基于學習進階的科學教學設計
——以圓周運動為例

柴品芳 陳紅君 王 爽

(長春師范大學物理學院,吉林 長春 130032)

新一輪的課程改革體現(xiàn)了國家對于提高學生核心素養(yǎng)這一教育理念的重視,完善教育體制是提高國民素質的最有效的途徑,教學過程的完美實現(xiàn)又離不開科學的教學設計．因此,越來越多的教學研究者將重點放在了教學的設計上．學習進階對于學生和教師,甚至對于整個教育教學過程起到至關重要的作用,如今越來越多的專家和學者對學習進階進行著更為深刻和透徹的研究．

1 學習進階的背景及概念演變

美國學者Kevin D.Cunningham在博士論文“關于學生對熱力學第二定律的理解的研究發(fā)展特征:利用學習進階來說明高中化學中的思維方式”的第一部分著重于研究學習進階部分,指出學習進階的起源來自于對概念的逐步深入研究,概念的變化與發(fā)展如表1.

表1 概念的變化及發(fā)展

續(xù)表

該表展現(xiàn)了早期對于概念研究逐漸深入的過程．2004年,學者史密斯(Carol Smith),代表“基礎教育階段科學學業(yè)成就評價委員會”向美國國家研究理事會提交一份報告,這是學習進階第一次在科學教育領域中提出．2005年美國的《建立州科學評價體系》的報告中提到了學習進階可以成為解決評價、課程和教學連貫性問題的工具．2007年在《將科學帶入學校:K-8年級的科學教與學》中,提到學習進階可以對開發(fā)具有連貫性的課程和教學起作用,并且其認為學習進階具有潛在價值．2013年5月的美國《新一代科學教育標準》(Next Generation Science Standards)進一步指出學習進階的重要性．

學習進階是一種概念的序列,它和核心的概念息息相關,這些序列是由簡單到復雜且相互關聯(lián)的,同時可以理解為是對學生的不同學段學習同一個題目時所遵循的比較典型的學習路徑的描述．

2 科學概念理解的發(fā)展層級模型

2.1 學習進階的層級模型

在美國學習進階的研究影響下,我國一些學段的科學課程設計也采用了學習進階來規(guī)劃核心素養(yǎng)．郭玉英帶領的團隊基于對學習進階的理解,進行了大量的實證研究,建構了科學概念理解的發(fā)展層級模型(如表2),表2中的發(fā)展層級為進階變量,層級描述代表的是各級的表現(xiàn)期望．

表2 科學概念理解的發(fā)展層級模型

針對于物理學科的內(nèi)容,以“圓周運動”為例,在表2的基礎上總結出對于圓周運動概念的學生的理解的發(fā)展層級模型,如表3.

表3 學生圓周運動概念理解的發(fā)展層級模型

在這里對表3進行解釋與補充:首先在經(jīng)驗層級上,學生初始的狀態(tài)是知道在日常的生活中有運動的軌跡是一個圓的現(xiàn)象;在接觸了圓周運動的概念之后在映射的層級上能夠建構出圓周運動這一抽象概念的具體的特征;在關聯(lián)層級上指能夠掌握分辨生活中運動的事物是否屬于圓周運動的能力;在系統(tǒng)層級上進一步學習圓周運動,掌握圓周運動的相關物理量并掌握其計算和轉換的方法;在最后的整合層級上,學習的最終要求是學生能夠掌握知識，整合能力,通過圓周運動的學習解決更多的生活問題．

2.2 學習進階的作用

(1) 在教學前學習進階可以讓教師更加直觀了解學生的水平．教師可以將學習進階作為工具去明確在新的課程中應該在學生原有的知識水平基礎上進行哪些教學．

(2) 在教學過程中教師可以將學習進階作為教學評價的證據(jù),學習進階可以很好地描繪出學生在不同的階段對于知識的不同認知程度．一開始,學生只是有對于知識的記憶,然后逐漸能夠領會知識,接著可以應用知識達到對于知識的整合,最后能對于知識進行獨立評價,達到更加高級的水平．在這個過程中教師可以利用學習進階對于學生的水平進行評價．

3 基于學習進階的科學教學設計

根據(jù)教育心理學家布魯曼菲爾德以及埃利奧特·索洛韋等人關于對于學生的學習動機和思維的研究中涉及教學的一些建議，總結教學設計過程應該考慮以下兩個方面.

