卡干結(jié)構(gòu)法培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)教學(xué)研究

冼景連　袁勇

摘 要：以“超重和失重”一節(jié)課為例，通過卡干結(jié)構(gòu)法合作學(xué)習(xí)與傳統(tǒng)講授式課堂教學(xué)的對比實驗研究，發(fā)現(xiàn)采用卡干結(jié)構(gòu)法合作學(xué)習(xí)能促使學(xué)生主動學(xué)習(xí)，親歷科學(xué)思維和科學(xué)探究過程，特別是有利于培養(yǎng)學(xué)生的推理論證和解釋交流能力，是形成學(xué)生核心素養(yǎng)的有效教學(xué)方法.

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);卡干結(jié)構(gòu)法;合作學(xué)習(xí);超重和失重;實驗研究

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）07-0012-05

作者簡介：冼景連（1984-），女，廣東人，本科，中學(xué)一級教師，研究方向：合作學(xué)習(xí)與核心素養(yǎng);

袁勇（1972-），男，內(nèi)蒙古人，碩士，中學(xué)正高級教師，研究方向：合作學(xué)習(xí)與核心素養(yǎng).

20世紀(jì)70年代合作學(xué)習(xí)在美國興起，至今已有50多年，合作學(xué)習(xí)是大家通過共同工作來促進自己和他人學(xué)習(xí)效果最大化的一種教學(xué)方式[1].卡干結(jié)構(gòu)法合作學(xué)習(xí)是現(xiàn)在國際上流行的合作學(xué)習(xí)法， 是由曾任美國加州大學(xué)心理學(xué)和教育學(xué)卡干教授（ Spencer Kagan ）提出的，卡干合作學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)法是一種旨在促進合作學(xué)習(xí)和主動投入的教學(xué)方法，能指導(dǎo)學(xué)生在課堂上交互學(xué)習(xí).卡干提出了一個著名的公式：結(jié)構(gòu)+內(nèi)容=活動.“結(jié)構(gòu)”是一種教學(xué)策略，它描繪學(xué)生如何與教師、同伴和內(nèi)容之間的相互作用.教師只需把特定的教學(xué)內(nèi)容鑲嵌到合作學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)中，就能有效開展合作學(xué)習(xí)[2].筆者經(jīng)過大量的理論與實踐研究，發(fā)現(xiàn)把卡干結(jié)構(gòu)法應(yīng)用于我國大班額下的合作學(xué)習(xí)課堂教學(xué)能取得非常好的教學(xué)效果，學(xué)生的表現(xiàn)常常令教師感到驚喜.

課題研究以人教版（2019）高中《物理（必修1）》中“超重和失重”為例開展卡干結(jié)構(gòu)法合作學(xué)習(xí).以往情況下，我們多采用傳統(tǒng)的“講授式”教學(xué)，但其課堂教學(xué)效果一般，學(xué)生被動地學(xué)習(xí)，沒有親歷合作探究的過程，難改變學(xué)生的一些認(rèn)知誤區(qū)，難形成物理觀念，不利于培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng).然而，采用卡干結(jié)構(gòu)法合作學(xué)習(xí)，學(xué)生主動學(xué)習(xí)，教學(xué)效果顯著.課前讓學(xué)生自己站到體重計上體驗超重和失重現(xiàn)象，形成學(xué)習(xí)報告，并在小組內(nèi)匯報、討論交流、分享、評價，初步認(rèn)識超重和失重現(xiàn)象.通過觀察和分析電梯內(nèi)的超重和失重現(xiàn)象，學(xué)生經(jīng)歷了觀察、質(zhì)疑、思考、合作、交流、歸納、建構(gòu)、評價等過程，強調(diào)學(xué)生的分析過程和運用牛頓運動定律解決問題，有利于促進學(xué)生對超重和失重現(xiàn)象的理解和內(nèi)化，培養(yǎng)學(xué)生分析推理的科學(xué)思維和解釋交流的科學(xué)探究能力，由實現(xiàn)“解題”向解決“問題”的教學(xué)功能轉(zhuǎn)變.

