進階理論視域下高中物理問題鏈的設(shè)計

李興 陸妍

摘? ? 要：基于學(xué)習(xí)進階理論，在教學(xué)過程中教師應(yīng)該根據(jù)學(xué)生的認知和思維水平，結(jié)合學(xué)科的邏輯特點，設(shè)計一條進階式的問題鏈，從原始問題到物理模型構(gòu)建，從單一知識到大單元知識，從知識傳授到能力和思維培養(yǎng)，最后到情境遷移能力的達成，讓學(xué)生真正達到課程標準要求的學(xué)業(yè)質(zhì)量5級水平.

關(guān)鍵詞：進階理論;問題鏈;科學(xué)思維;牛頓運動定律

提出問題和解決問題是學(xué)生提升科學(xué)思維水平非常重要的手段.學(xué)習(xí)進階理論認為，學(xué)習(xí)是一種不斷積累、不斷發(fā)展的過程，學(xué)生解決問題的關(guān)鍵能力，需要經(jīng)過許多不同的“中間水平”[1]，這些中間水平稱之為“階”，不同的階對應(yīng)著不同的認知水平.根據(jù)解決的困難程度，問題可以劃分為不同的階，一個個連續(xù)的階通過問題鏈的形式，將學(xué)生淺層次的思維活動與深層次的思維活動連接起來，可以有效促進學(xué)生科學(xué)思維水平的發(fā)展.下面以“牛頓運動定律綜合應(yīng)用”為例探討進階理論視域下高中物理問題鏈的設(shè)計.

一、設(shè)計思路

（一）進階起點與終點的分析

進階起點：《普通高中物理課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課程標準》）中，學(xué)業(yè)質(zhì)量1級水平要求學(xué)生能初步了解所學(xué)的物理概念和規(guī)律，能將相關(guān)的自然現(xiàn)象和問題解決聯(lián)系起來[2].在“牛頓運動定律綜合應(yīng)用”的教學(xué)中，進階式問題鏈的設(shè)計起點可以從簡單的推或拉包裹的實際情境出發(fā)，引出物理的原始問題，這符合學(xué)生初始的認知水平.

進階終點：進階問題鏈的終點應(yīng)該是我們所期望學(xué)生能夠達到的最高水平.《課程標準》中指出：學(xué)業(yè)質(zhì)量5級水平要求學(xué)生能在新的情境中對綜合性問題進行分析和推理，獲得正確結(jié)論并做出解釋.因此進階問題鏈的終點應(yīng)該是能夠培養(yǎng)學(xué)生情境遷移能力的問題，也即“情境再入”的問題.本教學(xué)案例中的最后一個問題，將“推、拉包裹”的情境，換成“南極科考站拖運貨物”的情境，側(cè)重考查學(xué)生情境遷移的能力.

（二）進階層級的設(shè)計

根據(jù)高中學(xué)生已有的知識與技能儲備，問題鏈的設(shè)計需要確定合適的層級，層級之間的跨度不宜太大，也不宜太小.跨度太大，違背學(xué)生的認知規(guī)律，學(xué)生容易產(chǎn)生畏難情緒.跨度太小，學(xué)生的科學(xué)思維水平則得不到充分的發(fā)展.

問題鏈層級的設(shè)計，可以參照《課程標準》中學(xué)業(yè)質(zhì)量水平5個等級的劃分，將問題鏈也劃分為5個層級.其中每一個層級大致對應(yīng)著《課程標準》中的每一個水平等級.

（三）問題鏈設(shè)計模型

問題鏈設(shè)計模型如圖1所示.

二、教學(xué)實踐

（一）基于實際情境的原始問題

【原始問題】小明同學(xué)要去郵局取一個比較重的包裹，在不借助其他機械工具（繩子除外）的情況下，他怎樣做才能比較輕松地拿回他的包裹？

設(shè)計意圖：這是一個基于實際情境的原始問題，它與物理問題不同的是，原始問題沒有嚴格的限定條件，也沒有一個確定的標準答案.學(xué)生可以根據(jù)平時的生活經(jīng)驗得出不同的答案：可能是推，也可能是拉，或者是提著回來.將生活情境的實際問題作為問題鏈的進階起點，可以有效激發(fā)學(xué)生的探究熱情，適當(dāng)?shù)亟档瓦M階起點的難度.

