指向高中生物理概念形成的認(rèn)知分層進(jìn)階教學(xué)
——以“慣性概念”的形成和運(yùn)用為例

李旭斌 陳曉陸 鄭朝陽

(中國人民大學(xué)附屬中學(xué)朝陽學(xué)校 北京 100028)

1 問題的提出

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》指出：“物理觀念”是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動與相互作用、能量等的基本認(rèn)識；是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華；是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題的基礎(chǔ).學(xué)習(xí)好物理概念是形成正確物理觀念的前提，由于物理概念本身存在抽象、高度概括的特點(diǎn)，學(xué)生對概念的學(xué)習(xí)往往注重內(nèi)容的記憶，而不善于理解概念；在運(yùn)用學(xué)習(xí)過的概念分析新問題時，時常遇到困難.例如，筆者通過課前訪談發(fā)現(xiàn)，高一學(xué)生通過初中階段的學(xué)習(xí)能夠說出“力不是維持運(yùn)動狀態(tài)的原因，物體運(yùn)動狀態(tài)的改變需要力”，但對“推即動、不推即停”現(xiàn)象缺乏進(jìn)一步思考，并且對于陌生情境(例如光滑水平桌面上做勻速圓周運(yùn)動的鋼球在細(xì)繩突然斷裂后的運(yùn)動方式的判斷等)，不能很好地運(yùn)用“慣性是維持物體運(yùn)動狀態(tài)的原因”進(jìn)行分析.

學(xué)習(xí)進(jìn)階成為近幾年國內(nèi)學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一.郭玉英教授于2016年提出，學(xué)習(xí)進(jìn)階的起點(diǎn)是學(xué)生的前認(rèn)知，終點(diǎn)是期望達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)，學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)階過程要經(jīng)歷從起點(diǎn)到終點(diǎn)一序列的中間發(fā)展階段，并提出了“經(jīng)驗(yàn)”“映射”“關(guān)聯(lián)”“系統(tǒng)”“整合”的概念進(jìn)階模型，從“整合與發(fā)展”大的方向，建構(gòu)統(tǒng)一的概念體系，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)合理的學(xué)習(xí)進(jìn)階，以促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的連貫發(fā)展.

一線教師在物理概念或物理規(guī)律教學(xué)中，如何借鑒“概念進(jìn)階層級模型”，輔助學(xué)生理解并形成正確物理概念，同時運(yùn)用概念分析和解決新問題，是一個值得研究的方面.

2 基于認(rèn)知進(jìn)階的分層教學(xué)設(shè)計(jì)

高中學(xué)生認(rèn)知發(fā)展特點(diǎn)可以概括為“由感性到理性”“由具體到抽象”“由簡單到復(fù)雜”.結(jié)合高中生認(rèn)知發(fā)展的特點(diǎn)及“概念進(jìn)階層級模型”，筆者針對物理概念或規(guī)律的教學(xué)，設(shè)計(jì)了如下的認(rèn)知進(jìn)階層級模型(表1).

表1 物理概念或規(guī)律的認(rèn)知進(jìn)階層級模型

3 教學(xué)實(shí)踐

3.1 “慣性概念”認(rèn)知層級劃分與進(jìn)階教學(xué)設(shè)計(jì)

以《普通高中物理必修第一冊(人教版)》的第四章第1節(jié)“牛頓第一定律”為例，本節(jié)課主要圍繞“牛頓第一定律(慣性概念)”“慣性與質(zhì)量”展開教學(xué)，下面以“慣性概念”建立為例，進(jìn)行有關(guān)認(rèn)知層級進(jìn)階的教學(xué)實(shí)踐.

有關(guān)“慣性概念”的認(rèn)知層級劃分與進(jìn)階教學(xué)設(shè)計(jì)如表2所示.

表2 “慣性概念”認(rèn)知層級劃分與進(jìn)階教學(xué)設(shè)計(jì)

3.2 “慣性概念”認(rèn)知分層進(jìn)階教學(xué)實(shí)施

教師活動1：引入亞里士多德觀點(diǎn)，提出問題，“如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明物體的運(yùn)動不需要力維持？”

學(xué)生活動1：通過分組討論，運(yùn)用已有經(jīng)驗(yàn)概念和對生活現(xiàn)象的觀察，舉例“水平地面上滾動的足球”“人蹬滑板車，撤去蹬力，人和車仍然能夠運(yùn)動一段距離”等，論證“物體的運(yùn)動不需要力維持”.

