物理定律教學(xué)中科學(xué)探究的進(jìn)階設(shè)計(jì)研究

李瑞鵬

(石嘴山市第三中學(xué) 寧夏 石嘴山 753000)

1 研究背景

2017版《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡稱《高中標(biāo)準(zhǔn)》)提出“科學(xué)探究素養(yǎng)”[1]， 是學(xué)生通過物理學(xué)的學(xué)習(xí)應(yīng)具備的能力之一．物理定律是基于觀察與實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過分析推理、歸納總結(jié)得到的結(jié)論，在高中物理知識中占有很大的比重，是教學(xué)中實(shí)施科學(xué)探究的載體．學(xué)習(xí)進(jìn)階理論致力于促進(jìn)科學(xué)概念和科學(xué)實(shí)踐能力在教學(xué)中的連續(xù)性，最早在科學(xué)教育領(lǐng)域被提出，已經(jīng)推廣應(yīng)用于多個(gè)科目的課程開發(fā)、教學(xué)設(shè)計(jì)、評價(jià)測評等范疇．構(gòu)建科學(xué)探究的能力進(jìn)階對物理學(xué)科的教學(xué)實(shí)施與評價(jià)有非常重要的作用[2]．

1.1 科學(xué)探究的內(nèi)涵與要素

2011版《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(以下稱《初中標(biāo)準(zhǔn)》)中科學(xué)探究被界定為兩層含義，既是學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)，又是重要的教學(xué)方式[3]． 據(jù)此，科學(xué)探究可解讀為：既指科學(xué)研究(學(xué)習(xí)目標(biāo))也指科學(xué)探究技能(教學(xué)方式)．科學(xué)研究是探索、認(rèn)識和解釋未知現(xiàn)象，生成科學(xué)知識的過程，科學(xué)探究技能是學(xué)生獲取科學(xué)知識，領(lǐng)悟科學(xué)思想、方法時(shí)所用的學(xué)習(xí)方式[4]．科學(xué)研究為科學(xué)探究技能教學(xué)提供模型，科學(xué)探究技能教學(xué)是對科學(xué)研究的模仿[5]．核心素養(yǎng)注目于面向未來的個(gè)人發(fā)展與社會需求的能力培養(yǎng)，高中階段的科學(xué)探究是在義務(wù)教育的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)略科學(xué)研究的實(shí)施過程，掌握科學(xué)探究技能，增強(qiáng)利于學(xué)生終身發(fā)展的能力．所以科學(xué)探究可理解為學(xué)生通過對科學(xué)家研究物理現(xiàn)象時(shí)運(yùn)用和經(jīng)歷的一系列科學(xué)方法與活動(dòng)的學(xué)習(xí)與模仿后獲得的實(shí)踐能力．

《初中標(biāo)準(zhǔn)》將科學(xué)探究歸納為7個(gè)方面的要素，《高中標(biāo)準(zhǔn)》將之整合、凝練為4個(gè)要素：問題、證據(jù)、解釋、交流，更加明確了學(xué)生對科學(xué)探究素養(yǎng)要達(dá)成的關(guān)鍵能力．

1.2 學(xué)習(xí)進(jìn)階理論簡介

學(xué)習(xí)進(jìn)階(learning progressing,簡稱LPs),是近幾年加拿大、美國等國家新一輪科學(xué)教育課程改革中的新興理念．美國教育委員會(ACE)認(rèn)為：學(xué)習(xí)進(jìn)階描述的是學(xué)生對某個(gè)主題連續(xù)的、更加熟練的思考方式，這些思考方式能隨著學(xué)生對這個(gè)主題的學(xué)習(xí)和探究依次連續(xù)發(fā)展．”[6]文獻(xiàn)[7]將學(xué)習(xí)進(jìn)階解釋為：是對學(xué)生在各學(xué)段學(xué)習(xí)同一主題的概念時(shí)所遵循的連貫的、典型的學(xué)習(xí)路徑的描述．結(jié)合已有研究，可以將“階”理解為學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的思維“踏腳點(diǎn)”，以此為“支撐”達(dá)到學(xué)習(xí)目標(biāo)．

