基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的中學(xué)物理規(guī)律教學(xué)策略*
——以人教版“牛頓第三定律”為例

董友軍

(北京師范大學(xué)廣州實(shí)驗(yàn)學(xué)校 廣東 廣州 510700)

袁登山

(江蘇省江都中學(xué) 江蘇 揚(yáng)州 2252002)

王 磊

(陜西省教育科學(xué)研究院 陜西 西安 710003)

文獻(xiàn)[1]指出，當(dāng)代教育變革的主題是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)．用學(xué)習(xí)進(jìn)階指導(dǎo)高中物理規(guī)律教學(xué)，不僅可以將學(xué)生零散的知識進(jìn)行整合，還可以讓學(xué)生形成物理觀念，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)．

1 學(xué)習(xí)進(jìn)階

1.1 學(xué)習(xí)進(jìn)階的定義

學(xué)習(xí)進(jìn)階是“對學(xué)生在各學(xué)段學(xué)習(xí)同一主題概念時(shí)所遵循的連貫的、典型的學(xué)習(xí)路徑的描述”[2]．學(xué)習(xí)進(jìn)階視域下的高中物理規(guī)律教學(xué)，是以自然現(xiàn)象為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)過程，探究出物理規(guī)律，再根據(jù)物理規(guī)律去解釋自然現(xiàn)象、解決實(shí)際問題．學(xué)習(xí)進(jìn)階視域下的高中物理規(guī)律教學(xué)過程，遵循從簡單到復(fù)雜、從具體到抽象、從理論到應(yīng)用，是學(xué)生學(xué)習(xí)路徑的描述．

1.2 學(xué)習(xí)進(jìn)階的要素

學(xué)習(xí)進(jìn)階的要素包括進(jìn)階起點(diǎn)、進(jìn)階水平、進(jìn)階終點(diǎn)、進(jìn)階變量、測評工具，如圖1所示．進(jìn)階起點(diǎn)指學(xué)生現(xiàn)實(shí)情況；進(jìn)階水平指進(jìn)階起點(diǎn)通向進(jìn)階終點(diǎn)的臺階；進(jìn)階終點(diǎn)指教學(xué)目標(biāo)；進(jìn)階變量指核心概念和關(guān)鍵能力；測評工具是針對進(jìn)階教學(xué)的評價(jià)試卷．進(jìn)階起點(diǎn)、進(jìn)階水平、進(jìn)階終點(diǎn)，組成了學(xué)習(xí)進(jìn)階視域下高中物理規(guī)律教學(xué)的通路，通過進(jìn)階變量的引領(lǐng)、測評工具的修正，把各自獨(dú)立的每一節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容，整合到物理學(xué)科核心概念之中，從而讓物理教學(xué)的每一節(jié)課，既培養(yǎng)學(xué)生關(guān)鍵能力，又發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)．

圖1 學(xué)習(xí)進(jìn)階要素

1.3 學(xué)習(xí)進(jìn)階的層級

學(xué)生認(rèn)知發(fā)展分為5個(gè)層級[3]：經(jīng)驗(yàn)，即學(xué)生具有尚未關(guān)聯(lián)的零散事實(shí)；映射，即學(xué)生建立事實(shí)與術(shù)語之間的關(guān)系；關(guān)聯(lián)，即學(xué)生建立術(shù)語與多個(gè)事實(shí)之間的關(guān)系；系統(tǒng)，即學(xué)生從系統(tǒng)角度協(xié)調(diào)變量關(guān)系；整合，即學(xué)生有學(xué)科觀念與跨學(xué)科概念．根據(jù)層級描述，可以看出學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平是從零散到系統(tǒng)、從具體到抽象、從簡單到復(fù)雜的過程．

2 學(xué)習(xí)進(jìn)階視域下的高中物理規(guī)律教學(xué)策略

物理規(guī)律反映物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)運(yùn)動之間的內(nèi)在聯(lián)系，是觀察、實(shí)驗(yàn)、分析、概括的結(jié)晶．物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程，需要經(jīng)歷先觀察現(xiàn)象、再理性分析、后準(zhǔn)確歸納，它既是科研人員的思維產(chǎn)物，也是科研人員的智慧結(jié)晶，還是自然現(xiàn)象的本質(zhì)概括．本文以 “牛頓第三定律”為例[4]，探索學(xué)習(xí)進(jìn)階視域下的高中物理規(guī)律教學(xué)策略．

策略一:以“教材分析”為進(jìn)階基礎(chǔ)

