李旭斌 陳曉陸 鄭朝陽

(中國人民大學附屬中學朝陽學校 北京 100028)

1 問題的提出

《普通高中物理課程標準(2017年版)》指出：“物理觀念”是從物理學視角形成的關于物質(zhì)、運動與相互作用、能量等的基本認識；是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華；是從物理學視角解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的基礎.學習好物理概念是形成正確物理觀念的前提，由于物理概念本身存在抽象、高度概括的特點，學生對概念的學習往往注重內(nèi)容的記憶，而不善于理解概念；在運用學習過的概念分析新問題時，時常遇到困難.例如，筆者通過課前訪談發(fā)現(xiàn)，高一學生通過初中階段的學習能夠說出“力不是維持運動狀態(tài)的原因，物體運動狀態(tài)的改變需要力”，但對“推即動、不推即?！爆F(xiàn)象缺乏進一步思考，并且對于陌生情境(例如光滑水平桌面上做勻速圓周運動的鋼球在細繩突然斷裂后的運動方式的判斷等)，不能很好地運用“慣性是維持物體運動狀態(tài)的原因”進行分析.

學習進階成為近幾年國內(nèi)學者研究的熱點之一.郭玉英教授于2016年提出，學習進階的起點是學生的前認知，終點是期望達到的教學目標，學生的學習進階過程要經(jīng)歷從起點到終點一序列的中間發(fā)展階段，并提出了“經(jīng)驗”“映射”“關聯(lián)”“系統(tǒng)”“整合”的概念進階模型，從“整合與發(fā)展”大的方向，建構(gòu)統(tǒng)一的概念體系，在此基礎上設計合理的學習進階，以促進學生科學素養(yǎng)的連貫發(fā)展.

一線教師在物理概念或物理規(guī)律教學中，如何借鑒“概念進階層級模型”，輔助學生理解并形成正確物理概念，同時運用概念分析和解決新問題，是一個值得研究的方面.

2 基于認知進階的分層教學設計

高中學生認知發(fā)展特點可以概括為“由感性到理性”“由具體到抽象”“由簡單到復雜”.結(jié)合高中生認知發(fā)展的特點及“概念進階層級模型”，筆者針對物理概念或規(guī)律的教學，設計了如下的認知進階層級模型(表1).

表1 物理概念或規(guī)律的認知進階層級模型

3 教學實踐

3.1 “慣性概念”認知層級劃分與進階教學設計

以《普通高中物理必修第一冊(人教版)》的第四章第1節(jié)“牛頓第一定律”為例，本節(jié)課主要圍繞“牛頓第一定律(慣性概念)”“慣性與質(zhì)量”展開教學，下面以“慣性概念”建立為例，進行有關認知層級進階的教學實踐.

有關“慣性概念”的認知層級劃分與進階教學設計如表2所示.

表2 “慣性概念”認知層級劃分與進階教學設計

3.2 “慣性概念”認知分層進階教學實施

教師活動1：引入亞里士多德觀點，提出問題，“如何設計實驗證明物體的運動不需要力維持？”

學生活動1：通過分組討論，運用已有經(jīng)驗概念和對生活現(xiàn)象的觀察，舉例“水平地面上滾動的足球”“人蹬滑板車，撤去蹬力，人和車仍然能夠運動一段距離”等，論證“物體的運動不需要力維持”.

教師活動2：提出問題，“如何正確解釋桌面上的水壺，‘推即動、不推即?！默F(xiàn)象？”

學生活動2：聯(lián)想初中階段學習過的“阻力對物體運動影響”實驗結(jié)論，說明水壺不推即停，是因為水壺和桌面之間的摩擦很大，水壺在撤去推力后運動的距離很短，肉眼無法觀察.

教師活動3：通過以下雙斜面裝置(圖1)，引導學生2人一組，通過分組實驗探究“介質(zhì)阻力對鋼球運動的影響”，引導學生明確實驗的自變量是介質(zhì)阻力，因變量是鋼球爬升高度，控制變量是鋼球釋放高度，無初速度自由釋放.

圖1 雙斜面裝置

學生活動3：設計實驗操作方案，將鋼球從乳膠管左側(cè)端口無初速度自由釋放，觀察鋼球爬升高度，并用標簽紙記錄下這一高度；接著，通過往管里加少量水增大介質(zhì)阻力，進行相同的操作；最后，分析鋼球在弧形軌道中的受力，考慮到鋼球重力是恒定的，有效減小阻力的方法是讓鋼球沿弧形軌跡運動的過程中不與乳膠管接觸，實現(xiàn)的方法是用細繩對鋼球的拉力Ft“等效替代”弧形軌道對鋼球的支持力Fn，即通過單擺實現(xiàn)鋼球沿弧形軌道運動過程中僅受空氣阻力，由此減小鋼球運動過程中的介質(zhì)阻力，觀察并記錄鋼球爬升高度.得出實驗結(jié)論“介質(zhì)阻力越小，鋼球上升高度越接近釋放高度”.

教師活動4-1：提出問題，“在無任何介質(zhì)阻力的理想條件下，鋼球最后將爬升至什么位置？”

學生活動4-1：建立在活動3的實驗事實基礎上，運用“理想實驗法”，通過邏輯推理分析得到“無介質(zhì)阻力條件下，鋼球?qū)⑴郎玲尫鸥叨取?

教師活動4-2：通過以下牛頓第一定律演示儀裝置(圖2)，引導學生推理無阻力條件下鋼球運動位置，逐漸減小左側(cè)上升坡面傾角，引導學生推理鋼球運動情況.