教師活動2：提出問題，“如何正確解釋桌面上的水壺，‘推即動、不推即停’的現(xiàn)象？”

學(xué)生活動2：聯(lián)想初中階段學(xué)習(xí)過的“阻力對物體運(yùn)動影響”實(shí)驗(yàn)結(jié)論，說明水壺不推即停，是因?yàn)樗畨睾妥烂嬷g的摩擦很大，水壺在撤去推力后運(yùn)動的距離很短，肉眼無法觀察.

教師活動3：通過以下雙斜面裝置(圖1)，引導(dǎo)學(xué)生2人一組，通過分組實(shí)驗(yàn)探究“介質(zhì)阻力對鋼球運(yùn)動的影響”，引導(dǎo)學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)的自變量是介質(zhì)阻力，因變量是鋼球爬升高度，控制變量是鋼球釋放高度，無初速度自由釋放.

圖1 雙斜面裝置

學(xué)生活動3：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)操作方案，將鋼球從乳膠管左側(cè)端口無初速度自由釋放，觀察鋼球爬升高度，并用標(biāo)簽紙記錄下這一高度；接著，通過往管里加少量水增大介質(zhì)阻力，進(jìn)行相同的操作；最后，分析鋼球在弧形軌道中的受力，考慮到鋼球重力是恒定的，有效減小阻力的方法是讓鋼球沿弧形軌跡運(yùn)動的過程中不與乳膠管接觸，實(shí)現(xiàn)的方法是用細(xì)繩對鋼球的拉力Ft“等效替代”弧形軌道對鋼球的支持力Fn，即通過單擺實(shí)現(xiàn)鋼球沿弧形軌道運(yùn)動過程中僅受空氣阻力，由此減小鋼球運(yùn)動過程中的介質(zhì)阻力，觀察并記錄鋼球爬升高度.得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論“介質(zhì)阻力越小，鋼球上升高度越接近釋放高度”.

教師活動4-1：提出問題，“在無任何介質(zhì)阻力的理想條件下，鋼球最后將爬升至什么位置？”

學(xué)生活動4-1：建立在活動3的實(shí)驗(yàn)事實(shí)基礎(chǔ)上，運(yùn)用“理想實(shí)驗(yàn)法”，通過邏輯推理分析得到“無介質(zhì)阻力條件下，鋼球?qū)⑴郎玲尫鸥叨取?

教師活動4-2：通過以下牛頓第一定律演示儀裝置(圖2)，引導(dǎo)學(xué)生推理無阻力條件下鋼球運(yùn)動位置，逐漸減小左側(cè)上升坡面傾角，引導(dǎo)學(xué)生推理鋼球運(yùn)動情況.

圖2 牛頓第一定律演示儀

學(xué)生活動4-2：根據(jù)“理想實(shí)驗(yàn)”，運(yùn)用邏輯推理得到“在無阻力條件下，每次減小上升坡面傾角，鋼球均能爬升至釋放高度”.

教師活動4-3：引導(dǎo)學(xué)生推理在無阻力條件下，上升坡面傾角為零時，鋼球的運(yùn)動情況.

學(xué)生活動4-3：運(yùn)用邏輯推理得到“鋼球?qū)⒁恢边\(yùn)動下去，且運(yùn)動快慢和方向均不改變，鋼球做勻速直線運(yùn)動”.

教師活動4-4：給出牛頓第一定律，即慣性定律，完成慣性概念的建立.

學(xué)生活動4-4：將建立的正確認(rèn)知與書本概念的規(guī)范表述相對應(yīng).

3.3 對照班“慣性概念”教學(xué)實(shí)施簡介

教師活動1：演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象“水壺推即動，不推即停”，引出亞里士多德“物體運(yùn)動需要力維持”的觀點(diǎn).

教師活動2：通過問題“伽利略是如何證明物體運(yùn)動不需要力維持呢？”引導(dǎo)學(xué)生通過圖2裝置探究阻力對鋼球運(yùn)動的影響.讓一個小球沿斜面從靜止?fàn)顟B(tài)開始運(yùn)動，小球?qū)ⅰ皼_”上另一個斜面；如果沒有摩擦，小球?qū)⒌竭_(dá)原來的高度；如果第二個斜面傾角減小，小球仍將到達(dá)原來的高度，但是運(yùn)動的距離更長.由此可以推斷，當(dāng)斜面最終變?yōu)樗矫鏁r，小球要到達(dá)原有高度將永遠(yuǎn)運(yùn)動下去.這說明，力不是維持物體運(yùn)動的原因.

教師活動3：引出笛卡爾觀點(diǎn)，如果運(yùn)動中的物體沒有受到力的作用，它將繼續(xù)以同一速度沿同一直線運(yùn)動，既不會停下來，也不會偏離原來的方向.

