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        基于“力與運(yùn)動”觀念的學(xué)習(xí)進(jìn)階教學(xué)實(shí)踐研究

        2017-11-07 15:06:19侯愛琴鄒志宇
        新課程·下旬 2017年9期
        關(guān)鍵詞:大概念進(jìn)階教學(xué)實(shí)踐

        侯愛琴+鄒志宇

        摘 要:“力與運(yùn)動”是多國科學(xué)課程內(nèi)容中的核心概念。把“力與運(yùn)動”牛頓運(yùn)動定律這一章作為基于大概念的進(jìn)階教學(xué)實(shí)踐活動內(nèi)容,根據(jù)學(xué)生在“力與運(yùn)動”這一核心概念處的認(rèn)知障礙分布情況,在教學(xué)環(huán)節(jié)上提出基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的改進(jìn),并進(jìn)行基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)實(shí)踐。

        關(guān)鍵詞:力與運(yùn)動;進(jìn)階;教學(xué)實(shí)踐;大概念

        一、研究設(shè)計(jì)

        1.整體思路

        常規(guī)教學(xué):以學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)、考試說明、人教版課本和教學(xué)參考書為主要備課依據(jù),確定三維目標(biāo),為完成三維目標(biāo)開展教學(xué)實(shí)踐活動,并完成課后練習(xí),最后參加檢測。

        基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)研究設(shè)計(jì):教師首先基于大概念的觀念,確定本章知識的進(jìn)階關(guān)系,然后設(shè)計(jì)圍繞核心概念的前測題(以了解學(xué)生的前有認(rèn)知),分析確定學(xué)生學(xué)習(xí)認(rèn)知中的臺階和迷思概念,進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì),并設(shè)計(jì)相應(yīng)的科學(xué)實(shí)踐活動或教學(xué)環(huán)節(jié),最后實(shí)施教學(xué),通過后測,反思教學(xué)。

        2.樣本的選擇

        我們預(yù)設(shè):我們高一共10個教學(xué)班,分為三個層次,1、2兩個教學(xué)班是直升班,基礎(chǔ)特別好,有部分學(xué)生已經(jīng)提前學(xué)習(xí)了高中課程,所以此次教學(xué)實(shí)踐沒有選擇該層次班級;3、4班是實(shí)驗(yàn)班,基礎(chǔ)比較好,思維層次較好,本次選擇4班為實(shí)驗(yàn)班,3班為對比班(但兩個班不是同一任課教師);5、6、7、8、9、10班為六個平行班,基礎(chǔ)一般,思維層次一般,分屬三位老師任教,本次選擇6班、10班(同一位教師任課)作為實(shí)驗(yàn)班,其余5、7、8、9班作為對比班。

        實(shí)際情況:對前測結(jié)果分析如表1,從前測中3班和4班、6班和10班的標(biāo)準(zhǔn)差、均分對比,可以看出:3班與4班沒有明顯差距,可以把3班選為對比班,4班選為實(shí)驗(yàn)班;6班和10班沒有明顯差距,選擇6班為實(shí)驗(yàn)班,10班為對比班。(此為同一位任課教師,在前測和平時學(xué)業(yè)水平測試中兩班均分、標(biāo)準(zhǔn)差分布基本處于同一層次)

        二、基于大概念的牛頓運(yùn)動定律這一章分析設(shè)計(jì)

        1.整體預(yù)設(shè)

        依據(jù)前測,明確學(xué)習(xí)進(jìn)階的“階梯”。

        經(jīng)過對前測試題反饋的分析,確定在牛頓運(yùn)動定律這一章,圍繞“力與運(yùn)動”這一大觀念下的物理觀念如下:

        (1)物體在不受力或所受合力為零時,將保持勻速直線運(yùn)動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài);

        (2)物體所受合外力不為零時,產(chǎn)生加速度;

        (3)力的作用是相互的;

        (4)運(yùn)用牛頓運(yùn)動定律研究物體受力與運(yùn)動關(guān)系;