1 研究方案的設(shè)計

1.1 研究假設(shè)

（1）卡干結(jié)構(gòu)法合作學(xué)習(xí)比傳統(tǒng)講授式課堂教學(xué)更能促進學(xué)生對“超重和失重”概念內(nèi)涵的理解與內(nèi)化.

（2）卡干結(jié)構(gòu)法合作學(xué)習(xí)比傳統(tǒng)講授式課堂教學(xué)更能培養(yǎng)學(xué)生推理論證的科學(xué)思維能力和解釋交流的科學(xué)探究能力[1].

1.2 研究變量

教學(xué)方法以“卡干結(jié)構(gòu)法合作學(xué)習(xí)”和 “傳統(tǒng)講授式”為自變量，教學(xué)效果以“超重和失重”物理概念內(nèi)涵的理解與內(nèi)化、推理論證和解釋交流素養(yǎng)為因變量，控制學(xué)生、授課教師、前后測答題時間和評價標(biāo)準(zhǔn)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)時間等不變.

1.3 研究對象

選取廉江市第一中學(xué)高一年級兩個同層次班（人數(shù)、男女比例、合作技能、成績等相差較小）進行實驗，高一（11）班采用卡干結(jié)構(gòu)法合作學(xué)習(xí)（實驗班）;高一（6）班采用講授式課堂教學(xué)（對比班）.

1.4 教學(xué)效果檢測

1.4.1 分析課前、課后測試情況

根據(jù)研究假設(shè)，精心設(shè)計前測和后測試卷.前測試卷中主要是測試學(xué)生學(xué)習(xí)超重與失重需要的一些儲備知識，如學(xué)生能否正確判斷運動類型、速度和加速度的方向，是否能熟練對物體進行受力分析，能否判斷加速度的方向與合力的方向的關(guān)系及合力與分力間的關(guān)系，能否應(yīng)用牛頓運動定律解決問題.以及學(xué)生頭腦中對超重和失重現(xiàn)象的前概念，獲得實驗班與對比班的儲備知識情況.課后測試卷主要是測試學(xué)生對超重和失重物理內(nèi)涵的理解與應(yīng)用情況等.

1.4.2 課堂觀察量表

結(jié)合研究，設(shè)計課堂觀察量表，并讓一位老師進課堂觀察學(xué)生的表現(xiàn)，用以說明實驗班和對比班培養(yǎng)的效果，進一步驗證我們的研究假設(shè).

1.4.3 調(diào)查問卷

編制調(diào)查問卷，對比兩個班的調(diào)查結(jié)果，用以論證“研究假設(shè)”.

1.5 教學(xué)過程

1.5.1 前測試卷分析

根據(jù)本節(jié)課的內(nèi)容和學(xué)生情況編制好前測試卷，利用上課前兩天的早讀時間同時在兩班發(fā)放前測試卷，要求學(xué)生10分鐘內(nèi)獨立完成測試卷.批改分析后可知，高一（11）班（實驗班）的平均分是6.185分，而高一（6）班（對比班）的平均分是6.5分，6班比11班高0.315分.兩個班91%的學(xué)生對速度和加速度方向判斷正確，設(shè)計學(xué)習(xí)任務(wù)時可以讓學(xué)生根據(jù)運動信息去判斷加速度和速度的方向.89.7%的學(xué)生會畫出人受到的重力和支持力，78.3%的學(xué)生判斷合力方向是豎直向上的，但38.5%的學(xué)生不會判斷支持力和重力的大小關(guān)系，錯誤認(rèn)為支持力等于重力（二力平衡），這是受前面平衡條件的影響，教師讓學(xué)生合作探究前應(yīng)該著重糾正這一錯誤思維，否則學(xué)生很難探究出超重和失重的物理內(nèi)涵.78%的學(xué)生會根據(jù)牛頓第二定律求解支持力.第二題考查學(xué)生對超重和失重現(xiàn)象的前概念，一般學(xué)生對超重、失重現(xiàn)象的理解都是直接照搬教材中的定義，或者是生活中的說法，如這個小伙子12歲，身高1.5米，質(zhì)量是100公斤，他“超重”了;這輛汽車規(guī)定載重5噸，現(xiàn)在實際拉10噸，它“超重”了……而失重的現(xiàn)象在生活中比較少見，幾乎沒有學(xué)生能正確回答.這說明上課前學(xué)生對超重、失重現(xiàn)象的認(rèn)識和了解不多.