教師活動4：引出牛頓第一定律的表述，并且指出牛頓第一定律中物體這種保持原來勻速直線運(yùn)動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)叫做“慣性”.

4 實(shí)驗(yàn)研究

4.1 測試目的與被試選取

為檢驗(yàn)基于物理概念或規(guī)律的認(rèn)知進(jìn)階教學(xué)，對輔助學(xué)生物理概念形成和規(guī)律認(rèn)知的成效，筆者對實(shí)驗(yàn)班和對照班學(xué)生進(jìn)行了后測，其中比較典型的兩道測試題，分別考查學(xué)生對慣性概念的理解情況和運(yùn)用情況.測試題1跟蹤學(xué)生概念建立過程中“根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲取事實(shí)證據(jù)”“基于事實(shí)證據(jù)進(jìn)行邏輯推理”兩個方面能力的發(fā)展情況，這兩個方面是完成慣性概念建立的重要發(fā)展階段；測試題2以“分析和應(yīng)用”的層級要求，考查學(xué)生運(yùn)用慣性解決新問題的能力.

本研究選取本校2019級在讀高一學(xué)生作為被試，本校高中物理教學(xué)為走班教學(xué)，并且依據(jù)學(xué)生的能力水平，將學(xué)生分為從高到低A，B，C，D 4個層次共8個班級，同層次有兩個班，本文選取同一教師所教授的B1(33人)、D1(20人)為實(shí)驗(yàn)班，B2(29人)、D2(22人)為對照班.

4.2 測試題選取與考查點(diǎn)設(shè)計(jì)

本文選用的兩道測試題分別反映學(xué)生對慣性概念的理解和運(yùn)用情況.測試題1由北京高考題改編，考查學(xué)生“慣性概念”形成過程中關(guān)鍵認(rèn)知層級的達(dá)成情況，學(xué)生在“系統(tǒng)與推理”層級下，是否能夠按照邏輯次序以雙斜面實(shí)驗(yàn)事實(shí)推理光滑水平面上的運(yùn)動情況，以評價學(xué)生對慣性概念的理解情況；測試題2是一道易錯題，考查學(xué)生運(yùn)用“慣性概念”分析解決問題的能力.

【測試題1】如圖3所示，某同學(xué)在探究斜面阻力對鋼球運(yùn)動影響的實(shí)驗(yàn)過程中，通過某方面的實(shí)驗(yàn)操作，發(fā)現(xiàn)小球沿斜面上升的位置依次為1，2，3，由此通過推理得出的最直接結(jié)論是( )

圖3 測試題1題圖

A.小球所受阻力越小，小球沿斜面右側(cè)爬升高度越接近釋放高度

B.如果斜面光滑，小球?qū)⑸仙脚cO點(diǎn)等高的位置

C.隨著右側(cè)上升坡面傾角的減小，小球?qū)⑷匀簧仙脚cO點(diǎn)等高的位置

D.如果小球不受力，它將一直保持勻速直線運(yùn)動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)

【測試題2】如圖4所示，在一輛表面光滑的小車上，有質(zhì)量分別為m1和m2的兩個小球(m1>m2)隨車一起勻速運(yùn)動，當(dāng)車突然停止時，如果不考慮其他阻力，設(shè)車足夠長，則兩個小球( )

圖4 測試題2題圖

A.一定相碰

B.一定不相碰

C.不一定相碰

D.無法判斷，因?yàn)椴恢佬≤囘\(yùn)動方向

4.3 研究數(shù)據(jù)與分析

第1題的正答率如圖5所示.

圖5 測試題1正答率

同層次實(shí)驗(yàn)班表現(xiàn)優(yōu)于對照班，在“系統(tǒng)與推理”層級下，實(shí)驗(yàn)班基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)推理理想條件下實(shí)驗(yàn)結(jié)論的邏輯清晰程度更高，對“慣性維持物體運(yùn)動狀態(tài)”的深入理解更到位.

第2題正答率如圖6所示，該題正答率能夠體現(xiàn)出明顯的班級層次差異性，同層次實(shí)驗(yàn)班學(xué)生運(yùn)用“慣性維持物體運(yùn)動狀態(tài)，物體運(yùn)動狀態(tài)改變需要力”解決問題的能力優(yōu)于對照班.

圖6 測試題2正答率

5 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，基于認(rèn)知進(jìn)階的分層教學(xué)設(shè)計(jì)對引導(dǎo)學(xué)生“慣性概念”的形成有較好的成效，并且對提升學(xué)生運(yùn)用“慣性概念”分析解決實(shí)際問題的能力起到積極作用.