基于學習進階的高中物理規律教學探討

摘要：把學習進階理論應用到高中物理規律教學，依據學生已有知識和認知特點錨定進階起點，分析課標確定進階終點，在教學過程中深入研究教材，精準設置進階層級，確定進階水平，巧妙創設問題情境，并用于解決實際問題，有效評價學習過程，從而實現教學目標，促進學生思維進階。

關鍵詞：核心素養；高中物理；規律教學；學習進階；評價

一、問題的提出

物理規律是物理現象、物理過程的本質聯系在一定條件下必然發生、發展和變化的規律性的反映，它揭示了物理事物本質屬性之間的內在聯系，是物理科學的核心內容。物理教學的中心任務，是引導學生了解物理規律，在猜想、探究、驗證與應用等多個過程都充分體現出物理規律教學對物理學科核心素養培養的重要性。學習進階是連接認知理論與課裎教學實踐的橋梁，是以培養和發展學生科學思維為本，落實核心素養的重要路徑。下面，筆者對學習進階理論在物理規律教學的應用進行分析，并以《勻變速直線運動的位移與時間的關系》一節為例進行教學設計。

二、學習進階理論概述

學習進階是學生在各學段學習同一主題概念時所遵循的連貫的、典型的學習路徑的描述，一般呈現為圍繞核心概念展開的一系列由簡單到復雜、相互關聯的概念序列?；趯W習進階的高中物理規律教學，是以學生既有的認知結構為出發點，精心構建問題導向的學習情境，讓學生經歷探究的過程，通過科學推理、驗證等科學方法的運用，發現、總結物理規律，再應用物理規律解釋物理現象、解決實際問題。這一教學過程遵循由簡至繁、由具象至抽象、再由理論延伸至實踐應用的認知升華。

學習進階包括進階起點、進階終點、進階變量、進階水平、進階評價等要素。進階起點是指學生已有的知識和思維方法；進階終點是學生應該達到的學習目標；進階變量是學習進階的核心，它追蹤學生對某一學科核心概念、主題或技能的階段性發展，通常指學科的核心概念和關鍵能力，是評價學生學習進步和發展的重要指標；進階水平是指學習進階發展路徑的中間步驟，描述學生對某一核心概念或技能的理解和掌握程度的不同階段，從初始階段到最終目標的達成，呈現出逐步深入、逐級提升的特點；進階評價是通過收集和分析學生的學習數據，判斷學生的學習進度是否與預期的進階路徑相符合，及時為教學提供反饋和指導。

學生學習發展過程中分為5個層級：層級1（經驗層級），學生具有的尚未相互關聯的日常經驗和零散事實；層級2（映射層級），學生能建構抽象術語和事物之間的聯系；層級3（關聯層級），學生能建構抽象術語和事物數個可觀測的具體特征間的關系；層級4（系統層級），學生能從系統層面上協調各個變量間的關系；層級5（整合層級），學生能由核心概念統整對某一科學觀念的理解?！皠蜃兯僦本€運動的位移與時間的關系”學習發展的5個層級如圖1所示。

三、基于學習進階的高中物理規律教學設計

物理規律作為觀察、實驗與思維相互交融的結晶，深刻地揭示了物理概念間的內在聯系，構成了物理知識體系的核心骨架。其高度的概括性與抽象性不僅彰顯了人類智慧的卓越成就，而且確立了它在中學物理教學中的不可或缺的地位。這些規律，作為客觀存在的反映，不受人類主觀意志的左右，只能被逐步發現而無法被人為創造。因此，在物理規律的教學過程中，教師應當引導學生效仿科學家的探究路徑，通過觀察實驗、分析數據、交流討論等教學環節自主發現規律，而非簡單地傳授規律內容或進行機械記憶。為實現教學目標，教師需深入剖析課程標準與教材內容，精心選擇適合學生開展探究活動的切入點，從而有效促進學生對物理規律的理解與掌握。

（一）分析課標教材確定進階基礎

1.課標解讀

物理知識是發展學生核心素養的載體，學生通過深度探究學習活動，不僅能夠掌握具體的物理知識和技能，更能在這一過程中實現核心素養的全面提升。教師引導學生利用極限方法探究勻變速直線運動的規律并進行科學論證，通過用公式、圖像等方法描述勻變速直線運動，使學生深刻體會物理學高度的概括性、抽象性、簡潔性；在解決實際問題中，通過模型建構、科學推理等進一步理解勻變速直線運動的規律，提升學生的科學思維能力。

2.教材分析

本節內容是學生在學習了速度、加速度、位移等概念基礎上，進一步探究它們之間的關系。在前一單元的學習中，學生從平均速度的概念逐步過渡到瞬時速度，這一過程中巧妙地融入了極限思想，為學生打開了理解物理學中瞬時現象的大門。以勻速直線運動的v－t圖像所圍面積等于t時間內運動的位移提出問題，類比勻變速直線運動通過v－t圖像求位移的方法，得出位移與時間關系式x=v0t+■at2。學習有關 v－t圖面積代表位移的知識，不僅是對已有知識的綜合運用，更是對極限思想的進一步學習，體現了教材在關鍵概念教學上的遞進性和螺旋式上升的設計理念。