        (5)力學(xué)單位制。

        2.根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)階需要,調(diào)整教學(xué)內(nèi)容序列

        3.根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)階中學(xué)生迷失概念,重新整體設(shè)定章節(jié)的教學(xué)目標(biāo)

        把知識教學(xué)和能力教學(xué)作為兩個核心要素,以“大觀念教學(xué)”為核心,整體設(shè)定本章教學(xué)目標(biāo)。

        原課程標(biāo)準(zhǔn)中的目標(biāo)要求:

        知識目標(biāo):

        (1)通過實(shí)驗(yàn),探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關(guān)系;

        (2)理解牛頓運(yùn)動定律;

        (3)用牛頓運(yùn)動定律解釋生活中的問題;

        (4)通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)識超重和失重;

        (5)認(rèn)識力學(xué)單位制在物理學(xué)中的重要意義,知道國際單位制中的力學(xué)單位。

        能力目標(biāo):

        關(guān)于探究、認(rèn)識、理解及其他能力培養(yǎng)均為隱性教學(xué)方式。

        以大概念為核心的目標(biāo)設(shè)定:

        知識目標(biāo):

        水平1:根據(jù)日常生活情境,歸納總結(jié)力與運(yùn)動的關(guān)系;

        水平2:利用已有的知識和科學(xué)推理方法,完成力和運(yùn)動的邏輯推斷;

        水平3:根據(jù)受力情況,定性分析推斷物體運(yùn)動的變化趨勢,或根據(jù)物體運(yùn)動情況,分析推斷受力情況;

        水平4:確定力和運(yùn)動的定量關(guān)系,并可以把推理過程和結(jié)果正確表達(dá)出來;

        水平5:把“力與運(yùn)動”納入原有概念系統(tǒng),面對各種真實(shí)情景,能有意識地從“力與運(yùn)動”角度尋找關(guān)聯(lián),并分析、綜合、解釋、猜想、驗(yàn)證。

        能力目標(biāo):

        (1)探究、認(rèn)識、理解;

        (2)科學(xué)解釋能力、科學(xué)推理能力的培養(yǎng);

        (3)從“運(yùn)動與力”的關(guān)系角度思考問題的素養(yǎng),采用顯性教學(xué)方向;核心科學(xué)方法:控制變量法。

        4.根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)階理論,給學(xué)生搭建臺階,完成教學(xué)流程再造

        5.圍繞大概念教學(xué),建立科學(xué)模型,完成概念進(jìn)階

        6.教學(xué)環(huán)節(jié)對比

        原教學(xué)設(shè)計(jì):實(shí)驗(yàn)(伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)):小球在U形斜槽中的運(yùn)動。

        設(shè)問:小球從某一高度沿斜面下滑時,有加速的現(xiàn)象,當(dāng)小球到達(dá)斜面底端開始向上運(yùn)動時,速度減小,小球最終所達(dá)到的高度將怎樣?降低斜面的表面粗糙程度,小球所達(dá)到的高度將怎樣變化?

        合理外推,理想斜面:如果斜面是光滑的,小球又當(dāng)如何呢?

        實(shí)驗(yàn)3:斜面小球?qū)嶒?yàn)

        ①減小對接U形槽的一側(cè)斜面的傾角,觀察小球的運(yùn)動情況。設(shè)問:看到什么現(xiàn)象?什么原因?

        ②再次減小對接U形槽的一側(cè)斜面的傾角,重復(fù)實(shí)驗(yàn)。設(shè)問:又看到什么現(xiàn)象?什么原因?

        ③把該側(cè)斜面傾角降為零度,水平放置,重復(fù)上面實(shí)驗(yàn)。設(shè)問:通過觀察,同學(xué)們想一想,如果右面的斜面變成了水平面,小球?qū)⒃鯓樱?/p>

        合理外推,理想斜面:如果水平面上沒有任何阻力,小球又將怎樣?追問:這個情況該如何描述?