學(xué)習(xí)進(jìn)階主要包含5個(gè)方面的要素：進(jìn)階終點(diǎn)、成就水平、預(yù)期表現(xiàn)、進(jìn)階參量、評價(jià)工具．其中，進(jìn)階終點(diǎn)，是指學(xué)生在完成某一主題概念的學(xué)習(xí)后所要達(dá)到的終極目標(biāo)；成就水平表示學(xué)習(xí)進(jìn)階路徑中起點(diǎn)與終點(diǎn)之間的中間層次；預(yù)期表現(xiàn)描述學(xué)生在達(dá)到某一層次后的能力體現(xiàn)；進(jìn)階參量反映學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)的發(fā)展情況，一般用學(xué)科內(nèi)的核心概念或關(guān)鍵能力來表征；評價(jià)工具用來評判學(xué)生在學(xué)習(xí)進(jìn)階路徑中所達(dá)到的層次水平．

學(xué)習(xí)進(jìn)階理論能統(tǒng)籌兼顧科學(xué)探究思維特征與學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，所以在物理定律教學(xué)中依據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)階設(shè)計(jì)科學(xué)探究的進(jìn)階模型，是落實(shí)科學(xué)探究素養(yǎng)行之有效的方法．

2 物理定律教學(xué)中科學(xué)探究的進(jìn)階模型設(shè)計(jì)

學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的框架構(gòu)建一般經(jīng)歷3個(gè)過程，首先，根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)、學(xué)科特征以及學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)對框架內(nèi)的進(jìn)階參量、進(jìn)階起點(diǎn)與終點(diǎn)、成就水平進(jìn)行系統(tǒng)分析，明確這些要素的具體描述，初步建立框架．其次，結(jié)合各層次的成就水平設(shè)置學(xué)生的預(yù)期表現(xiàn)．最后，依據(jù)學(xué)生顯化的預(yù)期表現(xiàn)開發(fā)評價(jià)工具．下面，將從這3個(gè)方面分別闡述物理定律教學(xué)中科學(xué)探究的進(jìn)階模型設(shè)計(jì)．

2.1 明確進(jìn)階參量以及起點(diǎn)與終點(diǎn) 設(shè)定成就水平

物理定律的得出過程大致如圖1所示，這些科學(xué)研究過程中的重要環(huán)節(jié)被從中抽離出來當(dāng)做科學(xué)探究技能，也能反映學(xué)生學(xué)習(xí)物理定律時(shí)學(xué)習(xí)狀態(tài)的發(fā)展情況，這其中問題、證據(jù)、解釋、交流作為科學(xué)探究素養(yǎng)要求的關(guān)鍵能力，可確定為進(jìn)階模型的一級進(jìn)階參量，其中，問題可以分為物理情境、發(fā)現(xiàn)問題、作出假設(shè)3個(gè)二級參量；證據(jù)可以分為探究方案、儀器選擇、獲得數(shù)據(jù)3個(gè)二級參量；解釋可以分為分析數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、科學(xué)解釋3個(gè)二級參量；交流可以分為交流討論、評價(jià)反思、撰寫報(bào)告3個(gè)二級參量．它們之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系如圖2所示．

圖1 物理定律得出的一般過程

圖2 進(jìn)階參量之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系

高中教育是以義務(wù)教育為基礎(chǔ)，為學(xué)生進(jìn)入大學(xué)做準(zhǔn)備，所以建模時(shí)應(yīng)以學(xué)生在初中物理學(xué)習(xí)中已經(jīng)獲得的科學(xué)探究能力為起點(diǎn)，以高考要求的學(xué)生應(yīng)獲得的科學(xué)探究能力為終點(diǎn)．通過對初、高中課程標(biāo)準(zhǔn)的分析，分別錨定了進(jìn)階模型的進(jìn)階起點(diǎn)與終點(diǎn)．進(jìn)階起點(diǎn)：學(xué)生具有科學(xué)探究的意識；進(jìn)階終點(diǎn)：學(xué)生獲得科學(xué)探究的能力．

學(xué)生要獲得某種學(xué)科能力，認(rèn)知活動(dòng)上一般要經(jīng)歷3個(gè)過程：學(xué)習(xí)理解，應(yīng)用實(shí)踐，遷移創(chuàng)新[8]．因此將起點(diǎn)與終點(diǎn)之間的成就水平設(shè)定為3個(gè)層次：

水平1：表示學(xué)生經(jīng)過對已有的科學(xué)探究活動(dòng)的模仿，學(xué)習(xí)和理解其中的科學(xué)探究技能，該層次可稱為模仿探究，主要表現(xiàn)為學(xué)生對已有科學(xué)探究活動(dòng)的記憶、概括與整合等行為.

