卞志榮 劉 琦 薛麗娟

(江蘇省天一中學，江蘇 無錫 214101)

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·教材與教法·

基于學習進階理論下的原始問題教學設計策略研究

卞志榮 劉 琦 薛麗娟

(江蘇省天一中學，江蘇 無錫 214101)

學習進階不同于“內容進階”,它要求我們更加關注學習時的思考方式以及怎樣思考．由于進階的非自發(fā)性,教師在教學設計時必須分析學生學習這一主題時的進階起點和進階目標,尋找適合學生學習進階的最佳途徑,設計利于學習進階的有效活動,實現(xiàn)系統(tǒng)構建知識上的進階和思維更快更好地發(fā)展．

學習進階； 原始問題； 教學設計； 進階策略； 思維發(fā)展

2005年由美國國家研究委員會(NRC)提出的“學習進階”理論已成為國際科學教育領域研究的熱點之一,越來越受世界各國教育界的廣泛關注．該理論基于標準的科學評估體系,必須考慮學生的理解是如何發(fā)展的以及各學段學生應分別獲取哪些科學知識和能力，并將學習進階定義為“學習進階是描述學生對于某個主題連續(xù)的、更加熟練的思維方式,這些思維方式能隨著學生對某個主題的學習和探究依次發(fā)展．”

一般來講,學習進階是一組水平層次,這些層次描述了對一些科學概念理解的熟練程度．最高層級通常稱作“高錨點”(upper anchor),它代表了我們期望學生學習達到的理解水平,通常它的確定可以依據(jù)課程標準和教學大綱．最低層級通常稱作“低錨點”(lower ahchor)，它代表了學生進入課堂時已達到的理解水平．在“高錨點”和“低錨點”之間存在著“凌亂區(qū)間”．教學就是學生在教師的指導和幫助下,從最初的理解發(fā)展到科學理解,實現(xiàn)由“低錨點”向“高錨點” 轉移．

1 學習進階要求我們應關注學生學習時的不同思考方式

學習進階的“階”代表了學生不同的思考方式,而不是簡單地是否獲得了某個知識．換句話講,在更高層級“階”上的學生并不是比更低層級“階”上的學生知道得更多,而是他們對內容的理解方式存在著差異．從“學習進階”的理論出發(fā),必須根據(jù)科學概念間的內在邏輯關系理清學科知識間的層次關系,構建層次清晰的知識結構;必須根據(jù)學生認知思維發(fā)展“進階”的特點,構建基于學生視角的、清晰的“階”．為此,教師要善于發(fā)現(xiàn)學生對學習主題的不同思考角度和方式,有針對性地設計問題的“階”,促進學生思維更有效地發(fā)展．

下面通過學生對原始問題作答情況來分析學生的不同思考方式．

原始問題.一輛汽車陷入郊外的泥坑中,四周空無一人,只是在不遠處有一顆大樹,現(xiàn)在車內僅有一條足夠長、足夠結實的繩子．請問司機如何才能運用自己的力量把車從泥坑中拉出來?要求寫出完整的解決方案．

本試題的測試對象是我校高一強化班的97位學生,其中男生64人,女生33人,回收的97份答卷情況是:說得通但不管是否行得通有較為完整的方案87人,無方案的有7人,均為女生．各種方案統(tǒng)計如下.

