“五層進階式”教學模式的探索與實踐

摘 要：基于學習進階理論，在教學過程中教師應根據學生的認知和思維水平，結合學科的邏輯特點，設計“五層進階式”教學模式的問題鏈模型，從原始問題到物理模型構建，從單一知識到大單元知識，從知識傳授到能力和思維培養，最后達成情境的遷移能力，讓學生真正達成課程標準要求的學業質量5級水平.

關鍵詞：學習進階;問題鏈;平拋運動;教學模式

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）13-0028-04

基金項目：2020年浙江省桐鄉市教育科學規劃立項課題“‘牛頓運動定律中核心概念支撐及學習進階的探查與轉變”（項目編號：2020tb015）.

作者簡介：黃文俊（1981-），男，湖北荊州人，本科，中學高級教師，研究方向：新教材教學及浙江省新高考命題.

在高中物理學習中，重要的不是會做多少難題，而是學會提出問題——提出飽含科學思維水平的高質量問題.學習進階理論將科學解釋分為“初錨”“終錨”以及反映不同認知水平，通過“初錨、終錨”的中間水平的“階”，一步一個臺階地“進階”去解決問題，各個“階”以問題的形式呈現，與學生的淺層次與深層次的思維活動連接起來，搭建出符合學生認知水平的“最近發展區”，從而精準地、有效地促進學生科學思維水平的發展.本文以“平拋運動”的新課教學為例，探討基于學習進階理論的“五層進階式”教學模式的高中物理問題鏈的設計.

1 “平拋運動”學習進階的目標與路徑規劃

1.1 平拋運動學習的進階起點——初錨

1.1.1 平拋運動學習進階的“初錨”

依照課程標準（2020年修訂）學業質量1級水平要求，學生能初步了解所學的物理概念和規律，知道得出結論需要科學推理，知道質疑和創新的重要性.在“平拋運動”的教學過程中，不同水平的問題鏈設計起點可以從“扔飛鏢”或者“扔沙包”這樣的簡單又有趣的生活情境出發，這樣既可以讓學生感受物理并不遙遠，抹平物理與學生心理上的鴻溝，又能理解原始問題所需的物理知識，貼近學生初始的理解水平，從而讓教師能夠設計各個“階”需要的物理知識.

1.1.2 平拋運動學習的進階終點——終錨

學業質量5級水平是要求學生能綜合應用所學的物理知識靈活解決實際問題;能從多個視角審視檢驗結論，解決物理問題具有一定的新穎性.在平拋運動的教學過程中，問題鏈的最高層次應該是能夠培養學生不僅可以將新情境中綜合性物理問題拆解、推理和重構，并對結論提出解釋或質疑的能力.例如，在體育賽事中關于平拋運動問題的討論，或者是斜拋運動模型等，側重于考查學生對綜合性物理問題全面的思考及對證據合理性的判斷能力.

1.2 “平拋運動”學習進階層級的設計與規劃

平拋運動是人教版2019年版新教材“第五章拋體運動”的核心內容，是曲線運動的一個重要運動模型.研究平拋運動需要掌握曲線運動的條件及會判斷曲線運動物體的速度方向，掌握利用運動的合成與分解的規律來研究平拋運動的規律.其中間的進階層級跨度比較大，對中間水平或現有知識儲備的高中學生而言是有一定難度的.

因此，平拋運動的問題鏈設計需要確定合適的層級，層級之間的跨度要遵守“最近發展區”的相關理論.問題鏈的“階”的梯度設置要適當：梯度高了，違背學生的認知規律，這樣的“階”毫無意義;而梯度太小，又失去了“階”的作用，不能構成有效的問題鏈.參照課程標準中學業質量水平5個等級的劃分，本課例的問題鏈設計中，其每一個層級大致對應著課程標準中的每一個水平等級.

1.3 基于學習進階的“平拋運動”問題鏈設計模型

基于進階理論的“五層進階式”教學模式的問題鏈設計如圖1所示，依據以上對平拋運動的學習進階目標分析與重難點的層級規劃，問題鏈的層級、進階水平、表現期望的設計見表1.