水平2：表示學(xué)生有意識地應(yīng)用已經(jīng)學(xué)到的科學(xué)探究技能嘗試設(shè)計(jì)探究方案、進(jìn)行探究活動(dòng)、解決物理問題，該層次可稱為嘗試探究，主要表現(xiàn)為學(xué)生運(yùn)用探究技能嘗試分析、解釋與推論等行為.

水平3：表示學(xué)生能熟練地將已經(jīng)學(xué)到的科學(xué)探究技能遷移到不同的問題中進(jìn)行科學(xué)探究，并能根據(jù)問題情境重新建構(gòu)探究活動(dòng)，該層次可稱為遷移探究，主要表現(xiàn)為學(xué)生熟練運(yùn)用技能進(jìn)行聯(lián)想、遷移與創(chuàng)新等行為．

通過以上分析與論證，初步建構(gòu)了物理定律教學(xué)中科學(xué)探究的進(jìn)階模型，如圖3所示.

2.2 預(yù)期表現(xiàn)的設(shè)置

結(jié)合各層次的成就水平和各級進(jìn)階參量在物理定律教學(xué)中的預(yù)設(shè)表現(xiàn)，對各層次的預(yù)期表現(xiàn)進(jìn)行了設(shè)置，具體內(nèi)容如表1所示．

2.3 開發(fā)評價(jià)工具

評價(jià)工具的開發(fā)既能評判學(xué)生在學(xué)習(xí)進(jìn)階路徑中所達(dá)到的層次水平，同時(shí)也能為教學(xué)質(zhì)量起到“監(jiān)控”作用，還能為進(jìn)階模型的修正提供反饋．常用的評價(jià)方式有試題評價(jià)、教學(xué)介入、訪談?wù){(diào)查等． 根據(jù)問題、證據(jù)、解釋、交流4個(gè)參量在教學(xué)中呈現(xiàn)的特點(diǎn)，針對于問題和交流的評價(jià)宜采用教學(xué)介入的評價(jià)方式，該種評價(jià)方式是教師在教學(xué)中根據(jù)預(yù)設(shè)表現(xiàn)設(shè)置一組層次水平不同的問題或活動(dòng)，然后根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)快速地幫助教師把握學(xué)生所處的水平層次，為接下來的教學(xué)實(shí)施與學(xué)生科學(xué)探究能力的提升作出及時(shí)有效的調(diào)整(例如表2)．

表2 教學(xué)介入的評價(jià)方式

探究方案的制定與數(shù)據(jù)的分析是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)題考查的主要方向，所以針對證據(jù)與解釋的評價(jià)宜采用試題評價(jià)方式，以2016年高考全國卷Ⅰ理綜第22題為例進(jìn)行分析．

某同學(xué)用圖4(a)所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，其中打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源為交流電源，可以使用的頻率有20 Hz，30 Hz和40 Hz，打出紙帶的一部分如圖4(b)所示．該同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中沒有記錄交流電的頻率f，需要用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和其他條件進(jìn)行推算．

圖4 題圖

(1)若從打出的紙帶可判定重物勻加速下落，利用f和圖4(b)中給出的物理量可以寫出：在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出B點(diǎn)時(shí)，重物下落的速度大小為______，打出C點(diǎn)時(shí)重物下落的速度大小為______，重物下落的加速度的大小為______．

(2)已測得s1=8.89 cm，s2=9.5 cm，s3=10.10 cm；當(dāng)重力加速度大小為9.80 m/s2，實(shí)驗(yàn)中重物受到的平均阻力大小約為其重力的1%，由此推算出f為______Hz．

試題分析：利用紙帶計(jì)算瞬時(shí)速度是對

及

兩公式的記憶與整合，屬于水平1；加速度的計(jì)算是通過對已知信息的分析和公式

vC=vB+aT

的推導(dǎo)得到，屬于水平2；驗(yàn)證機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)考慮重力是對原實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新與遷移，因此，f的計(jì)算屬于水平3．

3 基于進(jìn)階模型的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

(1)合理規(guī)劃教學(xué)階段，確定進(jìn)階目標(biāo)

