侯愛琴+鄒志宇

摘 要：“力與運動”是多國科學課程內容中的核心概念。把“力與運動”牛頓運動定律這一章作為基于大概念的進階教學實踐活動內容，根據(jù)學生在“力與運動”這一核心概念處的認知障礙分布情況，在教學環(huán)節(jié)上提出基于學習進階的改進，并進行基于學習進階的教學實踐。

關鍵詞：力與運動；進階；教學實踐；大概念

一、研究設計

1.整體思路

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

基于學習進階的教學研究設計：教師首先基于大概念的觀念，確定本章知識的進階關系，然后設計圍繞核心概念的前測題（以了解學生的前有認知），分析確定學生學習認知中的臺階和迷思概念，進行教學設計，并設計相應的科學實踐活動或教學環(huán)節(jié)，最后實施教學，通過后測，反思教學。

2.樣本的選擇

我們預設：我們高一共10個教學班，分為三個層次，1、2兩個教學班是直升班，基礎特別好，有部分學生已經提前學習了高中課程，所以此次教學實踐沒有選擇該層次班級；3、4班是實驗班，基礎比較好，思維層次較好，本次選擇4班為實驗班，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）作為實驗班，其余5、7、8、9班作為對比班。

實際情況：對前測結果分析如表1，從前測中3班和4班、6班和10班的標準差、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班選為實驗班；6班和10班沒有明顯差距，選擇6班為實驗班，10班為對比班。（此為同一位任課教師，在前測和平時學業(yè)水平測試中兩班均分、標準差分布基本處于同一層次）

二、基于大概念的牛頓運動定律這一章分析設計

1.整體預設

依據(jù)前測，明確學習進階的“階梯”。

經過對前測試題反饋的分析，確定在牛頓運動定律這一章，圍繞“力與運動”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，將保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)；

（2）物體所受合外力不為零時，產生加速度；

（3）力的作用是相互的；

（4）運用牛頓運動定律研究物體受力與運動關系；

（5）力學單位制。

2.根據(jù)學習進階需要，調整教學內容序列

3.根據(jù)學習進階中學生迷失概念，重新整體設定章節(jié)的教學目標

把知識教學和能力教學作為兩個核心要素，以“大觀念教學”為核心，整體設定本章教學目標。

原課程標準中的目標要求：

知識目標：

（1）通過實驗，探究加速度與物體質量、物體受力的關系；

（2）理解牛頓運動定律；

（3）用牛頓運動定律解釋生活中的問題；

（4）通過實驗認識超重和失重；

（5）認識力學單位制在物理學中的重要意義，知道國際單位制中的力學單位。

能力目標：

關于探究、認識、理解及其他能力培養(yǎng)均為隱性教學方式。

以大概念為核心的目標設定：

知識目標：

水平1：根據(jù)日常生活情境，歸納總結力與運動的關系；

水平2：利用已有的知識和科學推理方法，完成力和運動的邏輯推斷；

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

水平4：確定力和運動的定量關系，并可以把推理過程和結果正確表達出來；

水平5：把“力與運動”納入原有概念系統(tǒng)，面對各種真實情景，能有意識地從“力與運動”角度尋找關聯(lián)，并分析、綜合、解釋、猜想、驗證。

能力目標：

（1）探究、認識、理解；

（2）科學解釋能力、科學推理能力的培養(yǎng)；

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

4.根據(jù)學習進階理論，給學生搭建臺階，完成教學流程再造

5.圍繞大概念教學，建立科學模型，完成概念進階

6.教學環(huán)節(jié)對比

原教學設計：實驗（伽利略理想斜面實驗）：小球在U形斜槽中的運動。

設問：小球從某一高度沿斜面下滑時，有加速的現(xiàn)象，當小球到達斜面底端開始向上運動時，速度減小，小球最終所達到的高度將怎樣？降低斜面的表面粗糙程度，小球所達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，小球又當如何呢？

實驗3：斜面小球實驗

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

②再次減小對接U形槽的一側斜面的傾角，重復實驗。設問：又看到什么現(xiàn)象？什么原因？

③把該側斜面傾角降為零度，水平放置，重復上面實驗。設問：通過觀察，同學們想一想，如果右面的斜面變成了水平面，小球將怎樣？

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：如果該側斜面變成水平面，并且沒有任何阻力，小球將達不到原來的高度，就應永遠運動下去。

綜合提升：力不是維持物體運動的原因。

大膽猜想，理想實驗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“力不是物體運動原因”的觀點，并且還強調沒有力作用時物體的運動情況。endprint

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

綜合提升：沒有外力，物體沿直線運動。

過渡：這應該作為一個原理加以確立，并且是整個自然界的基礎。

基于學習進階的教學設計：伽利略的理想斜面實驗

實驗1：小球在鋪上毛巾的U形斜槽中運動，觀察小球的運動。

實驗2：小球在鋪上綢子的斜槽中運動，再觀察小球的運動。

問題：比較兩次小球的高度，原因是什么？

實驗3：小球在沒有鋪任何材料（相對光滑）的斜槽中運動，預測小球能達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，小球又將運動到哪個高度呢？

