基于學習進階的教學設計

(西北師范大學教育學院,甘肅 蘭州 730070)

基于學習進階的教學設計

吳宏偉焦振蘭王玥

(西北師范大學教育學院,甘肅 蘭州 730070)

筆者基于學習進階的理論研究,對人教版高中物理必修2“動能與動能定理”一課進行教學設計。在學生原有認知的基礎上,遵循學生思維發展的過程,將“動能與動能定理”的學習過程進行細化,逐漸進階、層層遞進,最終在教師的引導下，使學生建構關于“動能與動能定理”的科學知識。

學習進階;教學設計;動能;動能定理

1 引言

在初中階段學生已經對動能有了定性的認識,“動能與動能定理”作為高中物理教學的重點之一,是學生必須掌握的知識,也是學生后續學習物理的基礎。

在“動能與動能定理”的教學中,教師應該關注動能概念的演變和學生思維的發展。學習進階理論是根據學生學習情況、教學內容以及教學目標，確定最近發展區,劃分出不同的學習階段,通過對每一學習階段的描述,來呈現需要學習的知識和所要達到的思維水平。依據學習進階理論進行教學設計時,知識之間的內在聯系更加緊密,有利于教師根據學生的實際水平，設計符合學生思維發展的教學過程。筆者在學習進階理論的指引下,設計了“動能與動能定理”教學。

2 學習進階理論概述

美國國家研究理事會(NRC)將學習進階定義為:學習進階是對學生連貫且逐漸深入的思維方式的假定描述,在一個適當的時間跨度下,學生學習和探究某一重要的知識或者實踐領域時,其思維方式逐漸進階[1]。

學習進階理論強調學生對某一主題的概念學習需要分階段進行,每一階段對該概念的學習都是在前一階段的基礎上進行加深或延展。學習進階是對“應該為學生設定怎樣的學習路徑”這一問題的探索，其描述的學習路徑是學生在學習某一主題概念時,思維所遵循的連貫的、由簡單到復雜的軌跡，這條軌跡由一系列相互關聯的、存在前后順序的概念組成,為學生提供學習圖景，指出先學什么、后學什么,先學的知識成為后學知識的基礎[2]。

3基于學習進階理論的“動能與動能定理”教學設計

王較過、趙萍萍認為由于年齡和認知能力發展水平的限制,中學生對核心概念的學習不可能一步到位,必須經歷一個循序漸進,由淺入深,逐步深化的過程,這個過程不但表現為核心概念的學習進階,而且是可持續學習的基礎[3]。高中生在初中時已經學習過動能的概念,但是不夠深入,需要進一步學習。然而,概念的學習并非線性的,學生需要不斷在新情景中重溫概念,以深化對概念進一步的理解。

3.1 教材分析

動能定理是功能關系的重要體現,是解決動力學問題的重要原理之一,是高考考查的熱點內容,因此學好動能定理對每個學生都很重要。

3.2 學情分析

高一學生學習“動能與動能定理”之前已經對動能有定性的認識。隨著學生知識的增長、思維的發展、概念的演變,高中相對初中對動能的認識由定性到定量,在恒力做功與速度變化相關的基礎上，推導出動能定理。學生對于分析、綜合和解決實際問題存在一定困難,主要表現在研究對象的選擇和物理過程的分析,以及用能的觀點來分析物理問題等。

3.3 進階目標

《普通高中物理課程標準(實驗)》對“動能與動能定理”的教學基本要求是：通過實驗,探究恒力做功與物體動能變化的關系；理解動能和動能定理。用動能定理解釋生活和生產中的現象[4]；學習本節內容后，學生應理解動能的定義,知道動能的表達式,會計算物體的動能,理解動能定理及其推導過程,會應用動能定理解決具體問題。

3.4 進階起點

《義務教育物理課程標準(2011年版)》對動能的教學要求是：知道動能；通過實驗,了解動能和勢能的相互轉化[5]。因此,高一學生在學習“動能與動能定理”之前，已經知道：物體由于運動具有的能叫做動能。質量相同的物體,運動的速度越大,它具有的動能就越大;運動速度相同的物體,質量越大,它具有的動能就越大。在外力做功與速度變化有關的基礎上,引導學生進一步學習外力做功與速度變化間存在的定量關系。