從以上測試結(jié)果可知，學(xué)生所具備的知識儲備很好，幾乎都沒有預(yù)習(xí)“超重和失重”這節(jié)課，不知道超重和失重的本質(zhì)是什么.筆者針對前測情況和多年的教學(xué)經(jīng)驗，在兩個班分別采用講授式和合作學(xué)習(xí)模式來理解、內(nèi)化超重和失重的概念及物理內(nèi)涵，并重點培養(yǎng)和提升學(xué)生的推理論證和解釋交流素養(yǎng)等，期盼驗證實驗研究假設(shè).

1.5.2 卡干結(jié)構(gòu)法合作學(xué)習(xí)（實驗班）教學(xué)實踐

在所教的高一（11）班采用卡干結(jié)構(gòu)法合作學(xué)習(xí)方法授課.

（1）用“個人體驗—小組交流—分享法”體驗超重和失重現(xiàn)象

上課的前一天發(fā)前置性自主合作探究學(xué)習(xí)清單給學(xué)生，要求學(xué)生站到體重計上體驗超重和失重現(xiàn)象，形成學(xué)習(xí)報告，并在小組內(nèi)匯報、討論交流、分享，小組長負(fù)責(zé)評價.課堂上教師隨機抽查兩個小組的代表匯報本組的研究結(jié)果，初步認(rèn)識超重和失重現(xiàn)象.

（2）用“配對實驗法[3]”觀察彈簧測力計中超重與失重現(xiàn)象

教師先演示掛著重物的橡皮筋突然上升和下降，讓學(xué)生通過觀察橡皮筋的形變，引導(dǎo)學(xué)生分階段觀察，明確觀察的過程，直觀獲得對拉力變化的認(rèn)識.然后，小組內(nèi)兩人配對把兩個鉤碼串起來，掛在彈簧測力計下面.1號同學(xué)拉著掛著鉤碼的彈簧測力計在豎直方向上先加速向上，再勻速向上運動，后減速向上運動，2號同學(xué)紀(jì)錄觀察彈簧測力計的示數(shù)變化;然后角色互換，2號同學(xué)操作，1號同學(xué)紀(jì)錄觀察;而3和4號同學(xué)與1和2號分工類似，讓掛著鉤碼的彈簧測力計在豎直方向上先向下加速運動，再勻速向下后減速向下運動.學(xué)生討論得出實驗結(jié)果，教師隨機抽查某一組學(xué)生匯報，全班分享.

（3）使用“目標(biāo)協(xié)同結(jié)構(gòu)法”分析推理超重和失重的條件和本質(zhì)

高一（11）班依據(jù)異質(zhì)分組原則，全班分成13個合作小組，每組4人，其中兩個物理課代表所在的組是5人.每一基組內(nèi)有一位小組長，4人分別編號為1、2、3、4號（課代表是0號）.

教師播放課前錄制好的電梯臺秤示數(shù)變化的視頻，讓學(xué)生注意觀察在電梯運動的不同階段中臺秤（或彈簧測力計）的示數(shù)，思考哪個階段處于超重狀態(tài)，哪個階段處于失重狀態(tài)，并紀(jì)錄討論.

