基于“學習進階”的物理概念教學

柯曉露

摘 要：以“學習進階”為理論依據，遵循學生的思維發展路徑，制定“學習進階”的起點、終點和節點，圍繞學科核心概念建構物理概念。以“超重與失重”為例展示物理概念的教學過程，引導學生通過“加速度”概念的深化學習，進一步掌握學科核心概念“運動和相互作用”，培養學生的科學素養。并以此出發探討中學物理概念教學。

關鍵詞：學習進階；概念教學；超重與失重

引言

教育部在2018年1月份公布了高中課程標準（2017版），這意味著新一輪的高中課程標準改革的正式實施。學生學科核心素養的培養是本次課程改革的關鍵環節。在物理教學領域，整合與發展是培養學生學科核心素養的重要方法。通過整合建構物理學科的概念體系，通過發展使學生隨著學習進階實現學科素養的進階發展[ 1 ]。

1 學習進階理論描述

從1980年起，人們在研究概念轉變時，嘗試將時間拉長，并對概念轉變的模式整合，從而建構概念認知模型，這就是學習進階研究的內容。學習進階理論在美國教育界最先興起，2012年，美國發布的《K-12科學教育框架：實踐、通用概念及核心概念》使用“學習進階”制定學生在各學段的學習目標。學習進階是學生學習或者探究知識時，其思維方式的連續不斷精致化發展的路徑描述。學習進階在圍繞“核心概念”建構時，刻畫學生不同層級的知識和能力，在深入探究的學習中實現學科素養的發展。學習進階有以下的水平層級，不同的層級代表學生對科學概念的掌握程度：（1）低錨點，進階的起點，即學生學習的前概念；（2）高錨點，進階的終點，即學生要掌握的科學概念；（3）進階節點，學生在達到進階終點前的重要理解步驟[ 2 ]。

“學習進階”實現以學生為本的教育理念，教師的教圍繞學生的學進行，通過測試學生所處的進階節點來調整教學方式和策略，這樣的教學策略是高效的。

2 圍繞學科核心概念建構物理概念

對客觀事物的本質屬性抽象概括稱為科學概念，是學生學科素養的重要組成部分。科學概念分為4個層次，按思維水平層級從高到低依次為層次1“學科核心概念”、層次2“主題核心概念”、層次3“重要概念”、層次4“基礎概念”，層次3“重要概念”又分為兩個亞層次，“基本概念”和“關系概念”[ 3 ]。

學科的核心概念是學科結構的主干部分，在“學習進階”理論中，應圍繞學科核心概念建構物理概念，這樣的學習邏輯嚴密成系統，能有效培養學生的學科素養，建立學科體系。

下面以普通高中物理課程標準（2017版）中“必修1”里的“相互作用與運動定律”主題下的“超重與失重”為例，談談基于“學習進階”的物理概念教學。

3 以“超重與失重”為例的“學習進階”教學

在利用“學習進階”理論進行教學時，學生是否按照進階假設進行學習的驗證可通過測試和訪談來進行。

3.1 概念的界定

在“超重與失重”學習中，所要圍繞的學科核心概念為“運動與相互作用”，這個學科核心概念涉及的領域非常廣泛，即有力學領域，也有電磁學領域等。在層次1下的層次2主題核心概念為“力與運動的關系”，這是層次3基本概念“加速度”與“力”關聯的建構。在“超重與失重”教學中，通過對概念之間的關聯，提高學生對基本概念“加速度”和主題核心概念“力與運動”的理解水平，從而更深入掌握學科核心概念“運動與相互作用”。

在概念關聯建構中，屬于層次4“基礎概念”，即影響建構的知識要素有質點、位置、參考系、時間、時刻、標量和矢量等。

3.2 “學習進階”的終點

“超重與失重”在普通高中物理課程標準（2017版）內容要求中的1.2.3的描述為“通過實驗，探究物體運動的加速度與物體受力、物體質量的關系。理解牛頓運動定律，能用牛頓運動定律解釋生產生活中的有關現象、解決有關問題。通過實驗，認識超重和失重現象。”新課標強調了建模的重要性，在“超重與失重”中，通過建模使學生更深入理解和掌握“加速度”這個基本概念。

在“超重與失重”中，學生通過建構模型加深對“加速度”這個科學概念的理解，如果沒有引入加速度的概念，就無法定量描述機械運動和相互作用之間的關系，無法解釋相關物理現象。要建構的模型為：物體在豎直運動中，當加速度向上時，物體的視重（物體對懸掛物的拉力或對支持物的壓力）大于重力，產生超重現象，當加速度向下時，物體的視重小于重力，產生失重現象，當物體的加速度正好等于重力加速度時，視重為零，稱為完全失重。