3.5 進階層次劃分與主要教學活動設計

3.5.1 進階第一層次：探究動能的表達式

問題1:如圖1所示,光滑水平面上有一質量為m的物塊在恒力F作用下沿光滑水平面運動的位移為x,物塊的初末速度分別為v0和v,求力F對物塊做了多少功？

圖1

學生解答:力F對物塊做的功W=Fx。

教師引導學生對物塊進行受力分析,確定物塊的運動過程。

師:力F產生的加速度是多大？

師:物體做怎樣的運動？

生:做初速度為v0、加速度為a的勻變速直線運動。

師:如何用v0和v表示位移x？

說明:(1) 動能的單位:焦耳(J);(2) 動能是狀態量，與運動物體某一時刻或某一位置相對應;(3) 動能是標量，只有大小。

3.5.2 進階第二層次：總結動能定理

3.5.3 進階第三層次：討論動能定理,理解其物理意義

(1) 通過練習，使學生明確W=ΔEK中W的意義

練習1:在問題1中,當m=1kg、F=2N、x=2m時,求力F對物塊做了多少功？

練習2:當水平面粗糙,動摩擦因數μ=0.1,其他條件相同時,求合力對物塊做了多少功？

學生進行計算并完成表1，由表1可知,W=ΔEK中的W指外力所做的總功。

表1 做功與動能關系(單位:J)

(2) 理解動能定理

① 對標量性的認識:動能定理中各項均為標量,因此單純改變速度方向不影響物體動能的大小，如勻速圓周運動。

② 對狀態與過程關系的理解:動能定理表示過程量與狀態量變化的關系,即力的空間積累效應使物體的動能發生改變,并與動能的變化量相等。

③ 動能定理中所說的外力,既可以是重力、彈力、摩擦力,也可以是其他力。

(3) 明確動能定理的適用范圍

① 既適用于恒力做功過程，也適用于變力做功過程。

② 動能定理的研究對象既可以是單個物體,也可以是多個物體所組成的系統。

③ 動能定理的研究過程既可以是單個過程，也可以是多個過程。

3.5.4 進階第四層次——應用動能定理解決實際問題

問題2：如圖2所示,長為l、傾角為α的光滑斜面上,有一質量為m的滑塊從靜止開始下滑,求滑塊運動到斜面底端時速度v的大小。

圖2

圖3

3.5.5 設計思路

在學生原有的基礎上,遵循學生思維的發展,將“動能與動能定理”的教學進行細化。通過創設物理情景,形成科學問題;實施科學探究,建立物理規律;討論物理規律,理解物理意義;應用物理規律,解決實際問題。讓學生掌握“動能與動能定理”。

4 結語

基于學習進階的理論對“動能與動能定理”的教學設計,將知識進行細化,知識之間的邏輯性更強,將“動能與動能定理”的教學過程劃分為四個進階層次,層層遞進,引導學生構建“動能與動能定理”的科學知識。依據學習進階的理論對教學設計進行指引,可以推廣到其他物理知識的教學設計中。

[1] 郭玉英,姚建欣.基于核心素養學習進階的科學教學設計[J].課程·教材·教法,2016,(11):64-67.

[2] 劉晟,劉恩山.學習進階:關注學生認知發展和生活經驗[J].教育學報,2012,(2):81-87.

[3] 王較過,趙萍萍.概念圖在中學物理核心概念學習進階的應用[J].中學物理教學參考,2015,(11):2-6.

[4] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準(實驗)[M].北京:人民教育出版社,2003:17.

[5] 中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準(2011年版)[M].北京:北京師范大學出版社,2012:21.

本文系甘肅省“十三五”教育科學規劃課題“核心素養視域下中學物理低成本創新實驗開發與應用研究”(編號：GS[2017]GHB1978)的階段性成果。——以“動能與動能定理”的教學為例