（二）由原始問題向物理問題的進階

從原始問題向物理問題轉(zhuǎn)化，需要確定相應(yīng)的物理環(huán)境和條件，便于學(xué)生應(yīng)用物理規(guī)律解決實際問題.原始問題向物理問題轉(zhuǎn)化的過程，其實是去情境化的過程，也是物理模型構(gòu)建的過程.根據(jù)要求設(shè)計如下問題.

【物理問題】小明從郵局取回一個質(zhì)量為M的包裹，包裹與地面之間的動摩擦因數(shù)為μ ，他可以采取如圖2所示的兩種方式勻速移動包裹，一種是斜向上拉動包裹，另一種是斜向下向前推動包裹.請你通過分析，判斷哪一種方式比較省力？

設(shè)計意圖：本題是一個設(shè)置了具體參數(shù)的物理問題.與原始問題相比，問題的指向性更明確，其結(jié)果也相對確定.本題的設(shè)計便于學(xué)生構(gòu)建解決牛頓運動定律應(yīng)用問題的基本模型.

《課程標準》指出：學(xué)業(yè)質(zhì)量2級水平要求學(xué)生能在熟悉的問題情境中，利用學(xué)過的知識構(gòu)建簡單的物理模型，并解決問題.根據(jù)前面物理問題的描述，學(xué)生可以構(gòu)建出該問題的物理模型，即水平面上的物體受到恒定斜拉力作用的物理模型.根據(jù)該物理模型的解題步驟：受力分析→正交分解→據(jù)平衡條件列式求解，學(xué)生可以輕松解決問題.

（三）從單一知識向大單元知識的進階

學(xué)業(yè)質(zhì)量3級水平要求學(xué)生能夠?qū)C合性問題進行分析和推理，獲得結(jié)論并做出解釋.一個綜合性問題往往是由若干個小問題組成的，每一個小問題涉及的知識點比較單一.在“牛頓運動定律綜合應(yīng)用”教學(xué)中，我們可以將物體間相互作用規(guī)律與運動學(xué)規(guī)律結(jié)合起來，還可以從功能關(guān)系的角度解決相應(yīng)的力學(xué)問題，從而做到從單一的知識點向整個力學(xué)大單元的知識拓展進階.設(shè)計的進階問題如下.

【進階問題1】已知包裹的質(zhì)量M=10kg，包裹與水平地面之間的動摩擦因數(shù)μ=0.75，若小明同學(xué)采用如圖2甲的方式斜向上拉動包裹，且拉力與水平地面的夾角是37°，拉力F的大小為100N，小明能夠達到的最大速度為5m/s，則他最初將包裹移動10m需要多少時間？

設(shè)計意圖：本題將物體受力分析和物體的運動規(guī)律兩個板塊的知識整合成大單元知識的綜合性問題，有助于提高學(xué)生對于綜合問題的分析和推理能力.

（四）從傳授知識向關(guān)鍵能力和高階思維培養(yǎng)的進階

就具體的物理教學(xué)而言，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中除了接受、領(lǐng)會知識本身的內(nèi)容之外，還應(yīng)該主動吸收積淀在知識中的智慧、方法和思維方式.設(shè)計的問題鏈應(yīng)該從知識傳授轉(zhuǎn)向關(guān)鍵能力和高階思維的培養(yǎng).

【進階問題2】若小明同學(xué)采用了如圖2乙所示的方式推包裹，卻發(fā)現(xiàn)無論用多大的力都推不動包裹，請你分析一下產(chǎn)生這種情況的原因，并提出合理的解決方案.