科學(xué)探究能力的獲得不是一蹴而就的，需要經(jīng)歷一些中間狀態(tài).高中3年的教學(xué)中，每個(gè)年級科學(xué)探究能力的進(jìn)階終點(diǎn)是不同的，根據(jù)對《高中標(biāo)準(zhǔn)》的分析，學(xué)生經(jīng)歷高一階段的學(xué)習(xí)，應(yīng)具備模仿探究水平；經(jīng)歷高二階段的學(xué)習(xí)，應(yīng)具備嘗試探究水平；經(jīng)歷高三階段的學(xué)習(xí)，應(yīng)具備遷移探究水平，從而獲得科學(xué)探究能力．所以在實(shí)際教學(xué)中，教師要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，合理制定教學(xué)目標(biāo)，科學(xué)重構(gòu)教材內(nèi)容，使學(xué)生探究能力的培養(yǎng)融入到日常教學(xué)之中，既要將目標(biāo)設(shè)置的有一定高度，又要切合學(xué)生的實(shí)際情況，通過階梯遞進(jìn)式的小目標(biāo)，架設(shè)從初級目標(biāo)到高級目標(biāo)的橋梁．

(2)關(guān)注個(gè)體差異，促進(jìn)整體進(jìn)階

學(xué)生探究能力的發(fā)展因個(gè)體而異，同一時(shí)期不同學(xué)生探究能力的發(fā)展存在差異性，另外同一學(xué)生各個(gè)探究要素的發(fā)展也可能不均衡，所以教師在教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)施中應(yīng)關(guān)注個(gè)體差異，促進(jìn)整體進(jìn)階．備課時(shí)根據(jù)每個(gè)層次的預(yù)設(shè)表現(xiàn)，在學(xué)生最近發(fā)展區(qū)設(shè)置有梯度的相互關(guān)聯(lián)的問題，為每個(gè)層次學(xué)生的進(jìn)階創(chuàng)造條件，讓所有學(xué)生在思考中提升自己，達(dá)到進(jìn)階的目的．

課堂教學(xué)中時(shí)刻關(guān)注學(xué)生的表現(xiàn)，及時(shí)調(diào)整問題層次，還要注意探究能力水平較高的學(xué)生的回答可能會“覆蓋”低層次的問題，因此導(dǎo)致沒有起到對能力水平較低的學(xué)生的引導(dǎo)，所以同一問題盡可能讓多個(gè)學(xué)生回答，還可以根據(jù)學(xué)生的回答從低層次引導(dǎo)到高層次或者從高層次引導(dǎo)到低層次．課后布置分層作業(yè)，按照整體分層→統(tǒng)計(jì)→個(gè)體分層的順序分兩次布置，進(jìn)一步發(fā)展所有層次學(xué)生的科學(xué)探究能力 ．

(3)多種評價(jià)方式并重，落實(shí)探究素養(yǎng)

傳統(tǒng)評價(jià)中，針對學(xué)生科學(xué)探究能力的評價(jià)主要是以實(shí)驗(yàn)題為主的診斷或總結(jié)性評價(jià)，這種紙筆測試的評價(jià)能為學(xué)生所處的成就水平提供一定程度的反饋，但無法反映學(xué)生的表達(dá)、交流和實(shí)驗(yàn)操作能力，并且實(shí)驗(yàn)題的考查更多側(cè)重于對學(xué)生探究方案的制定(實(shí)驗(yàn)原理)和數(shù)據(jù)的分析(數(shù)據(jù)處理)兩方面能力的評價(jià)，弱化了對其他探究能力的發(fā)展與提升．要促進(jìn)學(xué)生科學(xué)探究能力的全面進(jìn)階，應(yīng)充分發(fā)揮教師和學(xué)生在評價(jià)中的作用，采用多種視角的評價(jià)．

課前運(yùn)用診斷性評價(jià)評判學(xué)生所處的成就水平，以此為依據(jù)開展物理定律教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)施；課中基于各層次成就水平及預(yù)期表現(xiàn)采用現(xiàn)場觀察，借助教學(xué)介入的評價(jià)工具，對學(xué)生的問題、證據(jù)、解釋、交流4個(gè)方面的能力進(jìn)行全面系統(tǒng)的形成性評價(jià)；課后再采用診斷或總結(jié)性評價(jià)對教學(xué)實(shí)施的效果提供反饋．具體實(shí)施中可以結(jié)合不同物理定律的特點(diǎn)靈活選擇評價(jià)方式，開發(fā)不同的評價(jià)工具，有的放矢，促使學(xué)生的科學(xué)探究能力向高層次進(jìn)階．