        伽利略觀點(diǎn):如果該側(cè)斜面變成水平面,并且沒有任何阻力,小球?qū)⑦_(dá)不到原來的高度,就應(yīng)永遠(yuǎn)運(yùn)動下去。

        綜合提升:力不是維持物體運(yùn)動的原因。

        大膽猜想,理想實(shí)驗(yàn)4:如果軌道無限長,存在著一個小球不受任何力(包括重力)的環(huán)境,小球是怎么一直運(yùn)動下去的呢,沿直線還是水平面呢?

        笛卡爾支持伽利略“力不是物體運(yùn)動原因”的觀點(diǎn),并且還強(qiáng)調(diào)沒有力作用時物體的運(yùn)動情況。endprint

        笛卡爾觀點(diǎn):如果沒有其他原因,運(yùn)動物體將繼續(xù)以同一速度沿著一條直線運(yùn)動并且一直運(yùn)動下去。

        綜合提升:沒有外力,物體沿直線運(yùn)動。

        過渡:這應(yīng)該作為一個原理加以確立,并且是整個自然界的基礎(chǔ)。

        基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)設(shè)計(jì):伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)

        實(shí)驗(yàn)1:小球在鋪上毛巾的U形斜槽中運(yùn)動,觀察小球的運(yùn)動。

        實(shí)驗(yàn)2:小球在鋪上綢子的斜槽中運(yùn)動,再觀察小球的運(yùn)動。

        問題:比較兩次小球的高度,原因是什么?

        實(shí)驗(yàn)3:小球在沒有鋪任何材料(相對光滑)的斜槽中運(yùn)動,預(yù)測小球能達(dá)到的高度與前兩次比會怎樣?

        合理外推到理想狀態(tài):如果斜槽光滑,小球又將運(yùn)動到哪個高度呢?

        實(shí)驗(yàn)4:減小一側(cè)斜面的傾角,在相同高度釋放小球,注意觀察。

        發(fā)現(xiàn):小球運(yùn)動到距離出發(fā)點(diǎn)更遠(yuǎn)的位置處。

        實(shí)驗(yàn)5:進(jìn)一步減小斜面的傾角,同一高度釋放小球,小球運(yùn)動的距離就會進(jìn)一步增加,達(dá)到的位置就會更遠(yuǎn)。

        實(shí)驗(yàn)6:使傾角減小到零,軌道位于水平面上,從同一高度釋放小球,觀察小球運(yùn)動。

        問題:假如斜面足夠長,假如斜面沒有摩擦,小球?qū)⑷绾芜\(yùn)動?

        回顧整個實(shí)驗(yàn)過程:

        梳理研究思路:

        實(shí)驗(yàn)事實(shí):小球從斜面滑下,會滑到與之對接的斜面上;如果斜面摩擦因數(shù)逐漸減小,小球滑上的高度會逐漸升高;

        理論外推:如果斜面摩擦因數(shù)減為零,小球會滑到與釋放點(diǎn)等高處。

        實(shí)驗(yàn):如果把斜面傾角減小,小球會走較長的路程到達(dá)相應(yīng)高度;繼續(xù)減小斜面傾角,小球會走更遠(yuǎn)的路程,到達(dá)相應(yīng)高度。

        理想外推:當(dāng)斜面傾角越來越小,接近于零時,右側(cè)斜面將成為水平面,在滿足理想化條件即不受外力和無限遠(yuǎn)時,小球?qū)⑦\(yùn)動到無限遠(yuǎn),即,小球要保持原來的勻速運(yùn)動狀態(tài),直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)。

        說明:理想斜面實(shí)驗(yàn)只是得到牛頓第一定律的外因,牛頓第一定律成立的內(nèi)因則是由慣性所決定的。

        在初中斜面實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)上,沒有加右側(cè)斜面,在高中,隨著學(xué)生思維能力的提高,處理復(fù)雜問題能力的增強(qiáng),實(shí)驗(yàn)中加設(shè)了右側(cè)實(shí)驗(yàn),其實(shí)是引入了能量的思想。