方案1： 用單股繩一端系在車前端,繩跨過樹叉拉繩另一端．采用此方案有9位學生．

方案2： 用單股繩一端連在車前端,繩繞過樹干,人在地上拉繩另一端．采用此方案有12位學生．

方案3： 用單股繩一端連在車前端,繩繞過樹干,人坐在車上拉繩另一端．采用此方案有7位學生．

方案4： 把單股繩的一端拴在樹干上,繩穿過車前的鐵環(huán)或鉤子,拉繩的另一端．采用此方案有8位學生．

方案5： 繩的一端系在車前端,繩繞過樹干再回繞到車身,再繞過樹干,再繞過車身,來回若干次,人拉繩的另一端．采用此方案有22位學生,全部都是男生．

方案6： 用單股繩一端系在車前端,另一端拴在樹干上,人在繩的中點水平拉繩(有1人是向上拉,有1人是向下踩).采用此方案有13位學生,其中女生有3位．

方案7：把繩子一端拴在樹干上,另一端系在車輪上,利用車輪轉動時纏繩獲得較大力來拉車.采用此方案有2位學生．

由以上統(tǒng)計可以看出,男生有方案的比例高于女生,無方案的比例女生明顯高于男生,是否能說明男生善于觀察生活,善于動腦筋、想辦法解決實際問題;對于方案5竟然有22位學生且全部是男生,能否說明男生對于初中所學的簡單機械內容留在大腦中的比較多,相反女生遺忘得比較快;但在方案6中男生和女生的比例比較接近,是否能說明男女生對現(xiàn)學知識的及時應用能力差不多．

那么,學生為什么會設計出這些不同方案呢?他們是如何思考的呢?現(xiàn)分析如下:絕大部分學生審題還是比較認真的,能抓住問題中只有大樹和一條足夠長、足夠結實的繩子,樹可以拴繩,可以纏繩,有樹枝可以作為支點等;繩可以拉物體,也可以纏物體等基本用途,結合初高中物理所學知識和大腦中已有認知，例如，(1) 有力作用就能拉動物體; (2) 力不夠大,在汽車上多繞幾圈,力就能變大幾倍; (3) 力太小應用動滑輪能放大對物體的作用力; (4) 利用合力與分力的大小關系,分力可以大于合力等,盡管方案1、2、3、4有力作用在車上,實際就是人直接拉車,那肯定拉不動,說明學生在設計方案時考慮問題不夠全面,缺乏生活經(jīng)驗,一般小汽車大約也要有1.3t左右,靠一個普通人直接從泥坑中拉上來是不可能的;而方案5看似繩子繞過車子很多圈,其實拉力并沒有得到放大,當然也拉不動車;只有方案6才是可行性方案,而方案5是否可能呢?

后來我們又呈現(xiàn)了相對應的物理習題讓學生定時練習,再來看看學生的作答情況．

圖1

習題.為了把陷在泥坑里的小轎車拉出來,司機用一條結實的繩子把小轎車拴在一棵大樹上(俯視圖如圖1),開始時車與樹相距12m,然后在繩的中點用400N的力沿與繩垂直的方向拉繩,中點被勻速拉過60cm．假設繩子的伸長量可以不計,求小轎車受到的拉力的大小．

當堂測試后收回答卷共96份,只有3人做錯,正確率為96.9%．這是否能說明我們的學生做習題比較擅長,而對實際問題的分析、解答能力明顯不足．出現(xiàn)這種現(xiàn)象是不是我們的教學導致的、是不是應試教育帶來的必然結果呢?在全社會都呼吁培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的時候,我們作為教育工作者該做些什么?深層次的教育改革要求我們的教學不能再惟考施教,應著力學生的能力發(fā)展,跳出課本,走出課堂,聯(lián)系實際,大家也應呼吁高考應加大對原始問題的考查力度．

2 學習進階要求我們應關注學生學習時怎樣思考

學習進階理論認為要關注學生怎樣思考,不僅僅是關注將某一個知識主題按照知識的邏輯結構分成不同的等級,更重要的是要關注學生的“錯誤思考”,因為這更能有效地刻畫學生在特定層級的思考方式,尤其是在“凌亂區(qū)間”,更能描述來自學生視角真實而有效的思維特征．教師只有知道學生在學習物理的5個階段“事實、映射、關聯(lián)、概念、整合”中物理概念和思維水平進階的變化情況,才能設計出有利于學生進階的內容、問題和活動形式．為此我們又呈現(xiàn)了一組原始問題和習題進行診斷性的了解,通過測評學生目前所處的學習階段,思維發(fā)展的層級,有助于學情分析,教學手段優(yōu)化,教學過程優(yōu)化．

