“牛頓運動定律”的學習進階研究*

蔣培旺 徐平川 楊 歡 代利紅

(西華師范大學物理與空間科學學院 四川 南充 637009)

1 引言

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，一般表現為圍繞著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，是對“應為學生設定怎樣的學習路徑”這一核心問題的探索[1].

北師大郭玉英帶領的團隊構建了中學物理學科中相關核心概念及關鍵能力的學習進階，將理論構建與實際研究相結合[2].國內外學者對“力與運動”“運動與相互作用的關系”進行了學習進階研究[3]，構建了相關核心概念的進階框架.

目前學習進階的研究內容從核心概念轉向基本概念和基本規律.牛頓運動定律是整個經典力學的基礎，在各個國家的中學物理教學中占有很大篇幅，是教學中的重難點.

本文通過分析從小學到高中的課程標準，總結各個階段常見的迷思概念和科學概念，制定了各水平的進階目標.進階終點的設定從物理發展的內在規律和動力出發，注重過程性評價，為學生的終身發展奠定基礎.

2 “牛頓運動定律”的進階框架設計

2.1 基于課程標準的分析

《義務教育小學科學課程標準》《義務教育物理課程標準(2011年版)》和《普通高中物理課程標準(2017年版)》對學生不同階段學習“牛頓運動定律”提出了最基本的要求.小學階段，要求學生能描述常見運動的形式和特征.初中階段，要求學生了解伽利略物理實驗，初步形成物理極限思想，構建慣性的初步概念，初步理解牛頓運動定律.高中階段，強調基于學生已有的經驗，要求學生進一步認識伽利略等人的探索歷程，從對力與運動的關系的定性認識，到理解加速度和力、質量的定量關系，形成對牛頓定律相關知識的物理觀念、科學思維方法和科學探究意識[4].

2.2 牛頓運動定律的進階框架構建

牛頓運動定律相關概念在中學階段具有跨度大、靈活性強的特點，根據皮亞杰“認知發展階段理論”“布魯姆教育目標分類”相關理論，考慮到學生認識結構發展水平，針對學生在不同學習階段呈現的概念理解水平的描述，可以將牛頓運動定律的學習進階分為5個水平，如表1所示.

3 學習進階與物理課堂教學

小學生的思維大多停留在水平1層次，初中學習可以達到水平2層次甚至是水平3層次，高中學習過牛頓第三定律的學生應該能到達水平4層次，但仍有部分學生只能到達第2、第3水平層次.大學學生經過學習可以達到水平5層次.學生對“牛頓運動定律”的學習不是一蹴而就的，在學習過程中難免會產生迷思概念，學習進階實際上就是，實現迷思概念與科學概念之間的轉變，將概念轉變的研究時間拉長并對概念模型進行整合[5].因此教師應以學習進階為參考，從學生現有的認知結構出發，設置一系列的進階節點，按照層級結構，一步步地達到進階終點.

以高中教科版牛頓第一定律為例，根據對課程標準和表1的分析，進階節點設置為：對力與運動的初步認識，由亞里士多德、伽利略等人的觀點建立極限思想，構建牛頓第一定律的模型，形成物理觀念以及掌握慣性在生活中的應用.具體的進階過程可做如下設計：

(1)創設物理情境，形成力和運動初步的認識

學生從“冰壺”“車輛行駛”“足球在草地運動”等生活現象中獲得事實經驗，回顧舊知.

(2)設置具體的問題情境或者實驗，搭建“腳手架”

運動的物體之所以會停下來，是由于物體受到了摩擦力的緣故.通過伽利略設計的理想斜面實驗，初步形成極限思想，建立運動和力相互關系的基礎線索.

(3)構建物理模型

學生基于生活經驗，容易產生力是維持物體運動的原因、速度越大所受力越大等迷思概念.教學中要基于物理發展的內在規律和動力，結合眾多學者對力與運動的探索的物理學史，使學生經歷知識的獲得過程[6].由笛卡爾對于運動的表述以及牛頓對于力與運動的總結，建立牛頓運動定律的物理模型.

(4)形成物理觀念

通過對牛頓第一定律的理解，培養學生的物理觀念，建立科學的時空觀、運動觀、相互作用觀.讓學生透過事物的表象看本質，實現慣性、相互作用、運動等物理知識的遷移，提升學生解決問題的能力.

4 學習進階與評價

通過牛頓運動定律在實際問題中的應用，整合相關物理知識，鞏固進階成果.目前國內所開發的測試題更多的是注重評價是否達到教學目標，忽略了學生在學習進階中存在的困難.筆者根據FCI,FMCE,歷年中考、高考物理試題等，使用多項選擇測試題對學生在概念的理解程度方面進行考察.例如以下題目：

【題目】某女士對一只大箱子在水平方向上施加一個恒定不變的作用力，大箱子在水平面上以恒定的速度v0運動.關于這位女士施加的水平作用力，下列說法正確的是( )

A．大小大于箱子的重力

B．大小小于箱子的重力

C．大小等于箱子在運動中受到的總阻力

D．大小大于箱子在運動中受到的總阻力

E．既大于箱子的重力也大于箱子在運動中受到的總阻力

當學生選擇選項A或E時，反映學生對“牛頓運動定律”的理解還處于水平1層次，錯誤的認為“重力會阻止物體運動”；選項B或D反映學生處于水平2層次，認為“推力大于重力物體才能運動”“此時的阻力只有摩擦力”；選項C反映學生處于水平3，4階段，學生理解“勻速運動的物體合外力為零”.

5 結束語

學習進階的構建是一個理論與實踐交替的過程，通過構建學習進階，指導教學實踐，在教學實踐中構建更符合學生學習的學習進階.本文通過對課程標準、教材、學生認知水平的分析，設計了牛頓運動定律這一核心概念的學習進階框架，提出了相對應的教學建議，希望能為物理教學提供建議和參考.