設(shè)計意圖：這是一個關(guān)于摩擦角的問題，摩擦角是一個較難理解的物理問題，只有在深入了解正交分解得到的FX與FY 對摩擦力的影響之后，才能很好地解決這個問題，對學(xué)生高階思維的訓(xùn)練起到一定的積極作用.

【進階問題3】小明發(fā)現(xiàn)郵局有兩個大小不一的包裹，大包裹的質(zhì)量為M，小包裹的質(zhì)量為m ，兩包裹之間以及包裹與水平地面之間的最大動摩擦因數(shù)均為μ.如圖3所示，他將小包裹摞在大包裹上面，向左施加恒定的水平拉力F ，拉力F作用在下面的大包裹上.則小明要想順利地將包裹拉回家，他所施加的水平拉力F的取值范圍是什么？（最大靜摩擦力大小視為等于滑動摩擦力大小）

設(shè)計意圖：這是一個關(guān)于木塊—木板模型的問題，要求學(xué)生靈活使用整體法與隔離法，解決多物體的運動學(xué)問題.選擇合適的研究對象是“牛頓運動定律綜合應(yīng)用”中非常重要的一個解題策略，設(shè)計這個問題則有助于鍛煉學(xué)生正確選擇研究對象的能力.

（五）從解決物理問題向情境遷移能力培養(yǎng)的進階

前面的問題鏈設(shè)計中，學(xué)生從原始問題出發(fā)，經(jīng)歷了去情境化、構(gòu)建物理模型、大單元知識系統(tǒng)化、指向關(guān)鍵能力和高階思維培養(yǎng)的問題.僅僅這樣，仍未達到進階問題鏈設(shè)計的終點.根據(jù)學(xué)業(yè)質(zhì)量5級水平的要求，應(yīng)該設(shè)計新的情境問題，學(xué)生通過解決前面的系列問題獲得一定的方法與策略，在新的實際情境中得到充分的展現(xiàn)和應(yīng)用.

【情境遷移問題】如圖4甲所示，南極冰面上，科考隊用拖拉機借助繩索水平牽引裝有貨物的輕質(zhì)木箱，拖拉機和木箱（含箱內(nèi)貨物）受到地面給它們的摩擦阻力大小與它們和地面之間的壓力成正比，比例系數(shù)分別為μ1和μ2.已知拖拉機的質(zhì)量為M，木箱內(nèi)貨物的質(zhì)量為m，木箱的質(zhì)量不計.

問題1.拖拉機的發(fā)動機提供的牽引力至少要多大，才能移動木箱？

問題2.若發(fā)動機提供的牽引力最大功率為P，則拖拉機拉動木箱能夠達到的最大速度是多大？

問題3.如圖4乙所示，拖拉機一次拖運兩個一模一樣的貨箱（含貨物），將兩個貨箱上下摞在一起，貨箱與貨箱之間的動摩擦因數(shù)μ3=μ2 .若要成功拖運貨物，則拖拉機發(fā)動機提供的牽引力F的大小，應(yīng)該在什么范圍內(nèi)？

問題4.如圖4丙所示，若拖拉機的牽引掛鉤與木箱的掛鉤不在同一個高度上，繩子對拖拉機和木箱（含貨物）的作用力看作均經(jīng)過它們的重心位置.假設(shè)發(fā)動機牽引力的功率足夠大，卻發(fā)現(xiàn)拖拉機無論怎么加油門，都無法拖動木箱，可能是什么原因?qū)е碌模咳绾谓鉀Q這個問題？

設(shè)計意圖：問題側(cè)重考查學(xué)生的情境遷移能力.雖然是一道新情境的問題，但是核心的物理問題都是應(yīng)用牛頓運動定律解決物體的運動學(xué)問題，解決問題的思維方式和策略本質(zhì)上沒有發(fā)生變化.能夠很好地解決類似新的情境問題才能表明學(xué)生真正達到了學(xué)業(yè)質(zhì)量5級的水平，也達到了我們預(yù)期的進階終點.

