學習進階視角下的物理教學設計——以“浮力單元”教學為例

吳志明

物理概念和規律的學習是一個循序漸進的過程，需要建立起關聯知識之間的相互聯系，有一個逐步理解、深化和完善的歷程。但在日常教學中，有些教師和學生往往只注重某一概念或規律自身單獨的建構，缺乏統籌規劃與設計，缺乏知識點之間的相互聯系與整合，致使物理學習出現碎片化現象。應用學習進階理論進行教學的大單元設計，能夠提升教學設計的站位，有利于學生構建起結構化的知識體系，促進學生物理學科核心素養的形成與發展。本文從學習進階的視角出發，結合具體教學案例，探討物理概念的教學設計思路和實踐應用。

一、學習進階理論要義簡述

近年來學習進階理論越來越受到國內外教育界的關注，成為科學教育研究領域的熱點之一。美國國家研究理事會（NRC）在2007 年發布的《讓科學走進學校：K-8 年級科學學習的學與教》中將學習進階定義為“隨著時間的不斷增加，學生對某一學習主題的思考和認識不斷豐富、精致和深入的一種過程”［1］。國內不少學者結合本土實際開展學習進階理論的研究與應用，取得了令人矚目的階段性成果。學習進階是學生在各學段學習同一主題概念時所遵循的連貫的、典型的學習路徑的描述，一般呈現為圍繞核心概念展開的一系列由簡單到復雜、相互關聯的概念序列。［2］

科學教育內容是以一系列核心概念為基本框架的理論體系，涵蓋了重要的概念、原理、觀點等基本理解和解釋。規劃和實施中小學科學課程，需遵循由淺入深、由現象到本質、連續且螺旋上升的基本原則。學習進階理論認為，學生對核心概念的學習需要經歷一段較長的時間才能正真理解，才能逐步建立起核心概念之間的相互聯系，建構出連貫、系統的知識架構。學生從剛接觸某一概念或規律，到真正掌握其內涵與本質，再到能夠靈活運用，這期間要經歷許多不同的中間水平。這些中間水平，我們稱之為“階”?！半A”代表著學生學習進程中的不同思維方式和學習層級，或者說學習的短期目標。學習進階的起點是學生學習前已有的對核心概念的粗淺經驗和零碎事實，學習進階的終點就是學習目標，是我們期望學生能夠達到的對核心概念的理解水平。在學習進階的起點與終點之間，需要教師為學習目標的達成設計清晰可循的路線導航圖，提供學生認知發展的有效路徑，并且在認知發展的關鍵處提供可靠的腳踏點和支撐點，這是學習進階理論應用于教學實際的要義所在。

二、“浮力單元”的學習進階設計

“浮力單元”包括浮力、物體的浮與沉以及綜合實踐活動三課時內容，以大單元來設計教學，能夠改變浮力知識點的碎片化教學現象，實現教學設計與進階目標的有效對接。

1.進階分析。

（1）進階起點分析

經過小學科學課程學習以及日常生活中的觀察體驗，學生對于浮力相關知識已具有一些零碎的經驗與事實：浮在水面的物體受到浮力，如航行中的船只、游泳的人等；升空的物體受到浮力，如氣球、孔明燈等。但同時存在諸多模糊甚至是錯誤的認識，如：下沉的物體不受浮力，重的物體下沉，輕的物體上浮，飛機也是受浮力升空的，等等。

（2）進階目標預設

通過“浮力單元”的學習，學生應能夠建立浮力的概念，知道浮力產生的原因，會用彈簧測力計測量浮力的大小，探究浮力大小與哪些因素有關，知道并會初步運用阿基米德原理進行簡單計算和判斷，了解漂浮、懸浮的含義，知道物體的浮沉條件，能夠運用浮沉條件解釋生產生活中的一些現象，運用浮力知識解決一些簡單的實際問題。

（3）進階點和目標預設

結合進階起點和預設學習目標進行分析，學生可能會遇到一些典型的思維障礙，如：浮力是怎樣產生的？為什么沉底的物體也受浮力？浮力的大小與物體自身的體積、浸入液體的深度有沒有關系？浮力計算有哪些解題思路？浮力的實際應用問題等。據此我們設置符合學生實際的進階點，如表1。

表1 “浮力單元”教學的進階點、起點和預設目標

2.進階層級預設。

根據上述分析，“浮力單元”教學需創設真實的物理情境，補充與浮力相關的演示與學生實驗，增加直觀體驗；采用定性、半定量到定量的方法研究、理解和應用阿基米德原理。整個“浮力單元”的教學確立下列進階層級，如表2。