2 學習進階視域下的教學實踐與對策

2.1 進階1（經驗層級）——基于實際情境的原始問題

原始問題：把物體拋出去后，其運動軌跡是什么樣的？它的速度如何變化？物體在運動過程中其受力與速度的關系是怎樣的？

設計意圖：這是一個包含很多干擾因素的生活化場景的問題，問題本身具有開放性.每個同學的生活經歷不同，得出的答案就會不同.將生活場景中的物體的運動與曲線運動知識建立聯系，將進階的“初錨”與解決問題的先行知識起點統一起來，這對降低進階起點的難度是有益的.

2.2 進階2（映射層級）——從原始的問題向物理問題的進階

將一個包含很多干擾因素的開放性問題純化為物理問題，需要一定的物理起始條件，學生將物理現象向物理問題轉化的過程中，就是排除干擾因素、提煉物理模型的過程.

物理問題：如圖2所示，在塑料瓶的底部插一根水平放置的細管，然后瓶中裝滿水，打開瓶口，水會從管口水平射出，在空中形成彎曲的細水柱，研究細水柱的軌跡.如果要調節細水柱射出點到落地點的距離，可以有哪些措施？

設計意圖：依據學業質量2級水平的要求，利用學生生活經驗，在熟悉的問題情境中構建簡單的物理模型，并解決問題.相比之下，構造的理想模型更直接指向平拋運動的特征.本問題中，調節水柱落地點遠近的問題的回答相對固定.

2.3 進階3（關聯層級）——從單一知識向單元知識進階

依據學業質量 3 級水平的要求，對綜合性問題進行分析和推理，獲取結論并作出解釋.平拋運動的教學中，我們可以利用運動的合成和分解知識，通過實驗探究尋覓水平位移與豎直位移的關系、水平速度與豎直速度的關系，探究速度與位移之間的關聯，將來還要結合多種運動、涉及功能關系并利用數學函數進行討論等，做到從單一知識向單元知識進階（考慮主要是新授課，下面進階問題暫不涉及功能關系等比較復雜的情形），其設計的進階問題如下.

進階問題1：如圖3所示，在摩托車賽道上，水平路面的前方有一個壕溝，壕溝兩側高度差為0.8m，水平間距為5m.若忽略空氣阻力，取重力加速度g=10m/s2，摩托車水平飛出的速度至少要多大才能越過這個壕溝？摩托車剛好越過壕溝時速度方向與水平方向的夾角是多大？

設計意圖：層層推進，拾級而上.教師通過進階問題1，利用運動的獨立性去理解平拋運動在互相垂直的兩個方向上的運動規律，從數學推理的角度上構建平拋運動模型，從而使學生建立完善的平拋運動模型.使得學生對平拋運動的理解更加理性，知識體系趨于完善.

進階問題2：2022年北京將迎來中國歷史上的第一次冬季奧運會.跳臺滑雪是冬奧會的傳統項目，其運動過程可以簡化成如圖4所示的模型.運動員從雪坡斜面頂端A點以不同的初速度水平飛出，分別落在斜面上B、C點，AB=BC，落到B、C點對應的起跳初速度分別為v1、v2，下落的時間分別為t1、t2，不計空氣阻力.

問題1：求兩次下落的時間之比.

問題2：求兩次落在斜面上時速度方向與斜面的夾角之比.

問題3：求兩次落在斜面上時速度的大小之比.

設計意圖：在進階問題2中，初步建立起的科學模型放置到復雜的問題情境中，尋找速度方向與位移方向之間的聯系，進而實現對知識的整合驗證與運用，有助于學生提高對復雜的平拋運動的判斷、分析和推理能力，進而建立起平拋運動的完整模型，進階實現能級提升.

2.4 進階4（系統層級）——從傳授知識轉向高階思維的進階

系統層級設計要求教師除了針對知識設計的問題鏈以外，還應具備知識轉向智慧的意識，教師對問題鏈的設計更應具備培養學生解決未知問題的關鍵能力和訓練學生的未來改造自然的高階思維的意識.