        本理想化的實(shí)驗(yàn),并非局限于現(xiàn)象的展示與外線操作,而是調(diào)動“極限”這一邏輯思維方法的參與,引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)從“有限”到“無限”變化的質(zhì)變,從而以合乎邏輯的方式導(dǎo)出理想化條件,幫助學(xué)生跨越初中的思維迷失斷點(diǎn)。

        三、對本研究的思考

        1.對“學(xué)習(xí)進(jìn)階”教學(xué)設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐的反思

        (1)教學(xué)設(shè)計(jì)中,針對學(xué)生迷思概念設(shè)計(jì)的進(jìn)階輔助還需要加強(qiáng)。其實(shí)牛頓第一定律和牛頓第三定律中為增進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的進(jìn)階已經(jīng)設(shè)計(jì)了不同的教學(xué)環(huán)節(jié),比如牛一律中運(yùn)用演示實(shí)驗(yàn)層層逼近理想斜面實(shí)驗(yàn),牛三律利用傳感器來突破“相互作用力的大小與運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)”,但教師在學(xué)習(xí)進(jìn)階的對比教學(xué)中,另外的對比班級很難完全抑制同樣思想的誘導(dǎo),總會不自覺地把相關(guān)觀念傳遞給學(xué)生。

        學(xué)生從原有的認(rèn)知水平發(fā)展到課標(biāo)要求和教學(xué)目標(biāo)預(yù)設(shè)的認(rèn)知水平之間需要經(jīng)過真實(shí)的進(jìn)階過程。進(jìn)階的過程可分為幾種類型:①通過澄清迷思概念實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)進(jìn)階。例如牛頓第三定律,學(xué)生學(xué)習(xí)前有許多迷思概念,如兩個質(zhì)量不一樣物體間的相互作用總感覺質(zhì)量大的作用力大,兩個形變不一樣的物體間的相互作用感覺不易形變的作用力大,兩個相互作用物體間感覺主動物體的作用力大等,通過教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐引導(dǎo)學(xué)生澄清這些迷思概念,才能實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的進(jìn)階。

        (2)對物理概念、規(guī)律理解的深入程度、綜合程度實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)進(jìn)階。例如牛頓第三定律,學(xué)生雖然在初中學(xué)習(xí)過作用力與反作用力的關(guān)系,但是基于物體與平衡狀態(tài)理解,到了高中通過學(xué)習(xí)理解了物體處于非平衡狀態(tài)作用力與反作用力關(guān)系仍成立;初中主要學(xué)習(xí)物體之間的作用力與反作用力關(guān)系,到了高中通過學(xué)習(xí)理解了物體內(nèi)部不同部分之間的作用力與反作用力關(guān)系;初中主要學(xué)習(xí)彈力的作用力與反作用力關(guān)系,到了高中通過學(xué)習(xí)理解了磁力(引力與斥力)、摩擦力的作用力與反作用力關(guān)系等,理解更全面、更深入了。②對相關(guān)物理概念的關(guān)聯(lián)性理解、知識結(jié)構(gòu)發(fā)展實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)的進(jìn)階。學(xué)生在初中學(xué)習(xí)牛頓第一定律和第三定律相對比較孤立,不明白兩個規(guī)律間的關(guān)系。到高中后學(xué)生學(xué)習(xí)了牛頓的三個定律,實(shí)現(xiàn)了從整體上理解牛頓運(yùn)動定律的體系。打好了牛頓運(yùn)動定律的基礎(chǔ),以后的曲線運(yùn)動、萬有引力與天體運(yùn)動、功與能、沖量與動量等問題便能順利發(fā)展起來。③應(yīng)用物體概念、規(guī)律解決實(shí)際問題實(shí)現(xiàn)學(xué)生能力發(fā)展的進(jìn)階。