教材是“課標(biāo)”的細(xì)化，“課標(biāo)”是教材的指南．教材分析應(yīng)該先分析“課標(biāo)”后分析教材，這樣既可以把握物理規(guī)律教學(xué)的方向，也可以奠定學(xué)習(xí)進(jìn)階教學(xué)的基礎(chǔ)．

(1)“課標(biāo)”分析

“課標(biāo)”即物理課程標(biāo)準(zhǔn)，是物理課程的規(guī)范與要求，是物理教學(xué)的依據(jù)與方向．牛頓第三定律相關(guān)內(nèi)容在初中、高中都有涉及，但初中、高中的“課標(biāo)”要求不同，如表1所示．

表1 初中、高中課標(biāo)要求

從表1看出，初中沒有明確提到牛頓第三定律，把牛頓第三定律部分內(nèi)容隱藏在力中；高中有明確提到牛頓運(yùn)動定律，要求比較清晰具體．初中認(rèn)知目標(biāo)為“認(rèn)識”，高中認(rèn)知目標(biāo)為“理解”，“課標(biāo)”要求呈現(xiàn)從易到難、從定性到定量安排，符合初中、高中學(xué)生認(rèn)知規(guī)律．

(2)教材分析

初中物理介紹牛頓第三定律相關(guān)內(nèi)容是安排在 “力”的第四部分——力的作用是相互的[7]，在這部分中介紹了力的相互性、同時(shí)性，并介紹手提水桶、同名磁體排斥、穿上旱冰鞋的學(xué)生用手推墻、坐在小船上的人用手推另一艘小船．高中物理介紹牛頓第三定律是安排在 “牛頓第三定律”[4]，本節(jié)首先用幾個(gè)案例，表明力的相互性、同時(shí)性(這個(gè)內(nèi)容，初中已經(jīng)介紹，但列舉的事例與初中不一樣)，并得出作用力與反作用力的概念．接著用彈簧測力計(jì)探究作用力與反作用力的關(guān)系，總結(jié)出牛頓第三定律具體內(nèi)容．隨后在生活、生產(chǎn)中應(yīng)用牛頓第三定律．最后設(shè)置拓展學(xué)習(xí)，用力傳感器探究作用力和反作用力的關(guān)系．

通過對初高中教材分析，可知教材的編寫緊扣“課標(biāo)”要求，但教材的案例選擇，缺乏對“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”的關(guān)注，不利于培養(yǎng)學(xué)生國家自信心、民族自豪感．因此，筆者在課堂教學(xué)過程中，有意識地選取相關(guān)素材，滲透物理課程思政觀念，從而可以全面落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)．

策略二:以“學(xué)生實(shí)情”為進(jìn)階起點(diǎn)

“學(xué)生實(shí)情”是指學(xué)生的現(xiàn)實(shí)情況，包括學(xué)生已經(jīng)積累的知識基礎(chǔ)與已經(jīng)具備的思維能力．奧蘇貝爾說：“影響學(xué)習(xí)的最重要原因是學(xué)生已經(jīng)知道了什么，我們應(yīng)當(dāng)根據(jù)學(xué)生原有的知識狀況進(jìn)行教學(xué)”，這充分說明，物理教學(xué)應(yīng)該以學(xué)生實(shí)情作為進(jìn)階起點(diǎn)．高一學(xué)生已有的知識包括：力的作用是相互的、同時(shí)的．認(rèn)知心理學(xué)指出，高一學(xué)生具有較強(qiáng)的抽象思維、嚴(yán)密的邏輯推理．通過以上分析，形成了“牛頓第三定律”的進(jìn)階起點(diǎn)．

策略三:以“核心素養(yǎng)”為進(jìn)階終點(diǎn)

“核心素養(yǎng)”是指物理學(xué)科核心素養(yǎng)，它主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任．學(xué)習(xí)進(jìn)階的物理規(guī)律教學(xué)，是以發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)作為進(jìn)階終點(diǎn)，通過對本節(jié)內(nèi)容分析，確定如下進(jìn)階終點(diǎn)：學(xué)生通過本節(jié)學(xué)習(xí)，形成“物體間力的作用是相互的”“作用力與反作用力總是大小相等、方向相反、作用在同一條直線上”等物理觀念，并能用該物理觀念解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題；學(xué)生用牛頓第三定律解釋殲-20戰(zhàn)斗機(jī)向前飛行、皮劃艇向前運(yùn)動、體重計(jì)測量原理等，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理、科學(xué)論證等科學(xué)思維；學(xué)生采用小組合作學(xué)習(xí)方式，經(jīng)歷列舉事例、提出問題、設(shè)計(jì)方案、動手操作、數(shù)據(jù)處理、討論交流等科學(xué)探究，總結(jié)出牛頓第三定律具體內(nèi)容；教師有意識地選取紅旗牌轎車、山東號航空母艦、長征二號F遙十二運(yùn)載火箭、中國空間站、殲-20戰(zhàn)斗機(jī)、東京奧運(yùn)冠軍、體重計(jì)，既讓學(xué)生認(rèn)識科學(xué)、技術(shù)、社會之間的關(guān)系，也有利于培育學(xué)生國家自信心、民族自豪感等科學(xué)態(tài)度與責(zé)任．