原始問題.在某市近郊公路上發(fā)生了一起交通事故,據(jù)目擊者描述:一輛小汽車在平直公路上向東勻速行駛,一位游客正由南向北從斑馬線上橫穿馬路,司機發(fā)現(xiàn)前方有危險,緊急剎車,仍將正在步行的游客撞傷,汽車最終停在某處．假如你是警察,能否根據(jù)現(xiàn)場留下的一系列痕跡,推算出肇事汽車是否超速行駛?你需要分析哪些數(shù)據(jù)?

由統(tǒng)計可知,學生對同一個問題的思考大不一樣．

2.1 就加速度的獲得大致有以下幾種思考

(1) 由汽車性能參數(shù)查出剎車加速度a;

(2) 查出輪胎與路面的動摩擦因數(shù),由a=μg求得;

(3) 用警車測試得到a;

(4) 用肇事汽車測出剎車加速度a．

表1

2.2 關于剎車時間的獲得大致有以下幾種思考

(1) 不查也不測就假設;

(2) 查監(jiān)控錄像記錄獲得;

(3) 通過測定行人的位移和估算行人速度求得；

(4) 車上掉落物件做平拋運動計算出．

2.3 方案設計存在的主要問題

(1) 絕大部分學生沒有考慮駕駛員的反應時間,說明物理過程分析不詳或實際生活經(jīng)驗不夠豐富．

(2) 交通肇事的判定人命關天,不能誤判,不僅要嚴肅、且要精確計算而不能估算．像假設行人速度1m/s,假設剎車加速度等都是不科學的．

(3) 思考問題過于理想化、簡單化,生搬硬套,只要能得到公式中的某個物理量,就不考慮是否符合實際,是否可以直接獲得,如剎車時間,剎車加速度等.

為了比較學生在解決原始問題與習題的思維差別,我們在這之后又讓學生練習了相對應的物理習題.

習題.如圖2所示,在某市近郊,一輛小汽車在平直公路上向東勻速行駛,一位游客正由南向北從斑馬線上橫穿馬路,司機在A處發(fā)現(xiàn)前方有危險(游客在D處),經(jīng)0.7s作出反應,緊急剎車,仍將正步行至B處的游客撞傷,該汽車仍保持勻減速直線運動在C處停下,為了判斷汽車司機是否超速行駛,警方派一警車(和汽車行駛條件相同)以法定最高速度vm=14m/s,行駛在同一路段,由于事前有思想準備, 司機在肇事汽車的起始制動點A緊急剎車,經(jīng)14.0m后停下來,現(xiàn)測得AB=17.5m，BC=14.0m，BD=2.6m,試問肇事汽車的初速度是多大?有無超速?

圖2

好多學生見到該題都有恍然大悟之感收回試卷共93份,解答的正確率達到68.5%,還是遠高于原始問題的正確率,具體情況如表2.

可以看出，學生知識進階好于思維進階,這為我們今后的教學指明了努力和改進的方向．

表2

3 學習進階要求我們優(yōu)化構建學習進階的方法和途徑

構建學習進階的方法和途徑有許多,在實際教學中我們可以根據(jù)學生對問題的解答情況來構建學習進階是一種行之有效的途徑．通過分析統(tǒng)計大量學生對某一個問題或某一類問題的作答情況,從中發(fā)現(xiàn)學生思維方式的缺陷和凌亂,或對某一個知識概念、方法的理解透徹程度,來確定下一階段學習需要進的“階”．由于“階”的確立是非常復雜的,比較理想的辦法是通過開放性的問題來測試學生,它能比較真實地反映學生的想法．

而原始問題是自然界及社會生活、生產中未被抽象加工的典型現(xiàn)象．它具有客觀真實性、生態(tài)性、隱蔽性和遷移性、開放性的特點,非常適合了解學生概念理解和方法應用的思維層級．

例如,在學習“靜摩擦力”時,核心概念是靜摩擦力的方向，書上短短一句話：總是沿著接觸面,并且跟相對運動趨勢的方向相反，然而學生真正理解此概念,順利實現(xiàn)學習進階存在兩大思維障礙,其一是相對運動趨勢方向的判斷;其二是靜摩擦力發(fā)生在相對靜止的物體之間,不管對地是運動還是靜止．為此,教學中為了了解學生對靜摩擦力概念的理解程度,我們讓學生分析解決一組生活類原始問題.

