關注學習進階的高中物理教學研究

［摘 要］《義務教育課程方案（2022年版）》對學習進階性提出了明確的要求，并給出實現學習進階的具體措施。廣大物理教師應根據此課程方案的要求，采取有效的教學措施，以促進學生的學習進階。高中物理教師可在活用教材資源、厘清教學內容的基礎上，設計恰當的論證活動，讓學生在活動中實現學習進階，同時發展科學思維，提升科學探究能力。文章以“曲線運動”的教學為例，探討關注學習進階的高中物理教學。

［關鍵詞］學習進階；高中物理教學；曲線運動

［中圖分類號］" " G633.7" " " " " " " " ［文獻標識碼］" " A" " " " " " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2024）35-0048-04

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》從以下兩個方面作了進一步的優化：（1）精選學科內容，重視以學科大概念為核心，使課程內容結構化；（2）以主題為引領，使課程內容情境化，促進學科核心素養的落實[1]。《義務教育課程方案（2022年版）》對學習進階性提出了明確的要求：加強課程一體化設計……體現學習目標的連續性和進階性[2-3]。從上述物理課程標準的變化和義務教育課程方案對學習進階性的要求可以看出：高中物理教師應當整合學科內容，以學科大概念為核心，靈活運用大概念并使學科內容結構化，進而引導學生解決情境化的實際問題。在實際教學中，教師應重點關注學生學習的進階性。為此，教師應從整體上把握，確保學生的學習目標既具有連續性，又體現進階性。為實現這一教學目標，教師還應當制定既有序進階又可測可評的學生學業質量標準，用以衡量學生的學習情況。在具體教學中，教師可以采取以下措施：1.設計學習進階與論證活動表，以便在教學中有效落實；2.設計恰當的教學活動，引導學生動腦思考、動手操作；3.在教學活動完成后，引導學生進行理論分析，以加深對相關物理概念和規律的理解。現以“曲線運動”的教學為例做進一步的分析探討。

一、學習進階與論證活動分析

北京師范大學郭玉英教授及其團隊對概念學習進階與科學論證進行了長期深入的研究，并取得了豐碩成果。他們提出了“整合式學習進階”理念，并建構了相應的整合式進階理論框架圖，該框架圖將科學概念的理解發展層級模型與奧斯本構建的科學論證能力發展進階表現框架進行整合[4-5]，為關注學生學習進階的高中物理教學提供借鑒。

基于學情的進階分析是開展進階學習的前提條件，進階分析要確定階段性的學習目標和相對應的表現期望。科學概念的學習進階水平包括經驗、映射、關聯、系統、整合五個層級。在“曲線運動”的教學中，教師應引導學生對曲線運動產生感性認識，再通過概念的學習進階，深化學生對曲線運動的理解，實現學生從經驗性認知到科學性認知、從碎片化認知到結構化認知的轉變。在概念學習進階的過程中，學生參與科學論證活動，有效提高對概念的認識。教師可將科學論證進階和概念學習進階相結合，將科學概念的理解發展層級模型和科學論證能力發展進階表現框架進行整合，開發并優化論證表（見表1），有效開展曲線運動教學。

二、教學片段分析

在“曲線運動”的教學中，筆者設計了以下情境化教學活動——學生論證活動，現簡要分析如下。

（一）論證活動1

教師首先播放嫦娥五號發射視頻，再展示其運動軌跡圖片，引導學生觀察。接著，鼓勵學生列舉生活中類似的曲線運動實例，并引導歸納共同特征。最后，教師總結提煉出曲線運動的定義。

驅動問題：直線運動和曲線運動有什么不同？

學生可能的回答1：運動軌跡不同。

學生可能的回答2：直線運動的方向和軌跡在同一直線上；曲線運動的方向不斷變化。

設計思路：通過對比直線運動和曲線運動，引導學生用直線運動知識理解曲線運動。學生先認識直線運動方向和軌跡在同一條直線上，再結合曲線運動軌跡的特點，推斷曲線運動的方向不斷變化。本階段教學促進學生對曲線運動概念的認識從經驗轉向映射，并使他們學會尋找描述曲線運動的核心物理量——速度。經過這一階段的學習，學生具備了初級論證能力。