進階問題3：如圖5所示，一長木板傾斜固定放置，其傾角為53°.一彈性小球A，從與木板上端等高的位置處自由釋放（h=8m），小球落到木板上反彈時速度大小不變，碰撞后小球沿水平方向飛出，小球恰好落在木板的底端，不計空氣阻力，取g=10m/s2.

問題1：小球與木板碰撞后的飛行時間.

問題2：碰撞點到木板底端的距離.

設計意圖：通過幾何圖形尋找平拋運動的位移或速度的約束關系，從而找到問題的突破口.設計本問題的出發點是鍛煉學生結合數學知識解決問題的能力，對學生高階思維的訓練起到一定的積極作用.

進階問題4：圖6為兩個棒球均以20m/s的初速度大小被擊出后的軌跡示意圖（每一條軌跡都可視為以相等速度向相反方向做平拋運動的軌跡拼接而成），其中A、B軌跡分別對應初速度方向與水平面成60°角和30°角.假定空氣阻力不計，g=10m/s2.

問題1：兩個棒球的飛行時間之比.

問題2：軌跡A、B最高點距離地面的高度之比.

問題3：軌跡A、B對應棒球的水平射程之比.

設計意圖：在知識上使學生對平拋運動的模型理解更為深邃，能力上不僅學會處理平拋模型，還了解斜拋運動的處理思路，達到知識能力的進階，這個構建過程不僅是知識的拓展，更是學生科學思維能力和核心素養水平的提升.

2.5 進階5（整合層級）——從解決物理問題向實際情境遷移

經歷了水平1到水平4的問題鏈，學生從經驗出發，經歷去情境化、搭建理想模型、使知識大單元化、逐漸指向關鍵能力和高階思維培養等層層進階問題.但僅僅這樣，思維水平或核心素養的能力仍未達到進階問題鏈設計的“終錨”.學生利用之前系列問題習得的方法與策略，將解決問題的能力在未知的新的實際情境中展現，這樣學業質量水平才能達到學業水平5.

知識體系整合：壘球練習機是一個很好的輔助練習者練球的工具.圖7為練球機的實物圖，圖8為圖7的簡化示意圖.設球桌面ABCD的AB邊長為L1，BC邊長為L2，球網JK位于桌面的正中間，網高為h.發球機簡化為EF，其中E點固定在AB邊的中點，F點為壘球發射點，EF 始終保持豎直于AB，高度為H（可調）.壘球看成質點，每次均從F點水平發射，發射方向可以在水平面內任意調整.不計空氣阻力和周圍環境對壘球運動的影響，若球擦網而過時不計球和網之間的相互作用，不考慮壘球的旋轉.

問題1：要讓壘球能越過球網，求最小發射速率.

問題2：壘球的發射速率超過多少時，壘球一定會落在邊界CD之外.

問題3：調整H和h的高度，若球以垂直于AB邊的方向發射能夠擦網而過后直接落到CD邊上，是否能適當調整發射方向，只要是落在CD邊界上的球一定是擦網而過.

設計意圖：新情境問題側重于考查從具體的情境剝離干擾因素，建構平拋運動模型，并綜合考慮各種約束因素的綜合分析問題的能力.高中生很多都有在游樂場游戲中獲取經驗的類似經歷.解決這個問題的核心思維方式和策略與平拋運動模型，并沒有什么區別，但實際上，壘球機還涉及游戲規則和部分空間幾何知識.完成這樣對科學思維水平有很高要求的新情境問題，才能表明學生達到學業水平5，到達預期進階的終點.

3 進階難點的突破與核心素養的發展

問題鏈設計的中心工作，應該是時時刻刻指向知識的重難點，真真切切地立足于方法策略的持續生成，全力為解決學生存在的思維障礙設計“真問題”.