圖3

原始問題1.如圖3所示,A是主動輪,B是從動輪,它們通過不打滑的皮帶傳動,輪的轉動方向見圖3．P、Q分別是兩輪邊緣上的點．則關于P、Q所受的摩擦力的判斷正確的是

(A)P所受的是靜摩擦力,方向向上.

(B)P所受的是滑動摩擦力,方向向下.

(C)Q所受的是靜摩擦力,方向向下.

(D)Q所受的是滑動摩擦力,方向向上.

設計意圖:通過較為簡單的試題呈現(xiàn)形式——有序的“階”項選擇題,這里的“階”我們認為有兩個,一個是P和Q處所受摩擦力是靜摩擦還是滑動摩擦;另一個是“滑動摩擦與靜摩擦”判斷方法的不同．通過學生的回答來捕捉各種可能的答案,然后我們可以根據(jù)答案來推斷學生思維遇到的困難,判斷其所處的學習進階層次: (1) 一部分學生對主動輪和從動輪的區(qū)別模糊; (2) 對靜摩擦力和滑動摩擦力的產生條件認識不足,認為運動的物體受滑動摩擦,靜止的物體受靜摩擦; (3) 即便認識到P、Q處受到的是靜摩擦,也無法判斷相對運動趨勢方向等．

根據(jù)上述原始問題作答情況的分析,我們知道學生對靜摩擦力概念理解的思維層級還不高,為此我們又設計了以下較為類似的問題讓學生討論交流,以便更有效地實現(xiàn)這一概念的學習進階．

原始問題2.請分析人騎自行車前進時前后輪所受的摩擦力方向．

原始問題3.若人推著自行車前進時前后輪所受的摩擦力方向怎樣?

原始問題4.試分析人走路時前后腳受到地面的摩擦力方向．

原始問題5.家用轎車一般是前驅,你能分析出汽車正常行駛中前后輪受到摩擦力的方向嗎?

4 學習進階要求我們靈活設計有效教學活動

學習進階并非是一種自發(fā)發(fā)展的過程,要求我們在教學時,應積極尋找最佳的教學序列并精心設計教學活動,以促進進階的發(fā)生．由于學習進階的路徑并非唯一,在學習進階過程中多種進階路徑的出現(xiàn)都有可能,關鍵是有效度、達成度如何．在構建學習進階的課堂教學過程中,要緊緊圍繞思維進階這個主旋律,依托層次清晰的知識邏輯結構,科學系統(tǒng)地搭建基于學生視角的、清晰的“階”,激發(fā)情感進階,引發(fā)問題進階,驅動思維進階,促進能力進階,實現(xiàn)學習的有效進階．

在高一新授課學習“彈力”時,為了觀察剛體的微小形變,絕大部分教師都做了普通高中課程標準實驗教科書必修1(人教版)第56頁“問題與練習1”扁玻璃瓶實驗,而且都是千篇一律的做法:向瓶扁的方向用力壓瓶可觀察到透明細管中水面明顯上升,從而說明玻璃瓶發(fā)生了微小形變,匆匆實驗,草草而過．而筆者在做此實驗時,將它精心設計成系列原始問題讓學生自主探究解決,有效地實現(xiàn)了實驗和思維的積極進階．其流程如下.

第1步,手舉裝有透明細管的扁玻璃瓶,讓學生觀察瓶的特征,猜想細管的作用.