策略四:以“發(fā)展層級”為進(jìn)階水平

確定了進(jìn)階起點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)進(jìn)階終點(diǎn)，關(guān)鍵是要劃分好進(jìn)階水平．在教學(xué)實(shí)踐中，以發(fā)展層級作為進(jìn)階水平的劃分依據(jù)，不僅可以讓物理知識由具體到抽象，還可以讓學(xué)生思維由低級到高級．讓學(xué)生經(jīng)歷這樣的教學(xué)過程，既符合知識增長規(guī)律，也符合思維發(fā)展規(guī)律，從而有利于提升物理規(guī)律教學(xué)效率、培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)．根據(jù)5個(gè)發(fā)展層級，把牛頓第三定律教學(xué)內(nèi)容也劃分為5個(gè)進(jìn)階水平，如表2所示．

表2 進(jìn)階水平劃分

高一學(xué)生知道力的作用是相互的一些事例，這些事例在學(xué)生心中是零散的，還缺乏深入分析，屬于經(jīng)驗(yàn)層級，即為進(jìn)階水平1．建立作用力與反作用力的概念，讓學(xué)生在具體事例中，能夠指出哪個(gè)力是作用力，哪個(gè)力是反作用力，表明學(xué)生可以建立事實(shí)與術(shù)語之間的關(guān)系，屬于映射層級，即為進(jìn)階水平2．通過多個(gè)真實(shí)事例，引導(dǎo)學(xué)生歸納出作用力與反作用力的性質(zhì)，表明學(xué)生能夠建立術(shù)語與多個(gè)事實(shí)的關(guān)系，屬于關(guān)聯(lián)層級，即進(jìn)階水平3．教師創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生經(jīng)歷觀察、猜想、操作、測量、討論等過程，探究出牛頓第三定律具體內(nèi)容，表明學(xué)生可以從系統(tǒng)角度協(xié)調(diào)各種關(guān)系，屬于系統(tǒng)層級，即進(jìn)階水平4．教師創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，引導(dǎo)學(xué)生用牛頓第三定律的內(nèi)容去分析問題、解決問題，提升學(xué)生物理觀念和科學(xué)思維，屬于整合層級，即進(jìn)階水平5．其教學(xué)具體過程如下．

水平1：知道物體間力的作用是相互的

師生活動：教師請兩個(gè)學(xué)生坐在輪椅上，先讓學(xué)生猜想，若后面學(xué)生用手推前面學(xué)生，將會發(fā)生什么現(xiàn)象？

學(xué)生回答：前面學(xué)生向前運(yùn)動．接著演示，發(fā)現(xiàn)前面學(xué)生確實(shí)向前運(yùn)動，但同時(shí)后面學(xué)生向后運(yùn)動．

教師提問：為何后面學(xué)生會向后運(yùn)動？

學(xué)生解釋：后面學(xué)生給前面學(xué)生一個(gè)推力，同時(shí)前面學(xué)生也給后面學(xué)生一個(gè)推力．

設(shè)計(jì)意圖：創(chuàng)設(shè)后面學(xué)生推前面學(xué)生情境，讓學(xué)生體會“物理從生活中來”．新課引入，關(guān)鍵是要引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己思維的局限，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，因此，先讓學(xué)生猜想后面學(xué)生推前面學(xué)生會發(fā)生什么現(xiàn)象，造成學(xué)生認(rèn)知沖突，讓課堂更有起伏性、更有思考性，既營造課堂學(xué)習(xí)興趣，也培養(yǎng)學(xué)生思維能力．

師生活動：教師再列舉生活中關(guān)于“力的作用是相互的”事例，如圖2所示，并引導(dǎo)學(xué)生分析．

圖2 “力的作用是相互的”事例

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生全方位列舉事例，不僅包括固體與固體之間的力、固體與液體之間的力、固體與氣體之間的力，還包括接觸力、非接觸力，讓學(xué)生感受“力的作用是相互的”，培養(yǎng)學(xué)生相互作用物理觀念．并選用素材有紅旗派轎車、山東號航空母艦、長征二號F遙十二運(yùn)載火箭、中國空間站，可以滲透物理課程思政理念，培養(yǎng)學(xué)生愛國情懷．