實驗4：減小一側斜面的傾角，在相同高度釋放小球，注意觀察。

發(fā)現(xiàn)：小球運動到距離出發(fā)點更遠的位置處。

實驗5：進一步減小斜面的傾角，同一高度釋放小球，小球運動的距離就會進一步增加，達到的位置就會更遠。

實驗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，觀察小球運動。

問題：假如斜面足夠長，假如斜面沒有摩擦，小球將如何運動？

回顧整個實驗過程：

梳理研究思路：

實驗事實：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等高處。

實驗：如果把斜面傾角減小，小球會走較長的路程到達相應高度；繼續(xù)減小斜面傾角，小球會走更遠的路程，到達相應高度。

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

說明：理想斜面實驗只是得到牛頓第一定律的外因，牛頓第一定律成立的內因則是由慣性所決定的。

在初中斜面實驗的設計上，沒有加右側斜面，在高中，隨著學生思維能力的提高，處理復雜問題能力的增強，實驗中加設了右側實驗，其實是引入了能量的思想。

本理想化的實驗，并非局限于現(xiàn)象的展示與外線操作，而是調動“極限”這一邏輯思維方法的參與，引導學生體驗從“有限”到“無限”變化的質變，從而以合乎邏輯的方式導出理想化條件，幫助學生跨越初中的思維迷失斷點。

三、對本研究的思考

1.對“學習進階”教學設計與教學實踐的反思

（1）教學設計中，針對學生迷思概念設計的進階輔助還需要加強。其實牛頓第一定律和牛頓第三定律中為增進學生學習的進階已經設計了不同的教學環(huán)節(jié)，比如牛一律中運用演示實驗層層逼近理想斜面實驗，牛三律利用傳感器來突破“相互作用力的大小與運動狀態(tài)無關”，但教師在學習進階的對比教學中，另外的對比班級很難完全抑制同樣思想的誘導，總會不自覺地把相關觀念傳遞給學生。

學生從原有的認知水平發(fā)展到課標要求和教學目標預設的認知水平之間需要經過真實的進階過程。進階的過程可分為幾種類型：①通過澄清迷思概念實現(xiàn)學習進階。例如牛頓第三定律，學生學習前有許多迷思概念，如兩個質量不一樣物體間的相互作用總感覺質量大的作用力大，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，通過教學設計與實踐引導學生澄清這些迷思概念，才能實現(xiàn)學生學習的進階。

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

（3）教學實踐生成的問題，沒有相應的預設進階方法。在牛頓第二定律的進階教學中，有很多需要進階的輔助，但是受內容限制，理論無法一一講清楚，如小桶及螺釘?shù)馁|量要遠小于被拉小車的質量時才能把小桶及螺釘?shù)闹亓Υ笮‘斪鲗π≤嚨睦?，這個問題要等到學生學習牛頓第二定律、會解決連接體問題后才能明白。甚至平衡摩擦力，在實際操作中學生不平衡或不會平衡等實際操作的問題凸顯出來，這也是因為設計前測試題時沒有涉及相關題目，導致教師對學生的前認知沒有準備。

2.對大概念教學的體會

牛頓運動定律相關知識均在“力與運動”這一大概念之下，這一章緊緊圍繞著“力與運動”這根主線通過進階實現(xiàn)牛頓力學體系的理論構建。牛頓第一定律定性說明力與運動關系，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動狀態(tài)變化的關系；牛頓第三定律則定量說明了物體間及物體內各部分間的相互作用關系。有了牛頓三個定律，人們便開啟了認知慣性系中動力學規(guī)律的大門。所以英國詩人A.Pope這樣贊譽牛頓：“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?，大概念是教學進階和學生學習進階的核心主線。

實踐“大概念”學習進階，有利于學生在更大空間和更長周期內掌握物理學的研究方法和科學精神，有利于學生形成方法論和世界觀。比如本章蘊含了豐富的物理科學方法，包括理想實驗的方法、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，但可以在更廣泛的自然科學甚至社會科學的研究中都能應用。比如其中的整體法與隔離法，其實也是我們認識客觀世界的方法，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，也關注某些局部，所以這是一種思維的方法。在實際教學中因為整體法與隔離法需要轉換研究對象，所以很多學生都分不清質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：

[1]翟小銘，郭玉英.構建學習進階：本質問題與教學實踐策略[J].教育科學，2015（2）.

[2]翟小銘，郭玉英.物理建模教學例析[J].物理教師，2015（7）.

[3]翟小銘，郭玉英.科學建模能力評述：內涵、模型及測評[J].教育學報，2015（6）：75-82，106.

[4]翟小銘，郭玉英.美國科學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，中學物理課程中“力與運動”主題的核心概念進階研究[D].北京師范大學，2013.

注：本論文為教育部人文社科類規(guī)劃課題“基于科學概念學習進階的教學設計模型研究”的階段性成果，課題批準號：13YJA880022。

編輯 趙飛飛endprint