第2步,教師向瓶扁的方向用力壓瓶,讓學生觀察,說出看到的現(xiàn)象.

第3步,提出問題:為什么細管中水位上升?讓學生思考并回答.

第4步,交流結果:大部分學生認為是玻璃瓶發(fā)生形變造成細管中水位上升,但有學生持不同看法,認為是手的溫度高于瓶中水的溫度,熱脹冷縮現(xiàn)象造成細管中水位上升.

第5步,會不會是熱脹冷縮現(xiàn)象起主要作用呢?如果不是,你有什么方法加以證明呢?

有學生很快拿出了方案:換用比手溫高的熱水做同樣的實驗,仍然可以看到細管中的水位上升,筆者按此學生的方法換用熱水進行實驗,果然如此,從而排除了由于熱脹冷縮現(xiàn)象導致水位上升的結論．

但可能是由于學生生活經(jīng)驗的不夠豐富,或者是不能把學過的數(shù)學知識很快遷移到具體問題中,沒有學生想到第2種更加簡便的方案即向瓶子長的方向用力壓瓶子,瓶子截面積就變大(因為周長一定時以圓的面積最大),管中水位下降,立即排除了熱脹冷縮所致．

這樣的教學設計不僅讓學生看到了物體的“微小形變”,更重要的是通過問題的拓展,較好地促進了學生知識有效學習的同時,拓寬豐富了學生科學探究的思路和用實驗處理問題的思維能力的有效進階．

再如,筆者在講解這樣一道習題時,趁勢提出了系列原始問題讓學生進行討論,不僅使學生對習題的處理方法的進階更加牢固,還使得學生通過習題得到的結論及時應用于實際生活而嘗到了成功的喜悅,實現(xiàn)了知識、能力和情感的有效進階．

習題.如圖4所示,晾曬衣服的繩子長為L,兩端分別固定在兩根豎直桿上的A、B兩點,若兩桿之間的距離為d,且繩子的質量及繩與衣架掛鉤間摩擦均忽略不計,衣服處于靜止狀態(tài),求繩中張力．

圖4 圖5

原始問題1.若一陣恒定的風吹來,衣服受到水平向右的恒力而發(fā)生滑動,并在新的位置保持靜止.則繩的張力如何變化?

原始問題2.若曬衣服的繩子離地面比較低,現(xiàn)要晾曬一件長大衣就會碰到地面,你有什么辦法解決這一問題?在你提出的方案中繩子張力與原來比較會不會發(fā)生變化?

可見,通過問題由淺入深的漸進式學習,學生的思維能力有了明顯的進階．

最后,需要提醒大家注意的是，學習進階不同于內容進階．“內容進階”是指學生學習特定的、有序的學習內容,而學習進階是指學生如何思考這些內容的思考過程和思考方式．低端的教學設計更多的是關注教學內容的進階,而高端的教學設計應該是在設計教學內容的同時,更加關注學生對此問題思考的層級,關注學生對主題學習進階的“低錨點”在哪里,“高錨點”是什么,通過你的教學在每一個環(huán)節(jié)中使大部分學生達到什么層級,從而預設層次分明的“階”,最大限度地實現(xiàn)學生學習的有效進階．

1 (美)Alica C.Alonzo,翟小銘.學習進階:描述學生思維發(fā)展的有效方式[J].物理教師,2015(11):73-76.

2 曹會,牛振華.巧設實驗主線 凸顯學習的“有效進階” [J].中學物理教學參考,2016(8):24-28.

3 呂含吟,邵韜.如何應用“學習進階”改進高中物理教學設計[J].中學物理,2016(3):68-69.

4 卞志榮,方洪. 加強原始問題教學 提升學生思維品質[J].物理教師,2016(4):6-9.

本文為無錫市教育科學“十二五”規(guī)劃重點課題“高中物理原始問題教學與實踐研究”(課題批準號:C/B/2013/002)階段性研究成果.

2016-11-30)