總結(jié)得出：當(dāng)電梯加速上升和減速下降時是超重，而加速下降和減速上升時是失重，物體是處于超重狀態(tài)還是失重狀態(tài)與運動速度方向沒有關(guān)系，而與加速度方向有關(guān).

教師先以勻速上升運動過程為例分析，引導(dǎo)同學(xué)從運動情況判斷速度方向和加速度方向，由加速度方向判定合外力方向，由牛頓第二定律得到FN與G的大小關(guān)系，從而判斷物體的狀態(tài)是超重還是失重.小組內(nèi)按編號在5分鐘內(nèi)獨立分析研究一種運動狀態(tài)（共有4種，分別為加速上升、減速上升、加速下降、減速下降）的情況，見表1.同號同學(xué)聚集在一起組成專家組，組內(nèi)互相核對結(jié)果、解釋、交流，直到意見相同，確保每個同學(xué)都弄懂自己負(fù)責(zé)的這一運動狀態(tài)的探究，如有不懂的問題可求助老師和其他同學(xué).專家組合作學(xué)習(xí)5分鐘后回到原來的小組，輪流給其它三位同學(xué)講解自己負(fù)責(zé)的問題，講前預(yù)留10秒，讓其他同學(xué)思考.講解結(jié)束后，全組一起討論得出結(jié)論.教師抽查4個不同號同學(xué)匯報不同的問題，如1號同學(xué)匯報解釋4號問題，2號同學(xué)匯報1號問題等.其它組成員隨時可以提出質(zhì)疑和不同觀點，并在全班公開討論交流.經(jīng)過全班同學(xué)的互動和教師的引導(dǎo)總結(jié)，得到超重和失重現(xiàn)象的物理內(nèi)涵，也懂得使用牛頓運動定律分析解決超重失重問題.

最后10分鐘發(fā)放課后檢測試卷進行檢測，以檢驗教學(xué)效果.

根據(jù)事先設(shè)計的觀課量表，邀請一位研究團隊成員進入課堂，針對研究假設(shè)記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)行為，為進一步論證實驗假設(shè)做佐證.

1.5.3 傳統(tǒng)講授式（對比班）課堂教學(xué)實踐

在所教的高一（6）班采用傳統(tǒng)講授方式上課.

首先，教師根據(jù)前測中同學(xué)們所提到的生活中的超重和失重事實和現(xiàn)象來導(dǎo)入新課，主要用語言描述超重和失重的定義及產(chǎn)生超重和失重現(xiàn)象的條件.

然后，教師先用掛著鉤碼的橡皮筋演示超重與失重現(xiàn)象，再把鉤碼掛在彈簧測力計下演示.學(xué)生可獲得直觀形象的拉力變化的感性認(rèn)識.但由于彈簧測力計示數(shù)變化很快，而且彈簧測力計拉著重物上升過程和下降過程并不是單一的加速或減速過程，教師是一人在講臺上演示，學(xué)生只能坐著遠距離觀察，可能觀察到指針只是上下動了一下，搞不清示數(shù)是怎么樣變化的，也難以和運動結(jié)合起來思考問題.特別是坐在后面的同學(xué)可能什么也看不到，感覺特別亂，覺得無趣，也就不關(guān)心老師講什么.教師觀察到此演示實驗效果不理想，就總結(jié)了一下實驗現(xiàn)象，分析了鉤碼在上升和下降過程分別經(jīng)歷的運動過程及不同過程中指針的示數(shù).

接著，教師播放了課前錄制好的學(xué)生在體重計上突然下蹲和站起來的視頻，讓學(xué)生感受到超重和失重現(xiàn)象.隨后，教師播放電梯的視頻，并逐個分析四種運動狀態(tài)（分別為加速上升、減速上升、加速下降、減速下降）的運動類型、受力情況，根據(jù)牛頓運動定律得到超重和失重的實質(zhì)等.