教學設計要在遵循學生的認知規律和學習規律的基礎上，設計由淺入深、由簡單到復雜帶有思維層級的教學活動，實現學科育人功能和落實核心素養。本節課以學習進階的問題驅動，通過五個進階層級的教學活動，幫助學生從感性認識逐步上升到理性認識，培養學生從圖像和公式這兩個視角研究勻變速直線運動的規律，并能用其解決實際問題。在教學中引導學生體驗探究中的極限方法，培養他們借鑒、遷移和跨學科解決問題的高級思維能力。

（二）分析學情錨定進階起點

學生學習本節課前，已經能應用數學方程式表示勻速直線運動的位移與時間的關系，理解了勻速直線運動v－t圖像的物理意義，掌握了勻變速直線運動的速度與時間的關系，能夠運用數學知識準確求矩形和梯形面積。在平均速度和瞬時速度的學習中已體會了極限方法，能從公式和圖像兩個視角研究運動規律。

（三）核心素養的提升為進階終點

通過本節課的學習，學生能用類比的方法得出勻變速直線運動位移與時間的公式，理解公式的物理意義，并能用其解決實際問題；熟練運用物理圖像分析物體運動的規律；體會如何用微元法、極限法探究物理問題，并能將這些方法拓展到其它學科的研究中。

（四）問題驅動層級發展

層級1（經驗層級）：勻速直線運動的位移關系式、矩形面積。

教師活動：提出問題1，若物體以v0的速度做勻速直線運動，求t0時間內運動位移。

學生活動：根據勻速直線運動的規律得到x=v0t。

教師活動：提出問題2，請畫出該運動的v-t圖像，并求出圖線在初、末時刻與時間軸圍成的面積。

學生活動：建立坐標系，在坐標系中畫出一條與時間軸平行的直線，并在時間軸上確定時刻t0，畫出0-t0時間內的矩形，求出矩形的面積，如圖2中陰影部分面積，即s=v0t0。

圖2" 物體以v0速度做勻速直線

運動的v-t圖

層級2（映射層級）：勻速直線運動的v-t圖像的面積能夠表示其位移的大小和方向。

教師活動：提出問題3，若物體以-v0的速度做勻速直線運動，求t0時間內運動位移。

學生活動：根據勻速直線運動的規律得到x=-v0t0。

教師活動：提出問題4，請畫出該運動的v-t圖像，并說出圖線在初、末時刻與時間軸圍成的面積在時間軸的哪一象限。

學生活動：學生在前面活動的基礎上做出以-v0的速度做勻速直線運動的v-t圖像，并畫出0-t0時間內對應的面積，如圖3。通過探究交流得出結論：勻速直線運動的位移在v-t圖像中可以用圖線與t軸圍成的矩形面積表示。若矩形面積在t軸上方表示位移沿正方向；若矩形面積在t軸下方表示位移沿負方向。

圖3" 物體以v0、-v0速度做勻速

直線運動的v-t圖

學習評價：A、B兩物體在做勻速直線運動，速度分別為v1、-v2，從計時開始到t時刻的位移分別表示為x1、x2。求：

（1）寫出兩個物體的x-t的關系式。

（2）在同一個坐標系中分別做出兩個物體運動的v-t圖像。

（3）在同一個坐標系中分別做出兩個物體運動的x-t圖像。

層級3（關聯層級）：連續經歷不同的勻速直線運動的位移。

教師活動：提出問題5，若物體連續經歷不同的勻速直線運動，在0～t1時間內物體以v1速度做勻速直線運動，在t1～t2時間內物體以v2速度做勻速直線運動，在t2～t3時間內物體以v3速度做勻速直線運動，求t3時間內物體運動位移。

學生活動：根據勻速直線運動的位移公式可得x=v1t1+v2（t2-t1）+v3 （t3-t2）。

教師活動：提出問題6，請將該運動畫在v-t圖像中，求出圖線在0時刻到t時刻與時間軸圍成的面積。

學生活動：學生在問題2和問題3的基礎上做出v-t圖像，如圖4所示。根據圖像分別求0～t1時間內的面積、t1～t2時間內的面積、t2～t3時間內的面積，求和得到s=v1t1+v2（t2-t1）+v3（t3-t2）。

圖4" 連續經歷不同速度的

勻速直線運動v-t圖

師生合作：教師引導學生對問題5和問題6的結果進行交流，得出結論：物體運動的位移等于各矩形面積之和。

設計意圖：引導學生發現勻速直線運動位移可以用v-t圖像中圖線與時間軸所圍成的矩形面積來表示。通過問題5和問題6搭設思維臺階，方便學生形成邏輯推理的鏈條，為后續提出如何求勻變速直線運動的位移提供借鑒，提升學生的推理思維能力和遷移思維能力。

