侯愛琴+鄒志宇

摘 要：“力與運(yùn)動(dòng)”是多國科學(xué)課程內(nèi)容中的核心概念。把“力與運(yùn)動(dòng)”牛頓運(yùn)動(dòng)定律這一章作為基于大概念的進(jìn)階教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)內(nèi)容，根據(jù)學(xué)生在“力與運(yùn)動(dòng)”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(dòng)；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(dòng)，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(shí)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(tái)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(dòng)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(gè)教學(xué)班，分為三個(gè)層次，1、2兩個(gè)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(jí)；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(duì)比班（但兩個(gè)班不是同一任課教師）；5、6、7、8、9、10班為六個(gè)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(duì)比班。

實(shí)際情況：對(duì)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(duì)比，可以看出：3班與4班沒有明顯差距，可以把3班選為對(duì)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(duì)比班。（此為同一位任課教師，在前測和平時(shí)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(dòng)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(duì)前測試題反饋的分析，確定在牛頓運(yùn)動(dòng)定律這一章，圍繞“力與運(yùn)動(dòng)”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(shí)，將保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)；

（2）物體所受合外力不為零時(shí)，產(chǎn)生加速度；

（3）力的作用是相互的；

（4）運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律研究物體受力與運(yùn)動(dòng)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(shí)教學(xué)和能力教學(xué)作為兩個(gè)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(shí)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(dòng)定律；

（3）用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解釋生活中的問題；

（4）通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)超重和失重；

（5）認(rèn)識(shí)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(shí)、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(shí)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(dòng)的關(guān)系；

水平2：利用已有的知識(shí)和科學(xué)推理方法，完成力和運(yùn)動(dòng)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(dòng)的變化趨勢，或根據(jù)物體運(yùn)動(dòng)情況，分析推斷受力情況；

水平4：確定力和運(yùn)動(dòng)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(dòng)”納入原有概念系統(tǒng)，面對(duì)各種真實(shí)情景，能有意識(shí)地從“力與運(yùn)動(dòng)”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(shí)、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(dòng)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(tái)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(duì)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(dòng)。

設(shè)問：小球從某一高度沿斜面下滑時(shí)，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(dòng)時(shí)，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(duì)接U形槽的一側(cè)斜面的傾角，觀察小球的運(yùn)動(dòng)情況。設(shè)問：看到什么現(xiàn)象？什么原因？

②再次減小對(duì)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(gè)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(dòng)下去。

綜合提升：力不是維持物體運(yùn)動(dòng)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(gè)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(dòng)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(dòng)原因”的觀點(diǎn)，并且還強(qiáng)調(diào)沒有力作用時(shí)物體的運(yùn)動(dòng)情況。endprint

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

綜合提升：沒有外力，物體沿直線運(yùn)動(dòng)。

過渡：這應(yīng)該作為一個(gè)原理加以確立，并且是整個(gè)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(dòng)，觀察小球的運(yùn)動(dòng)。

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

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(duì)光滑）的斜槽中運(yùn)動(dòng)，預(yù)測小球能達(dá)到的高度與前兩次比會(huì)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(dòng)到哪個(gè)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(dòng)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(dòng)的距離就會(huì)進(jìn)一步增加，達(dá)到的位置就會(huì)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(dòng)。

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(dòng)？

回顧整個(gè)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(huì)滑到與之對(duì)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(huì)逐漸升高；

理論外推：如果斜面摩擦因數(shù)減為零，小球會(huì)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(huì)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(huì)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(shí)，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(shí)，小球?qū)⑦\(yùn)動(dòng)到無限遠(yuǎn)，即，小球要保持原來的勻速運(yùn)動(dòng)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(dòng)“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(duì)本研究的思考

1.對(duì)“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(duì)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(dòng)狀態(tài)無關(guān)”，但教師在學(xué)習(xí)進(jìn)階的對(duì)比教學(xué)中，另外的對(duì)比班級(jí)很難完全抑制同樣思想的誘導(dǎo)，總會(huì)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(gè)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(gè)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(gè)相互作用物體間感覺主動(dòng)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(duì)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(duì)相關(guān)物理概念的關(guān)聯(lián)性理解、知識(shí)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(duì)比較孤立，不明白兩個(gè)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(gè)定律，實(shí)現(xiàn)了從整體上理解牛頓運(yùn)動(dòng)定律的體系。打好了牛頓運(yùn)動(dòng)定律的基礎(chǔ)，以后的曲線運(yùn)動(dòng)、萬有引力與天體運(yùn)動(dòng)、功與能、沖量與動(dòng)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(shí)才能把小桶及螺釘?shù)闹亓Υ笮‘?dāng)作對(duì)小車的拉力，這個(gè)問題要等到學(xué)生學(xué)習(xí)牛頓第二定律、會(huì)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(huì)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(shí)沒有涉及相關(guān)題目，導(dǎo)致教師對(duì)學(xué)生的前認(rèn)知沒有準(zhǔn)備。

2.對(duì)大概念教學(xué)的體會(huì)

牛頓運(yùn)動(dòng)定律相關(guān)知識(shí)均在“力與運(yùn)動(dòng)”這一大概念之下，這一章緊緊圍繞著“力與運(yùn)動(dòng)”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(dòng)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(dòng)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(gè)定律，人們便開啟了認(rèn)知慣性系中動(dòng)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?，大概念是教學(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(huì)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(shí)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(duì)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(gè)物體加速度不同時(shí)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。

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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(hào)：13YJA880022。

編輯 趙飛飛endprint