教師清楚地把本節(jié)課知識用例題講完，還做了三道相關(guān)的習(xí)題.學(xué)生主要是被動地聽、做筆記，整節(jié)課都按著教師預(yù)設(shè)的思路進行，學(xué)生沒有深入思考和討論，知識難以內(nèi)化.教師在30分鐘內(nèi)輕松地完成了本節(jié)課的講授，最后10分鐘進行課后檢測.

2 實驗研究的結(jié)果及分析

2.1 課前、課后測試對比分析

卡干結(jié)構(gòu)法合作學(xué)習(xí)比傳統(tǒng)講授式課堂教學(xué)更能促進學(xué)生對超重和失重物理內(nèi)涵的理解與內(nèi)化.

按既定評分標(biāo)準(zhǔn)，由同一老師批改課前測、課后測試卷，獲得兩班的測試結(jié)果見表3.

本節(jié)教學(xué)由同一老師授課，授課內(nèi)容相同.由前測可知，實驗班比對比班平均分低0.31分.后測顯示，11班比6班平均分高1.5 分，相對增加1.81分，按百分比計算可得，實驗班相對增加18.1分.通過以上對比分析可知，卡干結(jié)構(gòu)法合作學(xué)習(xí)比講授式的教學(xué)方法效果顯著，合作學(xué)習(xí)更能提高同學(xué)們對超重和失重的理解和內(nèi)化.

2.2 課堂觀察對比分析

卡干結(jié)構(gòu)法合作學(xué)習(xí)比傳統(tǒng)講授式教學(xué)更能促進培養(yǎng)學(xué)生分析推理的科學(xué)思維和解釋交流素養(yǎng).

觀察學(xué)生學(xué)習(xí)過程可知，高一（11）班（實驗班）學(xué)生通過卡干結(jié)構(gòu)法的合作學(xué)習(xí)，根據(jù)預(yù)先設(shè)計的任務(wù)清單，歷經(jīng)分析推理過程，在專家組互相學(xué)習(xí)，在基組教授別人，學(xué)生積極性高，合作學(xué)習(xí)活躍.責(zé)任到人、分工明確，積極互助，都在努力尋找超重與失重的條件與物理內(nèi)涵.在專家組和基組內(nèi)的互教、質(zhì)疑和交流充分、活躍，幾乎全班同學(xué)都進行解釋交流和討論.上講臺匯報的同學(xué)語言表達能力強、條理清晰，師生互動和生生互動特別多.學(xué)生是主動、合作和體驗式學(xué)習(xí)，學(xué)后教別人，學(xué)生能充分經(jīng)歷動手實驗、推理論證過程和解釋交流過程，能促進推理論證和解釋交流素養(yǎng)的培養(yǎng).

教師在高一（6）班（對比班）直接講授超重和失重現(xiàn)象及形成的條件，學(xué)生被動地聽、做筆記，少量的師生互動是一問一答.課堂死氣沉沉，缺乏活力，學(xué)生是被動學(xué)習(xí)，缺少交流過程和推理論證過程，缺乏深度學(xué)習(xí)，很難在大腦中留下印象，不利于分析推理和解釋交流素養(yǎng)的培養(yǎng).

2.3 結(jié)論

通過實驗班和對比班前后測、課堂觀察等一系列實驗對比分析表明，采用卡干結(jié)構(gòu)法合作學(xué)習(xí)比采用傳統(tǒng)講授式教學(xué)明顯促進了學(xué)生對超重和失重的理解及內(nèi)化，能有效促進學(xué)生推理論證和解釋交流的科學(xué)探究能力的培養(yǎng).

3 總結(jié)與反思

本節(jié)課的合作學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)計是在合作學(xué)習(xí)理論與實踐研究基礎(chǔ)上精心設(shè)計，在分析推理、解釋交流環(huán)節(jié)設(shè)計上很好地體現(xiàn)了合作學(xué)習(xí)的基本要素，能保證小組合作時積極互助、責(zé)任到人、平等參與和同時互動，與傳統(tǒng)講授式教學(xué)設(shè)計不同，關(guān)系到實驗研究的顯著性.設(shè)計時應(yīng)注意以下幾點.