（二）論證活動2

任務一：顯化曲線運動方向。

驅動問題1：做曲線運動的物體，其運動方向一直在變，大家能不能設計一個實驗來顯示曲線運動的方向——也就是速度方向？

學生可能的回答1：用手機拍照、錄像。

學生可能的回答2：采用描點法。

教師首先展示一套自制的教具——曲線槽裝置（如圖1），其由編號從1至6的可拆卸木板拼裝而成。接著，讓沾有印泥的小球沿ABCD進入曲線軌道。小球在曲線槽的約束下運動，其中A、B、C、D為小球運動軌跡的四個特殊位置，A、B、C為小球在編號為36、25、14的木板所形成的曲線槽部分的右端點，而D則為小球在編號為14的木板所形成的曲線槽部分的左端點。

驅動問題2：小球離開曲線槽后做什么運動？

學生可能的回答：做直線運動。

驅動問題3：小球做直線運動的方向取決于什么？

學生可能的回答：小球從軌道出來時的速度方向。

驅動問題4：要想知道小球在經過軌道端口時的速度方向，只需要看什么？

學生可能的回答：小球離開軌道端口做直線運動的方向。

驅動問題5：如何獲得小球通過C點的速度方向？

學生可能的回答：讓小球從C點離開軌道。

實驗觀察：把1、4兩塊板子拿開，觀察小球經過C點的速度方向。

設計思路：通過驅動問題，引導學生用“留跡法”顯化曲線運動軌跡，觀察小球脫離軌道后的直線運動方向來描述其經過軌道口的速度方向。在驅動問題的引導下，學生提出觀點并用實驗證據論證，初步達到中級B論證水平。

任務二：驗證圓周運動的速度方向。

驅動問題6：小球從軌道端口出來后的直線印跡與在軌道中運動的印跡有沒有什么聯系？

學生可能的回答：相切。

驅動問題7：有沒有辦法驗證“小球的速度方向就是曲線的切線方向”？

學生小組合作，討論設計實驗方案。

學生可能的回答1：不知道曲線的切線是什么，不知道怎樣設計。

學生可能的回答2：初中只學過圓的切線，不知道怎樣設計實驗。

學生可能的回答3：如果物體的運動軌跡是圓，可以設計實驗方案進行驗證。

教師展示圓形槽裝置（如圖2），請學生利用相關實驗器材設計實驗方案，驗證做圓周運動的小球其速度方向是否為軌跡圓的切線方向。隨后，請學生闡述驗證過程，并完成實驗。

學生先取下可拆卸的圓形木板，畫出圓心和小球經過圓形槽端口中間點的連線，確定半徑方向，然后過中間點作出垂線（如圖3），該垂線即為小球經過端口的切線方向。通過對比小球的運動軌跡和所作出的切線是否重合，得出結論：做圓周運動的小球，其速度方向是軌跡圓的切線方向。

設計思路：通過多次實驗，比較小球在多個不同位置的速度方向與直線運動速度方向的差異，以增強學生的實驗體驗。在運用映射、關聯層級的知識時，學生能夠針對特殊曲線運動的方向的驗證問題，按要求設計方案，提出觀點，并用實驗證據、推理加以支撐，從而實現對關聯層級知識的理解，初步達到中級B論證水平。

任務三：曲線運動速度方向的理論推導。

曲線運動包括圓周運動和一般曲線運動。圓周運動作為特殊的曲線運動，其軌跡為圓形，速度方向沿軌跡圓的切線。那么，一般曲線運動的方向如何？推導如下：

驅動問題8：要驗證一般曲線運動的速度方向是否為切線方向，首先需明確什么？

學生閱讀課本后回答：如圖4所示，過曲線上的A、B兩點作直線，這條直線叫作曲線的割線。當B點沿曲線接近A點時，割線位置不斷變化。當B點非常接近A點時，割線即為曲線在A點的切線。

驅動問題9：速度是怎樣定義的？

驅動問題10：根據速度的定義式，速度方向與什么方向相同？

驅動問題11：若質點在一段時間內從B點運動到A點，怎樣尋找質點經過A點的瞬時速度方向？

學生可能的回答：速度是位移和時間的比值，其方向和位移方向相同。若質點在一段時間內從B點運動到A點，則平均速度的方向由B指向A。當B點逐漸靠近A點時，平均速度方向將趨近于A點的切線方向。當B點與A點的距離接近0時，質點在A點的速度方向即沿A點的切線方向。