        (3)教學(xué)實(shí)踐生成的問題,沒有相應(yīng)的預(yù)設(shè)進(jìn)階方法。在牛頓第二定律的進(jìn)階教學(xué)中,有很多需要進(jìn)階的輔助,但是受內(nèi)容限制,理論無法一一講清楚,如小桶及螺釘?shù)馁|(zhì)量要遠(yuǎn)小于被拉小車的質(zhì)量時才能把小桶及螺釘?shù)闹亓Υ笮‘?dāng)作對小車的拉力,這個問題要等到學(xué)生學(xué)習(xí)牛頓第二定律、會解決連接體問題后才能明白。甚至平衡摩擦力,在實(shí)際操作中學(xué)生不平衡或不會平衡等實(shí)際操作的問題凸顯出來,這也是因?yàn)樵O(shè)計(jì)前測試題時沒有涉及相關(guān)題目,導(dǎo)致教師對學(xué)生的前認(rèn)知沒有準(zhǔn)備。

        2.對大概念教學(xué)的體會

        牛頓運(yùn)動定律相關(guān)知識均在“力與運(yùn)動”這一大概念之下,這一章緊緊圍繞著“力與運(yùn)動”這根主線通過進(jìn)階實(shí)現(xiàn)牛頓力學(xué)體系的理論構(gòu)建。牛頓第一定律定性說明力與運(yùn)動關(guān)系,建立了力與慣性概念,確立了慣性參考系;牛頓第二定律定量說明力與運(yùn)動狀態(tài)變化的關(guān)系;牛頓第三定律則定量說明了物體間及物體內(nèi)各部分間的相互作用關(guān)系。有了牛頓三個定律,人們便開啟了認(rèn)知慣性系中動力學(xué)規(guī)律的大門。所以英國詩人A.Pope這樣贊譽(yù)牛頓:“大自然和自然定律都在黑暗中躲藏,上帝說,讓牛頓來吧!于是一切都有了光明?!币虼耍蟾拍钍墙虒W(xué)進(jìn)階和學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)階的核心主線。

        實(shí)踐“大概念”學(xué)習(xí)進(jìn)階,有利于學(xué)生在更大空間和更長周期內(nèi)掌握物理學(xué)的研究方法和科學(xué)精神,有利于學(xué)生形成方法論和世界觀。比如本章蘊(yùn)含了豐富的物理科學(xué)方法,包括理想實(shí)驗(yàn)的方法、整體法與隔離法、控制變量法、圖像法與化曲為直、極限分析法等。這些方法植根于物理科學(xué),但可以在更廣泛的自然科學(xué)甚至社會科學(xué)的研究中都能應(yīng)用。比如其中的整體法與隔離法,其實(shí)也是我們認(rèn)識客觀世界的方法,比如我們想研究城市的霧霾,一定是既可以選擇城市整體狀況研究,也關(guān)注某些局部,所以這是一種思維的方法。在實(shí)際教學(xué)中因?yàn)檎w法與隔離法需要轉(zhuǎn)換研究對象,所以很多學(xué)生都分不清質(zhì)量問題或者受力問題,但如果能從整體與局部的大觀念入手,尤其解決兩個物體加速度不同時所受外力問題,選用F合=m1a1+m2a2,可以使得思維更為深刻,解決問題的方法更為簡單,過程更為簡潔。

        參考文獻(xiàn):

        [1]翟小銘,郭玉英.構(gòu)建學(xué)習(xí)進(jìn)階:本質(zhì)問題與教學(xué)實(shí)踐策略[J].教育科學(xué),2015(2).

        [2]翟小銘,郭玉英.物理建模教學(xué)例析[J].物理教師,2015(7).

        [3]翟小銘,郭玉英.科學(xué)建模能力評述:內(nèi)涵、模型及測評[J].教育學(xué)報(bào),2015(6):75-82,106.

        [4]翟小銘,郭玉英.美國科學(xué)建模教育研究三十年概述及啟示[J].全球教育展望,2015(12):81-95.

        [5]陳佩瑩,中學(xué)物理課程中“力與運(yùn)動”主題的核心概念進(jìn)階研究[D].北京師范大學(xué),2013.

        注:本論文為教育部人文社科類規(guī)劃課題“基于科學(xué)概念學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)設(shè)計(jì)模型研究”的階段性成果,課題批準(zhǔn)號:13YJA880022。

        編輯 趙飛飛endprint

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