3.1 前測與后測題的設(shè)計影響實驗測量的有效性

前測試題主要檢測學(xué)生的課前是否已經(jīng)儲備了相關(guān)的知識，以及學(xué)生頭腦中已經(jīng)形成了哪些前概念，會促進或阻礙本節(jié)課內(nèi)容的學(xué)習(xí).學(xué)生易錯誤認(rèn)為超重就是物體的重力增大、失重就是重力減小，或者認(rèn)為超重就是超過原來應(yīng)有的體重等.設(shè)計合作學(xué)習(xí)任務(wù)應(yīng)根據(jù)前測反映的問題設(shè)計.后測試題要檢測教學(xué)干預(yù)后學(xué)生對原有錯誤認(rèn)知的轉(zhuǎn)化情況，還要檢測兩種教學(xué)方法干預(yù)的顯著性.所以，合理地設(shè)計前測和后測試題非常重要.

3.2 預(yù)測學(xué)生可能遇到的各種情況，制定好應(yīng)對措施

課前錄制體重計上體驗超重和失重現(xiàn)象是本節(jié)課的前置性合作任務(wù)，需要在課前一天布置任務(wù)給學(xué)生，給學(xué)生體驗及合作的機會.考慮有部分學(xué)生不去找體重計或者找不到體重計體驗，最好在課前拍攝一人分別在指針式和數(shù)字式體重計上突然下蹲或突然起立的視頻，可在課堂上播放.從視頻上可清晰看到當(dāng)人突然下蹲或起立時，體重計的示數(shù)是變化的，由于過程很快，很難看清具體是怎么變化的，但可以看到體重計的示數(shù)是變化的，不是總等于人的體重的.這種學(xué)生親身體驗跟前概念里的超重和失重不一樣，對超重和失重現(xiàn)象的理解和內(nèi)化有很大幫助.

3.3 合理設(shè)計合作任務(wù)，讓學(xué)生便于觀察、思考

（1）課前改裝好彈簧測力計.把橡皮筋套進測力計的刻度盤的兩端，在橡皮筋上夾上兩片紅色的硬紙片（或是方形泡沫），指針在兩紙片之間.當(dāng)指針上移時上面的紙片會上移，指針下降時會推動下面的紙片下移.這樣做便于觀察彈簧測力計的指針變化情況，也可以紀(jì)錄指針上升或下降的最大示數(shù).

（2）由于生活中的失重和超重現(xiàn)象的過程一般很快，而本節(jié)課選取課前拍攝的不同運動情況下的電梯中臺秤（彈簧秤）的示數(shù)的視頻，把失重和超重的過程“延長”，學(xué)生可以“慢”下來觀察5種不同過程的視重，把示數(shù)和運動過程結(jié)合在一起分析.這就要求拍攝的電梯上升或下降的樓層應(yīng)不少于4層.

3.4 異質(zhì)分組、明確分工有利于開展合作學(xué)習(xí)

根據(jù)異質(zhì)分組原則分配任務(wù)和合作，按編號分配學(xué)習(xí)任務(wù)，公平、明確，共同參與.而同號同學(xué)互相核對結(jié)果、解釋和交流，互相幫助，確保每個同學(xué)都弄懂.專家組合作學(xué)習(xí)后回到原來的基組，每位同學(xué)講解，平等的、充分的交流和展示，以最大地發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和能動性，由于學(xué)生大部分的時間都在親歷分析推理、解析交流的過程，有利于促進學(xué)生對超重和失重現(xiàn)象的理解和內(nèi)化，培養(yǎng)學(xué)生分析推理的科學(xué)思維和解釋交流的科學(xué)探究能力.

參考文獻：

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（收稿日期：2021-02-05）