水平2:建立了作用力與反作用力概念

師生活動：教師引導(dǎo)學(xué)生建立作用力與反作用力概念，當(dāng)物體A對物體B施加了力，則物體B同時(shí)對物體A也施加了力，把物體A對物體B施加的力叫做作用力、物體B對物體A施加的力叫做反作用力，或者把物體A對物體B施加的力叫做反作用力、物體B對物體A施加的力叫做作用力，并要求學(xué)生把上面列舉的力填入表格．

設(shè)計(jì)意圖：理解概念是應(yīng)用的基礎(chǔ)，概念的理解需要在應(yīng)用中得到清晰與深化．讓學(xué)生對前面4個(gè)力進(jìn)行分類，有助于學(xué)生理解作用力與反作用力這個(gè)兩個(gè)物理概念，培養(yǎng)學(xué)生相互作用物理觀念．學(xué)生通過填表，理解作用力和反作用力是相對概念．

水平3:歸納出作用力與反作用力性質(zhì)

師生活動：教師引導(dǎo)學(xué)生歸納出作用力與反作用力的兩大性質(zhì)——同時(shí)性與同種性．所有學(xué)生用兩個(gè)彈簧對拉(圖3)，引導(dǎo)學(xué)生歸納出作用力與反作用力的同時(shí)性．

圖3 兩個(gè)彈簧對拉

教師引導(dǎo)學(xué)生分析：紅旗牌轎車對路的力屬于彈力，而路對紅旗牌轎車的力也屬于彈力；地球?qū)χ袊臻g站的力屬于引力，而中國空間站對地球的力也屬于引力……從而總結(jié)出作用力與反作用力的同種性．

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，自己歸納出作用力與反作用力性質(zhì)，既可以培養(yǎng)學(xué)生動手操作能力，也可以培養(yǎng)學(xué)生歸納表達(dá)能力，體現(xiàn)學(xué)生主體、教師主導(dǎo)．學(xué)生自己歸納出同時(shí)性，讓學(xué)生更加體會到作用力與反作用力是同時(shí)發(fā)生，沒有先后順序之分、沒有主動與被動之分．同時(shí)，通過學(xué)生自己歸納出同種性，也讓學(xué)生理解了力產(chǎn)生的深層原因，培養(yǎng)學(xué)生相互作用物理觀念．

水平4:探究出牛頓第三定律具體內(nèi)容

師生活動：教師組織學(xué)生，用兩個(gè)力傳感器對拉(圖4)，無論兩個(gè)力傳感器如何運(yùn)動，作用力與反作用力總是大小相等、方向相反(圖5)．設(shè)計(jì)強(qiáng)磁針實(shí)驗(yàn)(圖6)，學(xué)生觀察到兩個(gè)強(qiáng)磁針的作用力與反作用力總是方向相反且在同一條直線上．通過以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生自己總結(jié)出牛頓第三定律具體內(nèi)容：兩個(gè)物體之間的作用力與反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上．

圖4 兩個(gè)力傳感器對拉

圖5 作用力與反作用力大小關(guān)系

圖6 強(qiáng)磁針實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)意圖：物理知識不是裝在學(xué)生頭腦中，而是在學(xué)生活動中觀察、體驗(yàn)、分析、總結(jié)中獲得的．通過實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生總結(jié)出牛頓第三定律具體內(nèi)容，符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律．學(xué)生經(jīng)歷探究活動過程，不但對物理知識理解深刻，也讓物理知識更加可信，同時(shí)還培養(yǎng)了學(xué)生物理觀念、科學(xué)思維與科學(xué)探究等物理學(xué)科核心素養(yǎng)．

水平5:用牛頓第三定律解決實(shí)際問題

師生活動：教師設(shè)置3個(gè)實(shí)際問題，請學(xué)生思考回答．

問題1:請問殲-20戰(zhàn)斗機(jī)(圖7)向前飛行的動力是什么？

圖7 殲-20起飛

問題2:徐曉詩和孫夢雅奪得東京奧運(yùn)會冠軍(圖8)，請問皮劃艇前進(jìn)的動力是什么？

圖8 皮劃艇前進(jìn)

問題3:當(dāng)人站在體重計(jì)上保持靜止時(shí)(圖9)，為何可以測量出人的質(zhì)量？

圖9 體重計(jì)測量體重

設(shè)計(jì)意圖：選取生活中3個(gè)案例，讓學(xué)生用牛頓第三定律內(nèi)容分析，體現(xiàn)物理從生活中來，又回到生活中去，既可以增強(qiáng)學(xué)生對物理知識的理解能力，也可以加強(qiáng)學(xué)生對知識的應(yīng)用能力，培養(yǎng)學(xué)生相互作用物理觀念．同時(shí)選取素材有殲-20戰(zhàn)斗機(jī)、奧運(yùn)冠軍，主動落實(shí)物理課程思政，增強(qiáng)學(xué)生國家自信心、民族自豪感，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度與責(zé)任．