表2 “浮力單元”學習進階層級

3.進階途徑與策略。

“浮力單元”教學第一課時完成第一到第三層級的進階，第二課完成第四、五層級的進階，第三課時完成第六層級的進階目標。進階途徑和策略主要有：一是增加學生的實驗與體驗，提供豐富直觀的感性材料，支撐學生的學習過程；二是學生親自動手探究、自主學習、合作交流，對相關信息進行分析論證，理解阿基米德原理的本質內涵；三是設置有梯度、有思維深度的浮力問題來驅動和引領學生的學習進程，促進深度學習的持續發展；四是在分析和解決問題的過程中完善浮力相關知識的建構，形成運動與相互作用的物理概念。

三、教學實踐片段

以“浮力單元”第三課時綜合實踐活動為例，目標是實現學習進階的最后一個層級的躍升，即：浮力知識的綜合運用、設計與創新，學習內容是“自制密度計，測量液體密度”。

1.情境設置。

教師取出三只均盛有無色透明液體的量筒，將三根完全相同的塑料吸管分別放入其中，吸管漂浮在液面，但露出液面的長度各不相同，如圖1 所示，這是怎么回事？

圖1

2.原理分析。

3.任務布置。

教師布置學生自制密度計，小組合作完成。

（1）實驗器材：一端用熱熔膠封口的塑料吸管，細沙，燒杯，水，量筒，刻度尺等。

（2）標注刻度：塑料吸管豎直漂浮在水面上，標出水面所在位置，用刻度尺測量浸入水中的深度H，根據上述推導公式計算出液體密度與表3中的密度值相等時，自制密度計浸入液體的深度h，并填入表3，在塑料細吸管相應位置處標注密度值：0.8，0.9，1.0，1.1，1.2（g·cm-3）。

表3 標注刻度

（3）實際測量：教師準備好幾種待測液體——鹽水，可樂，酒精，牛奶等，各小組同學用自制密度計測量液體密度，記錄測量數據，進行交流分享。

4.評估與改進。

學生展示與交流時發現，有的自制密度計在測量酒精時沉底了，有的測量鹽水密度時不能保持豎直漂浮，發生了傾倒現象。教師引導學生進行分析討論，找出問題的原因，提出解決問題的方法，進一步思考如何提高自制密度計的測量精度？如何擴大它的量程？改進和完善活動方案，撰寫實驗報告。

安排這一教學活動，為學生創建了一個可靠的進階支撐點，幫助學生實現浮力相關知識的系統化和結構化構建。該綜合實踐活動涉及的思維難度較大，動手操作的要求比較精細，既要通過理論分析解決標注密度計刻度的問題，又要對活動方案、過程和結論進行分析評價，提出改進方法。通過學習，學生在綜合應用、設計和創新方面的能力和素養得到了鍛煉和提高。

四、思考與啟示

將學習進階理論應用于物理課堂教學，是一項行之有效的實踐探索，帶給我們一些思考與啟示：

一是學習進階有利于中小學科學課程的有效銜接。小學、初中和高中階段的科學教育內容，有綜合，也有分科，教學實踐中各學段之間的銜接存在一些問題，有些內容存在相同層級上的重復，有些內容則難度跨度太大，也有科學概念的解釋在不同學科間差別較大，缺乏一致性和互通性。學習進階理論為解決這一難題提供了有效思路，可圍繞科學領域的核心概念開發構建符合我國學生認知發展規律的“學習進階”體系［3］，形成完整連續的科學課程體系。

二是學習進階有利于整合課程教學內容。學習進階描述了學生對核心概念的理解連貫且逐漸深入的典型發展路徑［4］，這提示我們組織課堂教學時，要以核心概念為認知需求的主線整合教學內容，依據學生認知規律，設置進階點、進階層級和進階目標，針對性地組織教學內容，使學生的學習過程有清晰的目標、任務、臺階和發展路徑。

三是學習進階有利于開發教學設計。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。［5］這一學習路徑不僅包括學習內容的層級設置，更重要的是學生思維認知能力的發展層級?；趯W習進階的教學設計，主要特征是探索連接進階起點到目標終點之間的學習路徑以及進階的腳踏點。學習路徑不是唯一的，但有最佳的，有最合適的，教師通過對學習中“階”的分析與把握，可以探尋到最適合學生認知發展的學習路徑，從而有效地提高教與學的效率和效益。