一方面是針對于教學過程的一些細節(jié)要求: (1) 任務多樣性學習的主題應該包括新穎的元素; (2) 提出的問題具有真實性和價值性,并且能夠增強學生對學習的興趣; (3) 問題對于學生有一定的挑戰(zhàn)性; (4) 有很好的結束,能夠真正有所作用和效果; (5) 教學的方法,即如何完成本節(jié)教學工作的; (6) 在過程中注重合作的重要性.

另一方面是環(huán)境的問題，課堂環(huán)境將影響學生．假設他們對這個問題感興趣,并且認為自己有能力完成這個項目,但如果教師指出解決問題的方向,學生可能不會以促進理解的方式參與這個主題．當教師強調成績、不鼓勵冒險、強調正確答案的評價標準、通過實施獎勵和懲罰等外部控制措施來加強對工作的問責制,或主要分配低水平的任務時,績效取向而不是學習取向就更有可能出現(xiàn),因此應該注意教學的方式和方法．

除此之外還可以利用多媒體、圖書資料等方法加入到教學設計中來豐富課堂．

3.1 基于核心素養(yǎng)學習進階的科學教學設計模型

教學設計基于課程標準、根據(jù)學生的不同特點,將教學的要素有序安排,最終確定最合適的教學方案的計劃．一般包括下面幾個環(huán)節(jié):教學目標、教學重難點、教學方法、教學步驟與時間分配等．在教學中,ADDIE模式(圖1)是教學設計的一種基本模式．ADDIE模式將教學設計系統(tǒng)分為分析、設計、開發(fā)、執(zhí)行和評估這5個模塊．基于核心素養(yǎng)學習進階的科學教學設計也遵循這個經(jīng)典的基本范式．

圖1 教學設計的ADDIE模式

我國物理教學研究者以圖1的經(jīng)典教學設計模式為框架結構并且結合科學的教學設計理念總結出了基于核心素養(yǎng)學習進階的科學教學設計模型(圖2)．

圖2 基于核心素養(yǎng)學習進階的科學教學設計模型

基于學習進階的學情分析方面,結合核心素養(yǎng)的理念,針對以下幾個問題對授課內(nèi)容進行分析：(1) 需要建構哪些科學觀念?并在過程中確定學生原有的基礎水平及在該內(nèi)容的學習之后期望學生所達到的知識水平；(2) 結合核心素養(yǎng)的理念及要求確定在此部分的學習中希望培養(yǎng)學生的關鍵能力是什么?(3) 希望幫助學生能夠構建哪些整合聯(lián)系(包括學生思維和能力的整合,觀念和實踐的整合等)；(4) 能夠確定學生在學習過程中可能存在的問題和中間存在的狀態(tài)．該教學設計模型與經(jīng)典的教學設計模型相比,對于目標、學情和重難點的分析進行了系統(tǒng)的整合,更注重以學習進階為基礎．

3.2 基于核心素養(yǎng)學習進階的科學教學設計——以圓周運動為例

3.2.1 基于學習進階的學情分析

學生已經(jīng)比較好地掌握了直線運動的知識和曲線運動的一些初步知識,并能夠利用用比值定義法對勻速直線運動進行描述．即使是這樣,由于圓周運動具有特殊性和復雜性以及對于不同學生有差異的認知的水平,因此本節(jié)課的學習內(nèi)容對于學生來說是困難的．

(1) 需要建構的科學觀念.學生已經(jīng)掌握了一定的運動學基礎,在此部分是對于曲線運動的一種——圓周運動來進行分析和學習．學生已經(jīng)掌握的知識水平和經(jīng)驗:理解并掌握時間、速度和加速度等概念;知道運動軌跡是曲線的運動稱為曲線運動．期望學生達到的整合(理解)水平:理解并掌握圓周運動的概念;理解并掌握圓周運動相關的物理量和計算．

(2) 期望培養(yǎng)的關鍵能力.通過描述圓周運動快慢這一教學環(huán)節(jié),學生可以了解對于同一個問題可以從不同的角度和方面進行研究．本部分內(nèi)容的學習比較強調觀察學生的發(fā)散性思維能力，即學生多方面思考和探究同一問題的能力的培養(yǎng)．

(3) 期望建構的整合聯(lián)系.這一節(jié)課期望能夠整合圓周運動的學習進階與學生科學探究能力的整合．通過思維中已有的運動模型及對于圓周運動內(nèi)容的學習整合建構圓周運動的相關模型．

(4) 可能存在的中間狀態(tài).根據(jù)學生現(xiàn)有水平和期望學生達到的理解水平,可能存在的中間狀態(tài):初步理解圓周運動并能聯(lián)系生活實際分辨圓周運動；通過分析和思考推斷出圓周運動的相關物理量；理解并掌握圓周運動幾個相關物理量之間的關系．

