shè)計的思考

4.1 教學(xué)設(shè)計要尊重學(xué)生原有認知和經(jīng)驗

心理學(xué)家奧蘇貝爾有句名言：“如果我不得不把全部教育心理學(xué)還原為一條原理的話，我將會說影響學(xué)習的唯一的最重要的因素是學(xué)生已知的內(nèi)容.弄清這一點后，再進行相應(yīng)的教學(xué).”這告訴我們，教師在教學(xué)設(shè)計之前，要先通過問卷調(diào)查、訪談、查閱資料等方式了解學(xué)生實際所處的進階水平，從而確定進階起點.

4.2 教學(xué)設(shè)計中要構(gòu)建基于學(xué)習者視角的“階”

俗話說，教學(xué)要讓學(xué)生“跳一跳，摘得到”.這就要求教師的教學(xué)設(shè)計要符合維果茨基“最近發(fā)展區(qū)”理論，在進階起點與進階終點之間架設(shè)基于學(xué)習者視角的“階”，這個“階”代表學(xué)生的不同思考方式，而不是簡單的是否獲得某個知識.

4.3 基于學(xué)習進階的教學(xué)設(shè)計，有利于學(xué)生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展

物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力.這一素養(yǎng)是學(xué)生在長期的連續(xù)的學(xué)習過程中逐漸形成的，這與學(xué)習進階的含義一致.因此，我們可以應(yīng)用學(xué)習進階規(guī)劃核心素養(yǎng)的發(fā)展，首先將核心素養(yǎng)的形成過程分成幾個大的“階”，然后在每一節(jié)物理課中再搭建層層小“階”，尋找適合學(xué)生的最佳學(xué)習路徑，幫助學(xué)生拾“階”而上，提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng).

參考文獻：

[1]翟小銘，郭玉英，李敏.構(gòu)建學(xué)習進階：本質(zhì)問題與教學(xué)實踐策略[J].教育科學(xué)， 2015， 31（02）： 47-51.

[2]黃芳.美國《科學(xué)教育框架》的特點及啟示[J].教育研究，2012，33（08）：143-148.

[3]劉晟，劉恩山.學(xué)習進階：關(guān)注學(xué)生認知發(fā)展和生活經(jīng)驗[J].教育學(xué)報，2012，08（02）：81-87.

[4]郭玉英，姚建欣.基于核心素養(yǎng)學(xué)習進階的科學(xué)教學(xué)設(shè)計[J].課程·教材·教法， 2016， 36（11）： 64-70.

[5]呂含吟，邵韜.如何應(yīng)用“學(xué)習進階”改進高中物理教學(xué)設(shè)計[J].中學(xué)物理，2016，34（03）：68-69.

[6]魏昕.中學(xué)物理能量學(xué)習進階研究[M].南寧：廣西教育出版社，2016.

[7]郭玉英.中學(xué)物理教學(xué)設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2016.

[8]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社， 2018.

（收稿日期：2021-07-18）