3.3 “學習進階”的起點

在學習“超重與失重”前，通過分析學生的認知水平可以知道，學生有以下的前概念，也就是“學習進階”的起點如下：

（1）學生已學過“重力”和“彈力”的概念，經歷質點運動的建構過程，對“機械運動”和“相互作用”概念有了一定層次的掌握。

（2）學生已學過牛頓三大定律，理解加速度和受力、質量之間的關系。

（3）學生混淆視重與實重之間的關系，有認為超重和失重就是物體自重增加和減少的錯誤觀念。

（4）學生可能會把超重、失重與運動方向即速度方向聯系起來。

在教學之前，可對學生進行一個前測，掌握學生的認知水平，從而更有效地進行教學。

3.4 “學習進階”的節點

在“超重與失重”的教學建模中，應按學生的思維發展進行建模，讓學生親身體驗建模過程。在學生的思維發展過程中，有幾個關鍵的理解步驟，也就是“學習進階”的節點，教師應清晰認識到這幾個節點，引導學生的思維路徑順利走到最后的終點。學生在參與建模的過程中，可以真正使知識內化。

3.4.1 節點一：超重與失重不是物體自重的改變

在這里，可以設置如下情境：

情境1：把紙帶對折掛上鉤碼，只用一只手能否把紙帶拉斷？

情境2：把一條橡皮筋套在手指上，掛上鉤碼，上下運動，感受手指的受力。

情境3：在體重計上站起、下蹲，觀察示數變化。

在情境1中，大部分學生基于前概念建立起拉力等于重力的模型，如圖1所示，會回答一只手是不能拉斷紙帶的。這時通過實驗引起學生的認知沖突，學生原有知識不能解釋實驗現象時，必須修改模型。

在情境2和情境3中，學生同樣會建構如圖1的模型，通過手指受力感受鉤碼所受的拉力的改變和觀察體重計示數的變化，給學生提供定性直覺理解的機會，這是一種類比架橋的策略。

通過實驗和引導，學生建構起如下模型：物體自重不變，在向上或向下運動過程中，拉力或支持力會產生變化，引起超重或失重。

3.4.2 節點二：超重和失重與物體的運動方向，即速度方向無關。

進一步分析情境3，觀察體重計的示數變化。

教師提問，在什么情況下會引起超重或失重？大部分學生會把超重和失重與物體運動方向，即下蹲或站起聯系起來。學生通過實驗觀察回答問題時將會互相沖突，有些人回答下蹲示數變大超重，站起示數變小失重，有些人回答下蹲示數變小失重，站起示數變大超重等等。學生會建構如圖2的物理模型：

最后，學生通過認知沖突了解到，超重和失重與運動方向，即速度方向無關。以上的模型建構存在問題，必須修改。很顯然，用速度方向無法解釋超重和失重。

3.4.3 節點三：超重和失重的產生條件為物體在豎直方向上運動的加速度a的改變。

引入影響因素加速度a應非常慎重，應按照學生的思維路徑引導引入。教師可設置如下情境：

情境4：坐電梯的時候，電梯在上升和下降過程中感受超重和失重。

在情境4中，教師用拉力傳感器提升下降重物模擬坐電梯。如圖3所示：

學生通過傳感器產生的圖象，發現了超重和失重的產生條件為物體在豎直方向上的加速度a。并引入牛頓第二定律，最后建構了科學模型（圖4）。

通過對“超重與失重”的學習，學生對基本概念“加速度”有了更進一步的掌握。通過解釋“超重和失重”現象，對“加速度”概念的意義進行了進一步的建構，促進了“加速度”概念內涵的深化和外延的拓展，并對“力”和“加速度”這兩個概念的關聯做了進一步的建構。從而使學生更深入掌握主題核心概念“力與運動”和學科核心概念“運動和相互作用”，培養了學生的學科素養，達到了教學的目的。

4 反思和建議

在實際教學中，有如下的教學建議：（1）為確定學生的認知水平，有必要要求學生進行定型推理和口頭解釋，闡明自己的觀點；（2）某些概念的理解和突破難以用口授的教學方式來解決，在關鍵節點上，必須在設定的情境中，以多次質疑的方式來解決；（3）學生應參與到概念定型模型的建構中來。

通過課例可以看出，利用“學習進階”理論進行概念教學，能順應學生的思維發展，對建構物理模型，掌握學科核心概念，培養學生的學科素養有較大的作用，從而達到了物理學科的教學目的。

在物理教學中，應從課標和書本內容中提取所要教授的“重要概念”，并圍繞“學科核心概念”進行教學。從學生的認知水平出發。分析“學習進階”的起點、節點和終點，從而使學生的認知沿思維路徑展開，建構科學模型。

參考文獻：

[1]郭玉英，姚建欣，張靜.整合與發展——科學課程中概念體系的建構及其學習進階[J].課程.教材.教法，2013，33（2）：44-49.

[2]陳小紅，羅琬華.構建物理概念習得的學習進階[J].中學物理教學參考，2014，43（8）：8-11.

[3]張玉峰，郭玉英.科學概念層次分析：價值、變量與模型[J].物理教師，2015，36（11）：2-10.