層級4（系統層級）：勻變速直線運動的v-t圖像面積意義及x-t的關系式。

教師活動：提出問題7，教師出示圖5勻變速直線運動的v-t圖像，讓學生求出t時間內的位移。

師生合作：開始學生沒有思路，教師提示學生：可以把物體的運動分為5個小段，每個小段起始時刻的瞬時速度由相應的縱坐標表示，每一小段可以近似看成勻速直線運動，這樣每一小段的時間與對應的速度的乘積近似看成物體的位移。在v-t圖像中，各段的位移可以用一個小的矩形的面積表示，5個小矩形面積之和近似為物體時間t內的位移。為了更精確一些，可以把運動過程劃分為更多的小段，小矩形越窄，多個小矩形的面積之和越接近物體的位移?？梢韵胂?，如果運動分得很細很細，很多很多小矩形的面積之和就非常精確地表示物體運動的位移了。這樣，在t時間內的位移就可以用OABC內的矩形面積和表示。

結論：做勻變速直線運動的物體位移也對應著v-t圖像中的圖線與對應時間軸所圍成的面積。

學習評價：某質點做直線運動的速度和時間關系如圖6所示，求質點在3s內通過的位移大小。

圖6

設計意圖：在勻變速直線運動中，由于速度不斷變化，無法直接用矩形的面積表示位移。教師引導學生對運動進行切割分段的方法，采用微積分的思想進行推理求值，發展學生的推理思維能力。通過“學習評價”檢測學生用v-t圖像的面積表示位移的應用和對積分思想的理解。

教師活動：提出問題7，教師出示圖7，請同學們判斷物體運動的性質并求出中0～t時間內物體運動的位移。

圖7

學生活動：根據勻變速直線運動速度與時間的關系，物體做初速度為v0的勻加速運動；求出0～t內對應梯形的面積x=（v0+v）t，其中v=v0+at整理得到x=v0t+at2。

設計意圖：讓學生學會用數學語言來描述勻變速直線運動位移與時間的關系，培養學生推理能力和用數學知識解決問題的能力。

教師活動：提出問題8，請同學們指出公式x=v0t+at2中各物理量的意義并說明公式的適用條件。

學生活動：學生交流討論，說出各物理量的意義，在教師的引導下明確了x、v0、a均為矢量，在利用公式時要注意正方向的選取和單位的統一。

學習評價：在平直公路上，某輛電動汽車在一次剎車測試中，初速度為16m/s，遇緊急情況開始剎車，在阻力作用下，汽車以-2m/s2的加速度運動。求剎車后10s末車離開始剎車點多遠。

設計意圖：加強學生對勻變速直線運動速度與時間關系和位移與時間關系的理解，培養學生解決實際問題的思路、方法和書寫的規范性。

層級5（整合層級）：非勻變速直線運動的位移、思考微積分應用。

教師活動：提出問題9，圖8是物體運動的v－t圖像，說明物體做什么運動，如何求物體運動的位移。

圖8" 非勻變速直線運動的v-t圖

學生活動：物體做加速運動，但是加速度逐漸減小，可以用圖像與時間軸圍成的面積表示位移的大小變化來理解。

設計意圖：感悟勻變速直線運動是變速運動中最簡單、最基本的運動形式，是特例。實際的變速運動有多種情形的，拓展學生對運動多樣性的認識，形成一般性認識，體會分析運動規律的思想方法。

教師活動：提出問題10，公元263年，中國數學家劉徽在《九章算術》中提出：“割之彌細，所失彌少，割之又割，以至于不可割，則與圓周合體而無所失矣?！闭埻瑢W們在課后根據圓的周長公式結合圖9推導圓的面積公式。

圖9

設計意圖：體會思考極限與微積分思想的應用，培養學生遷移、解決跨學科問題的能力。

四、基于學習進階的高中物理規律教學反思

在物理規律教學中，首先要深入分析課程標準，明確教學目標，精確把握教學的重點與難點。基于學習進階理論，根據學生已有的知識和思維認知水平，審慎設定進階學習的起點和預期達成的終點。其次，深入剖析教材，鎖定關鍵的物理概念作為進階變量，明確學生需要達到的進階水平，并據此設計層層遞進的進階層級，為學生搭建逐步攀登的知識階梯，助力他們順利實現進階目標。此外，充分利用學生的前認知，創設他們所熟悉的問題情境，這不僅有效激發學生探究問題的熱情，還為他們提供了更加貼近實際的探究環境。最后，在各個進階過程中創設富有挑戰性的問題情境，引導學生運用剛剛學習的物理規律去解決實際問題，從而實現對學生學習成果的有效評價，促進學生在不斷進階的過程中最終達到預期的學習目標。

參考文獻：

[1]竇國興.物理規律的教學[J].課程·教材·教法，1988（12）：1-4.

[2]邱智彬，李川，代清平，等.基于“三教”理念的物理規律有效教學設計與分析——以“機械能守恒定律”為例[J].物理教師，2024，45（1）：13-16.

[3]姚建欣，劉奕軒.科學模型認知與實踐及其學習進階[J].課程·教材·教法，2023，43（12）：117-123.

[4]劉晟，劉恩山.學習進階：關注學生認知發展和生活經驗[J].教育學報，2012，8（2）：81-87.

責任編輯" 徐國堅