策略五:以“教學(xué)反思”為進(jìn)階評價(jià)

“教學(xué)反思”是指教師從分析教學(xué)活動中獲取教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的認(rèn)知過程，它既包括教師回顧總結(jié)的過程，也包括教師經(jīng)驗(yàn)升華的過程，還包括教師對教學(xué)實(shí)踐主動監(jiān)控、調(diào)節(jié)、修正的過程[8]．筆者通過對以上教學(xué)過程的反思，作出進(jìn)階評價(jià)．

(1)用“兩次倒轉(zhuǎn)”指導(dǎo)物理規(guī)律教學(xué)

“兩次倒轉(zhuǎn)”是指“倒過來”與“轉(zhuǎn)回去”兩個(gè)過程．“倒過來”是指將教學(xué)過程看作學(xué)生個(gè)體認(rèn)識的過程，把人類認(rèn)識的“終點(diǎn)”作為學(xué)生認(rèn)識的“起點(diǎn)”，是把人類總體認(rèn)識“倒過來”，稱為第一次倒轉(zhuǎn)．“轉(zhuǎn)回去”是指用自己的頭腦去“發(fā)現(xiàn)”、在情境中“體驗(yàn)”，便是典型、簡約地再經(jīng)歷原初認(rèn)識的“再認(rèn)識”過程，是把“倒過來”的過程再“轉(zhuǎn)回去”的過程，稱為第二次倒轉(zhuǎn)[9]．牛頓第三定律教學(xué)過程中，就是采用“轉(zhuǎn)回去”的方式，即先列舉生活案例，讓學(xué)生歸納出“力的作用是相互的”“作用力與反作用力概念和性質(zhì)”，再通過小組合作，探究出“牛頓第三定律具體內(nèi)容”．

(2)用“三序合一”落實(shí)物理核心素養(yǎng)

三序是指知識序、進(jìn)階序、素養(yǎng)序．知識序?yàn)槲锢韺W(xué)科知識呈現(xiàn)順序，進(jìn)階序?yàn)閷W(xué)習(xí)進(jìn)階中間水平順序，素養(yǎng)序?yàn)槲锢韺W(xué)科核心素養(yǎng)順序．三序合一，就是指在教學(xué)設(shè)計(jì)過程中，把物理學(xué)科知識內(nèi)容，根據(jù)某種邏輯關(guān)系進(jìn)行排序，讓這種教學(xué)過程既符合學(xué)習(xí)進(jìn)階的中間水平順序，又能夠在課堂教學(xué)過程中落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)(圖10)．

圖10 三序合一

(3)用“精選素材”滲透物理課程思政

物理課程思政是指以物理知識為載體，融入思想政治教育內(nèi)容，有意識地培養(yǎng)學(xué)生思想政治素質(zhì)的教學(xué)理念． “好的思想政治工作應(yīng)該像鹽，但不能光吃鹽，最好的方式是將鹽溶解到各種食物中自然而然吸收”[10]．中學(xué)生有較強(qiáng)的逆反心理，對正面宣傳有強(qiáng)烈的不認(rèn)同、不信任的反向思考[11]．為了不激發(fā)學(xué)生這個(gè)心理特征，采用“精選素材”，對學(xué)生潛移默化，滲透物理課程思政．如精選的素材有山東號航空母艦、長征二號F遙十二運(yùn)載火箭、中國空間站、殲-20戰(zhàn)斗機(jī)、奧運(yùn)冠軍等，通過這些素材，對培養(yǎng)學(xué)生國家自信心、民族自豪感，會起到“隨風(fēng)潛入夜，潤物細(xì)無聲”的良好效果．

3 結(jié)束語

學(xué)習(xí)進(jìn)階是當(dāng)前國內(nèi)外教育教學(xué)研究熱點(diǎn)，被譽(yù)為提升學(xué)生學(xué)習(xí)效率的靈丹妙藥[12]．在高中階段，物理規(guī)律屬于物理核心內(nèi)容，學(xué)習(xí)進(jìn)階符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，學(xué)習(xí)進(jìn)階視域下的物理規(guī)律教學(xué)策略，不僅可以指導(dǎo)物理教師教學(xué)、提高教學(xué)效率，也可以深化物理規(guī)律理解、發(fā)展核心素養(yǎng)．