圖2 牛頓第一定律演示儀

學生活動4-2：根據(jù)“理想實驗”，運用邏輯推理得到“在無阻力條件下，每次減小上升坡面傾角，鋼球均能爬升至釋放高度”.

教師活動4-3：引導學生推理在無阻力條件下，上升坡面傾角為零時，鋼球的運動情況.

學生活動4-3：運用邏輯推理得到“鋼球?qū)⒁恢边\動下去，且運動快慢和方向均不改變，鋼球做勻速直線運動”.

教師活動4-4：給出牛頓第一定律，即慣性定律，完成慣性概念的建立.

學生活動4-4：將建立的正確認知與書本概念的規(guī)范表述相對應.

3.3 對照班“慣性概念”教學實施簡介

教師活動1：演示實驗現(xiàn)象“水壺推即動，不推即停”，引出亞里士多德“物體運動需要力維持”的觀點.

教師活動2：通過問題“伽利略是如何證明物體運動不需要力維持呢？”引導學生通過圖2裝置探究阻力對鋼球運動的影響.讓一個小球沿斜面從靜止狀態(tài)開始運動，小球?qū)ⅰ皼_”上另一個斜面；如果沒有摩擦，小球?qū)⒌竭_原來的高度；如果第二個斜面傾角減小，小球仍將到達原來的高度，但是運動的距離更長.由此可以推斷，當斜面最終變?yōu)樗矫鏁r，小球要到達原有高度將永遠運動下去.這說明，力不是維持物體運動的原因.

教師活動3：引出笛卡爾觀點，如果運動中的物體沒有受到力的作用，它將繼續(xù)以同一速度沿同一直線運動，既不會停下來，也不會偏離原來的方向.

教師活動4：引出牛頓第一定律的表述，并且指出牛頓第一定律中物體這種保持原來勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)的性質(zhì)叫做“慣性”.

4 實驗研究

4.1 測試目的與被試選取

為檢驗基于物理概念或規(guī)律的認知進階教學，對輔助學生物理概念形成和規(guī)律認知的成效，筆者對實驗班和對照班學生進行了后測，其中比較典型的兩道測試題，分別考查學生對慣性概念的理解情況和運用情況.測試題1跟蹤學生概念建立過程中“根據(jù)實驗獲取事實證據(jù)”“基于事實證據(jù)進行邏輯推理”兩個方面能力的發(fā)展情況，這兩個方面是完成慣性概念建立的重要發(fā)展階段；測試題2以“分析和應用”的層級要求，考查學生運用慣性解決新問題的能力.

本研究選取本校2019級在讀高一學生作為被試，本校高中物理教學為走班教學，并且依據(jù)學生的能力水平，將學生分為從高到低A，B，C，D 4個層次共8個班級，同層次有兩個班，本文選取同一教師所教授的B1(33人)、D1(20人)為實驗班，B2(29人)、D2(22人)為對照班.

4.2 測試題選取與考查點設計

本文選用的兩道測試題分別反映學生對慣性概念的理解和運用情況.測試題1由北京高考題改編，考查學生“慣性概念”形成過程中關鍵認知層級的達成情況，學生在“系統(tǒng)與推理”層級下，是否能夠按照邏輯次序以雙斜面實驗事實推理光滑水平面上的運動情況，以評價學生對慣性概念的理解情況；測試題2是一道易錯題，考查學生運用“慣性概念”分析解決問題的能力.

【測試題1】如圖3所示，某同學在探究斜面阻力對鋼球運動影響的實驗過程中，通過某方面的實驗操作，發(fā)現(xiàn)小球沿斜面上升的位置依次為1，2，3，由此通過推理得出的最直接結(jié)論是( )

圖3 測試題1題圖

A.小球所受阻力越小，小球沿斜面右側(cè)爬升高度越接近釋放高度

B.如果斜面光滑，小球?qū)⑸仙脚cO點等高的位置

C.隨著右側(cè)上升坡面傾角的減小，小球?qū)⑷匀簧仙脚cO點等高的位置

D.如果小球不受力，它將一直保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)

【測試題2】如圖4所示，在一輛表面光滑的小車上，有質(zhì)量分別為m1和m2的兩個小球(m1>m2)隨車一起勻速運動，當車突然停止時，如果不考慮其他阻力，設車足夠長，則兩個小球( )

圖4 測試題2題圖

A.一定相碰

B.一定不相碰

C.不一定相碰

D.無法判斷，因為不知道小車運動方向

4.3 研究數(shù)據(jù)與分析

第1題的正答率如圖5所示.

圖5 測試題1正答率

同層次實驗班表現(xiàn)優(yōu)于對照班，在“系統(tǒng)與推理”層級下，實驗班基于實驗事實推理理想條件下實驗結(jié)論的邏輯清晰程度更高，對“慣性維持物體運動狀態(tài)”的深入理解更到位.

第2題正答率如圖6所示，該題正答率能夠體現(xiàn)出明顯的班級層次差異性，同層次實驗班學生運用“慣性維持物體運動狀態(tài)，物體運動狀態(tài)改變需要力”解決問題的能力優(yōu)于對照班.

圖6 測試題2正答率

5 結(jié)論

本文通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，基于認知進階的分層教學設計對引導學生“慣性概念”的形成有較好的成效，并且對提升學生運用“慣性概念”分析解決實際問題的能力起到積極作用.