3.2.2 教學過程的設計和教學開發(fā)

教學過程的設計要帶著以上學情分析的幾個問題的結果來進行設計,也可以說是對于學生學習軌跡的設計,在圓周運動的學習過程中學生學習的軌跡應該是多元的,復雜的．然后以學習軌跡為基礎,開始教學的開發(fā),教學的開發(fā)以選擇驅動問題和任務為起點．選擇驅動問題和任務要求我們一方面要能夠引起學生的學習興趣起到積極的影響作用,引發(fā)學生的學習動機,另一方面要求我們流暢地引出學生學習和理解的任務情景．那么在圓周運動概念的引入時我們可以積極地引入生活實例來引起學生學習的興趣,在教學過程中也可以通過拋問題讓小組討論思考來流暢地連接學習情境．根據(jù)學生的概念理解水平及進階過程其具體的教學流程設計如下．

第1步:分析學生現(xiàn)有的認知基礎——已經(jīng)能夠從運動軌跡的角度來分析問題.問題1：觀察圖片回答問題并通過思考和探究進行舉例.導入時以常見的實例來進行導入,例如工作中的電風扇、工作的鐘表等,然后讓學生來思考問題,在這些實例中物體在運動時軌跡有什么共同的特點?學生回答得到它們的軌跡都是圓,并給出圓周運動的概念——運動軌跡為圓的運動稱為圓周運動．然后讓學生們來舉例生活中還有哪些現(xiàn)象是利用了圓周運動——例如騎自行車的時候車輪的運動以及圓錐擺的運動．

第2步:學生鍛煉探究性思維思考問題.問題2：小組討論探究比較兩個相同摩天輪工作時運動快慢的方法.

展示圖片讓學生探究工作中的兩個同樣大小的摩天輪,哪一個運動更快,小組討論有哪些方法來比較?討論結束后總結出學生小組討論的結果: (1) 比較兩個摩天輪轉一圈所花費的時間多少——學生討論得出花費時間越長運動越慢,在這里可以得出第1個物理量周期T.定義:圓周運動的物體運動一圈所花費的時間的多少;單位為秒．(2) 比較一定時間內(nèi)轉動的弧長的多少——學生討論得出轉動的弧長越長運動越快,在這里得出第2個物理量線速度v.定義:圓周運動在單位時間內(nèi)轉過的軌跡的長度;單位為m/s，為矢量;同時根據(jù)定義繼續(xù)推出v=l/t=2πr/T;(3)比較在一定時間內(nèi)半徑掃過的角度的大小——學生討論得出劃過的角度越大運動越快,在這里得出了第3個物理量角速度w.定義:在單位時間內(nèi)轉過的角度的大小;單位為rad/s，為矢量;同時根據(jù)定義繼續(xù)推出w=θ/t=2π/T.在這時可以通過上面的學習,讓學生再次小組探究討論然后推導出線速度與角速度的關系．問題3： 探究線速度和角速度的關系.

線速度和角速度的關系為v=wr. (1) 比較在一定時間內(nèi)轉動的圈數(shù)——學生討論得出轉動的圈數(shù)越多運動越快,在這里得出了第4個物理量轉速n.定義:圓周運動的物體在一定時間內(nèi)轉過的圈數(shù);單位為r/s;同時根據(jù)定義繼續(xù)推出n=1/T.

第3步:提問并要求學生進行自己總結和思考本節(jié)課學到的概念和內(nèi)容.問題4： 本節(jié)課你掌握了哪些內(nèi)容?

第4步:設計例題，示例后學生自己實踐解決例題.問題5：理論聯(lián)系實際檢驗學生的能力．

3.2.3 教學評估和反饋

在課程結束后教師應積極對本節(jié)的內(nèi)容進行效果評估,檢驗在課堂進行過程中是否達到預想的效果,學生是否能夠活躍進入到課堂并對課堂內(nèi)容感興趣,從而確定該課堂是否符合核心素養(yǎng)的理念;還要評估課堂上對于實驗探究部分和小組討論交流時間學生是否能親自參與,積極提出自己的想法和意見;在課堂結束后更是要評估學生對于新知識的掌握情況如何,是否掌握了課程標準所要求的內(nèi)容,本部分可以通過課堂提問和課后學生練習題的作答情況來實現(xiàn)．那么在評估結束后對于效果不佳的地方就要進行反思,可以在對下一節(jié)課的內(nèi)容進行教學設計時及時做出改正．