摘 要:文章基于概念學(xué)習(xí)進階與科學(xué)論證整合的教學(xué)理論框架,以勻變速直線運動的位移與時間的關(guān)系為例,建構(gòu)了概念學(xué)習(xí)進階的層級假設(shè)與表現(xiàn)期望,設(shè)計了促進概念學(xué)習(xí)和科學(xué)論證能力協(xié)同發(fā)展的教學(xué)活動。
關(guān)鍵詞:學(xué)習(xí)進階;核心素養(yǎng);科學(xué)論證;整合教學(xué)
《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》提出了圍繞科學(xué)觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的物理學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo),體現(xiàn)了高中物理課程“從知識為本”向“以人為本”的目標(biāo)轉(zhuǎn)變。這也要求物理教師在教學(xué)中要避免單一的以知識為主線,而應(yīng)充分考慮到學(xué)生的認知特點與思維層次,建構(gòu)學(xué)生學(xué)習(xí)進階的路徑,整合教學(xué)內(nèi)容,以發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng),促進學(xué)生的全面發(fā)展。
一、概念學(xué)習(xí)進階與科學(xué)論證整合的教學(xué)理論
弭樂、郭玉英基于“整合發(fā)展”的理念,建構(gòu)了概念學(xué)習(xí)進階與科學(xué)論證整合的教學(xué)理論框架。該框架指出,教學(xué)要依據(jù)大概念展開,以問題驅(qū)動的形式,運用口頭表達、書面論證、小組合作等多種教學(xué)策略,在構(gòu)建科學(xué)概念的不同進階點時設(shè)計不同水平的論證活動,以促進學(xué)生概念理解和科學(xué)論證能力的協(xié)同發(fā)展。
結(jié)合該框架與基于學(xué)習(xí)進階的教學(xué)設(shè)計模型展開教學(xué)設(shè)計包含四個環(huán)節(jié):基于進階的學(xué)情分析、學(xué)習(xí)過程的設(shè)計、教學(xué)開發(fā)、反饋?;谶M階的學(xué)情分析要根據(jù)選取的主題確定核心概念,依據(jù)核心概念和學(xué)情、教學(xué)目標(biāo)分析,建構(gòu)概念進階和論證進階框架。其中,概念進階包含經(jīng)驗、映射、關(guān)聯(lián)、系統(tǒng)、整合五個層級的表現(xiàn)期望,論證進階根據(jù)表現(xiàn)期望分別為初級、中級、高級三種水平。學(xué)習(xí)過程的設(shè)計則是根據(jù)學(xué)生所處的概念進階層級,結(jié)合預(yù)設(shè)的表現(xiàn)期望,設(shè)計相應(yīng)水平的論證活動。教學(xué)開發(fā)環(huán)節(jié)應(yīng)以學(xué)習(xí)過程設(shè)計為腳本,精心設(shè)計驅(qū)動問題,擬定任務(wù)流程和具體的學(xué)習(xí)活動。教學(xué)開發(fā)的活動設(shè)計是指向?qū)W生對應(yīng)的表現(xiàn)期望。反饋是指教學(xué)實施后需要通過多種方式對學(xué)生的概念和科學(xué)論證能力發(fā)展水平進行測試和評價,幫助教師了解和掌握學(xué)生現(xiàn)狀。下面針對人教版高中物理必修一第二章第3節(jié)“勻變速直線運動的位移與時間的關(guān)系”內(nèi)容,從整合與發(fā)展的理念出發(fā),就學(xué)情和教學(xué)目標(biāo)分析、教學(xué)活動設(shè)計兩個方面進行教學(xué)設(shè)計。
二、基于學(xué)習(xí)進階的學(xué)情與教學(xué)目標(biāo)分析
(一)勻變速直線運動的位移與時間的關(guān)系概念學(xué)習(xí)進階假設(shè)
勻變速直線運動的位移與時間的關(guān)系涉及四個運動學(xué)階段的關(guān)鍵概念:位移、速度、加速度、勻變速直線運動。基于科學(xué)概念理解發(fā)展層級模型,結(jié)合教學(xué)實踐經(jīng)驗,建構(gòu)勻變速直線運動的位移與時間的關(guān)系概念的學(xué)習(xí)進階假設(shè)與具體表現(xiàn)期望(如下頁表)。
(二)學(xué)習(xí)進階難點分析
科學(xué)觀念的形成離不開具體的物理概念和構(gòu)建概念過程中蘊含的科學(xué)思想方法的支撐。在勻變速直線運動的位移與時間的關(guān)系概念建構(gòu)過程中,進階的難點在于學(xué)生并不熟悉極限思想和微元法,以及缺乏相應(yīng)的數(shù)學(xué)工具和基礎(chǔ)。教學(xué)活動應(yīng)圍繞主題概念,設(shè)置合適的情境,利用問題驅(qū)動,設(shè)計任務(wù)活動和學(xué)習(xí)過程,通過不同水平的論證環(huán)節(jié)幫助學(xué)生建構(gòu)關(guān)鍵概念的進階過程,促進概念學(xué)習(xí)進階和科學(xué)論證能力的協(xié)同發(fā)展。
三、教學(xué)活動設(shè)計
根據(jù)學(xué)生本課內(nèi)容學(xué)習(xí)過程中可能存在的進階難點,以整合概念進階與科學(xué)論證的能力為理念,設(shè)計本課主要的教學(xué)活動。
進階起點:經(jīng)驗——勻變速直線運動圖象的猜想
情境與驅(qū)動問題:展示本章第一節(jié)實驗裝置圖,做勻變速直線運動的小車其v-t圖象為一條傾斜的直線,那么其x-t圖象的形狀可能是什么形狀?