三、進階式問題鏈設(shè)計的幾點原則

（一）問題必須是“真問題”

問題鏈的設(shè)計應(yīng)該指向核心目標，立足重點知識及生成過程，針對學(xué)生存在的思維障礙設(shè)計“真問題”.與“真問題”相對的是“假問題”，所謂的“假問題”是指那些答案顯而易見，學(xué)生根本不需要思考就能回答的問題.很多教師喜歡問“對不對”“是不是”等問題，這一類問題就是假問題，因為教師無法從眾多的“附和聲”中區(qū)分哪些學(xué)生是真實知道的，哪些是“濫竽充數(shù)”的.在實際教學(xué)中，教師應(yīng)該綜合考慮各種因素，盡量避免出現(xiàn)“假問題”[3].

（二）問題之間的梯度要符合學(xué)生的認知規(guī)律及思維水平

問題鏈的設(shè)計不能將若干個問題簡單地堆砌在一起，相鄰的問題之間要先后有序，有一定的遞進關(guān)系，必須符合學(xué)生循序漸進的認知規(guī)律和思維水平.設(shè)計的問題要能夠喚醒學(xué)生已有的認知，使得大多數(shù)學(xué)生“跳一跳就能摘到果實”.

問題鏈同時也是一條思維線，通過解決思維線上的各個問題，不斷驅(qū)動學(xué)生進行思考和學(xué)習(xí)的進程.這條線上問題的選擇，必須有利于學(xué)生科學(xué)思維的進階發(fā)展，這樣才能實現(xiàn)從低階思維向高階思維的轉(zhuǎn)變.

（三）問題的設(shè)置要符合物理學(xué)科的邏輯關(guān)系

問題鏈的進階結(jié)構(gòu)要符合物理學(xué)科的邏輯關(guān)系.問題鏈中可以將“物體間的相互作用規(guī)律”作為學(xué)習(xí)的起點，然后進行“物體間相互作用規(guī)律、運動規(guī)律、功能關(guān)系”等大單元系統(tǒng)知識的研究.再從掌握知識轉(zhuǎn)變?yōu)橛梦锢硪?guī)律及數(shù)學(xué)工具解決復(fù)雜的綜合性問題.最后在情境再入的問題中，達到培養(yǎng)學(xué)生情境遷移能力的目標.

（四）及時吸納學(xué)習(xí)過程中生成的新問題

學(xué)習(xí)的過程本質(zhì)上就是不斷經(jīng)歷“發(fā)現(xiàn)問題—解決問題—提出新的問題”的過程.新問題是教學(xué)過程中非常重要的教學(xué)資源.問題鏈中不能僅有教師預(yù)設(shè)的問題，還應(yīng)當(dāng)隨時吸納學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中生成的新問題.這樣可以從新的角度看待原有的問題，就能形成一個螺旋式上升的問題鏈，能夠促進學(xué)生自主構(gòu)建物理觀念和物理規(guī)律.

問題鏈既是知識探究的程序鏈，更是學(xué)生思維的觸發(fā)器[4].結(jié)合《課程標準》中學(xué)業(yè)質(zhì)量水平的等級劃分，根據(jù)學(xué)生的認知規(guī)律，設(shè)計進階式的問題鏈，可以有效地引領(lǐng)學(xué)生沿著問題的階梯去思考、去探究，達到從低階思維向高階思維發(fā)展的目標.

參考文獻：

[1]黃甫倩，常珊珊，王后雄.美國學(xué)習(xí)進階的進展及啟示[J].外國中小學(xué)教育，2015（8）：53-59.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：46-49.

[3]呂增鋒.莫讓“問題鏈”成為桎梏學(xué)生思維的“鎖鏈”[J].中學(xué)教研，2019（7）：1-3.

[4]孟勝奇.“問題鏈+學(xué)生核心活動”教學(xué)模式的研究與實踐[J].中學(xué)數(shù)學(xué)研究，2013（5）：1-2.