設計思路：曲線在某點的切線是其導數在該點的幾何表現，學生僅在初中接觸過圓的切線概念。在此階段教學中，通過展現曲線切線的定義，理論推導曲線運動的速度方向，促使學生在類比中遷移知識，理解曲線運動的速度方向，從而使學生對科學概念的理解水平達到關聯層級。教學應用恰當證據，使學生達到中級A論證水平。

（三）論證活動3

驅動問題1：物體做曲線運動時，其速度變化嗎？

驅動問題2：物體做曲線運動時，有無加速度？合力是否為零？

驅動問題3：若物體所受合外力不為零，是否一定做曲線運動？請舉例說明。

驅動問題4：物體在受到怎樣的力時才能做曲線運動？教師引導學生利用所提供的實驗器材或者手邊的物品，實驗探究物體做曲線運動的條件。

實驗器材：軌道、木板、小鐵球、小玻璃球、小鋼球、磁鐵。

學生可能的實驗過程1：讓小鐵球從軌道滾下，將磁鐵放在小鐵球直線軌跡的側面，讓小鐵球做曲線運動。

學生可能的實驗過程2：讓小球從軌道滾下，從一側突然抬起木板，使小球做曲線運動。

在驅動問題的啟發下，學生進行理論分析和設計實驗。

學生可能的回答1：曲線運動的方向時刻在改變，曲線運動是變速運動，速度改變必然存在加速度。由牛頓第二定律可知，物體一定受到合外力的作用。

學生可能的回答2：當物體不受外力或者合力為0時，做勻速直線運動；當合力方向與速度方向在同一直線時，做變速直線運動；當合力方向與速度方向不在同一直線時，做曲線運動。

驅動問題5：做曲線運動時物體所受的合力方向跟軌跡彎曲情況存在怎樣的關系？

學生可能的回答：物體所受的合力往哪個方向，運動軌跡就往哪個方向轉。

設計思路：教師在學生回答的基礎上總結出“做曲線運動的物體，其合力方向總指向曲線凹側”。

（四）論證活動4

驅動問題1：（播放微視頻）蜿蜒的河道為什么外側地勢總是比較陡峭而內側地勢則相對平坦？

學生可能的回答：河道外側受到的沖刷比較厲害。

驅動問題2：為什么蜿蜒的河道外側受到的沖刷比較厲害？

學生可能的回答：河水轉彎需受到曲線內側合力。

教師接著提問：這內側合力是哪邊河岸提供的？

設計思路：學生在問題引導下，明白河水拐彎時做曲線運動，彎曲處受到內側力作用，此力來自河道外側的堤岸。根據牛頓第三定律可知，河水對河道外側的堤岸有反作用力，因此河道外側的堤岸受流水沖刷而逐漸變陡。

實驗驅動，情景模擬：用小球在曲線槽中的運動模擬河水轉彎，并提出問題：在小球前進過程中移走哪些木板，不會影響小球的運動軌跡？

學生可能的回答：3、4、5塊板都可以移走（如圖5）。

實驗驗證：軌跡內側板可撤，外側板不可撤。小球做曲線運動時受外側軌道作用，如河水轉彎時受河道外側的堤岸的作用力。

設計思路：學生在真實情境中，運用曲線運動的條件論證河岸外側陡峭的原因，實現了對概念的有效理解，并能將實際問題轉化為物理問題進行論證和解決，論證能力達到高級水平。

綜上，要想讓學生更好地實現進階學習，教師需深入研究學生概念理解的思維路徑，根據學生的論證水平設計恰當的論證活動，使學生在問題驅動下，通過實驗探究，進行情境化學習、實驗論證和理論分析，不斷優化認知結構，提升科學思維能力。

［" "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，2020.

[2]" 中華人民共和國教育部.義務教育課程方案：2022年版[M].北京：北京師范大學出版社，2022.

[3]" 張華.兒童發展、學習進階與課程創生：《義務教育課程方案和課程標準（2022年版）》內在追求[J].中國教育學刊，2022（5）：9-16.

[4]" 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.

[5]" 弭樂，郭玉英.基于整合的進階式教學設計研究：以概念進階與論證進階為例[J].物理教師，2021，42（1）：2-7，11.

[6]" 吳昌洪，梁玉潔，買歌菲熱提.基于整合的進階式高中物理教學設計：以“加速度”教學為例[J].物理教學，2022，44（5）：11-15.

（責任編輯" " 黃春香）