3.1 克服經驗思維，促進科學思維發展

平拋運動是學生們接觸的第一個曲線運動模型，與直線運動的處理方法有很大的不同，因此平拋運動的教學重難點是克服直線運動教學的經驗思維，幫助學生們在心理上接受并運用運動的獨立性和等時性來學習處理平拋運動問題.

在面對二維的平拋運動問題時，學生們往往會依據生活經驗作出判斷，為了打破學生的經驗思維，可以通過“觀察傳統實驗進行猜想并作出假設—通過實驗主動探究、分析實驗中存在的誤差—得出規律”，利用科學探究過程培養學生的觀察能力，進而提升學生的邏輯思維能力，讓學生在探究中逐漸形成實事求是的科學態度，最終促進學生的物理科學思維水平的提升.

3.2 關鍵概念理解，促進迷思概念轉變

在平拋運動的教學中，各個不同的進階層級中都有對應的學生普遍表現出來的迷思概念，教師通過多角度考慮設計進階變量，幫助學生扭轉迷思概念.

例如，將物體水平拋出，根據其規律可以推導物體運動的速度方向與位移的方向之間是有關系的，不過很多同學在學習時，往往沒有意識到這一點.為此，教師可以設計以下場景：第一，不同速度平拋的物體都落在水平面上;第二，不同速度平拋的物體都落在斜面上;第三，不同的物體一個落在斜面上，一個落在水平面上.

能回答出問題1的同學，一定會認為“初速度不同的平拋物體，其終點速度肯定不同”這個觀點的正確性;繼續看問題2，他會繼續按照問題1的規律來判斷，這時就會出現錯誤的答案.這就說明該學生的關鍵概念出現了偏差，這時再講授位移的方向和速度方向之間的關系，效果就會好很多.然后，再拋出問題3，這時學生就會考慮位移的方向是否一樣，從而去找速度的方向關系.至此，順利突破關鍵概念，促進學生迷思概念的轉變.

教師預設的問題、學生學習過程中隨時可能產生的新問題（生成性問題）都應該是問題鏈中的一環，這樣持續用力推動新老問題的聯系，有效地推進學生自主構建物理模型，最終形成物理觀念.進階目標應是圍繞關鍵能力和核心思維設置的，問題鏈的設計要多層次地設計進階變量，而不僅僅是為了達到上級部門學業考核的知識維度的進階要求.

3.3 科學思維構建，促進核心素養形成

通過逐級進階的學習，學生構建了平拋運動模型實現了物理觀念的提升，能夠運用運動分解的方法，處理一般的平拋運動問題.教師可以通過創設不同的實際情境，通過逐級進階幫助學生更好地整合科學概念，促進學生物理觀念和科學思維的形成.通過貼近生活的體育比賽，如排球、網球等，排除干擾背景因素，提煉物理模型，結合比賽規則建立處理問題的思路，論證計算結果是否合理，甚至在將來學習能量、動量之后需要綜合考慮的復雜局面.

4 結束語

在整個平拋運動的學習過程中，從學生已有的知識經驗出發，運用進階理論設計“五層進階式”教學模式的問題鏈，形成環環相扣的問題，達成對概念逐“階”的建構，在解決問題鏈的過程中學生的科學思維能力得到逐漸提升.通過構建學習進階，較好地呈現概念的發展進程，這樣既符合學生的認知發展規律，也可以促進科學素養的發展.實踐證明，通過學習進階下的問題鏈教學，深化了學生的運動觀念、科學思維及科學探究能力，促進了學生的物理學科核心素養發展.

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017 年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2021.

[2]姚建欣，何春生.基于學習進階的中學物理教學改進研究：機械運動與力[M].北京：北京師范大學出版社，2020.

[3]郭玉英，姚建欣.基于核心素養學習進階的科學教學設計[J].課程·教材·教法，2016，36（11）：64-70.

[4]李興，陸妍.進階理論視域下高中物理問題鏈的設計——“牛頓運動定律綜合應用”教學的探索[J].教學月刊·中學版（教學參考），2021（Z1）：84-87.

（收稿日期：2021-05-05）