表現(xiàn)期望分析:學(xué)生能夠基于勻變速直線運動的速度隨時間變化規(guī)律,猜測其x-t圖象的形狀,并能運用物理規(guī)律和數(shù)學(xué)方法進行推理和解釋。
概念層級與論證水平分析:概念層級為經(jīng)驗層級,論證水平為初級論證水平1,即學(xué)生能夠依據(jù)證據(jù)選擇適當(dāng)?shù)挠^點。
【設(shè)計意圖】利用已學(xué)實驗裝置設(shè)置新問題,激發(fā)學(xué)生求知熱情。
進階1:經(jīng)驗到映射——估算紙帶上點跡的距離
回顧勻速直線運動的位移與時間關(guān)系,引導(dǎo)得出其v-t圖象面積可以表示位移。
情境:在實驗中,有一名同學(xué)不慎將原始紙帶丟失,只在實驗報告中找到記錄下幾個點瞬時速度的表格。
問題:如何估算紙帶上計數(shù)點間的距離?估算的位移比真實位移偏大(小)?如何減小差值?
學(xué)生估算結(jié)束后展示丟失的原始紙帶,驗證估算的距離與真實距離的大小關(guān)系。
表現(xiàn)期望分析:在概念理解經(jīng)驗層級下,學(xué)生能通過將勻變速直線運動分割為多個勻速直線運動來估算位移,經(jīng)過分析得出估算的位移與真實位移之間的大小關(guān)系,能夠推測出如果分割的時間間隔越小,估算位移越接近真實位移。實現(xiàn)概念層級從經(jīng)驗到映射的進階。
概念層級與論證水平分析:概念層級為映射層級,論證水平為初級論證水平2,即學(xué)生針對一個科學(xué)問題,按照要求提出觀點,并用證據(jù)、理論依據(jù)、推理支持它,該過程有核心概念提示以及觀點、證據(jù)、推理的提示。
【設(shè)計意圖】通過學(xué)生熟悉的真實情境搭建腳手架,讓學(xué)生逐步體會分割求和的微積分思想。
進階2:映射到關(guān)聯(lián)——理論推導(dǎo)v-t圖象的面積表示位移
情境:展示勻變速直線運動的v-t圖象,將其按時間等分為幾個勻速直線運動。利用多媒體動畫和幾何畫板演示將v-t圖象逐漸分割的矩形面積之和逐漸逼近梯形面積的過程。
問題:這幾個勻速直線運動的位移之和(矩形面積之和)能否粗略地表示勻變速直線運動的位移?如何更加精確?論證過程中用到了什么樣的思想方法?你還知道哪些應(yīng)用了此思想方法的例子?
展示古代割圓術(shù)的思想,介紹極限思想的應(yīng)用。介紹數(shù)學(xué)上微積分思想應(yīng)用以及微積分思想在生活生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用。
表現(xiàn)期望分析:在概念理解為映射層級下,學(xué)生能夠?qū)蜃兯僦本€運動的v-t圖象分割為多個勻速直線運動來求和表示其位移,并能夠論證如果分割的時間間隔越小,則矩形面積之和越接近真實位移。通過幾何畫板輔助最終得出無窮分割時,矩形面積之和等于v-t圖象圍成的梯形面積,能夠準(zhǔn)確反映勻變速直線運動的位移。同時,能夠利用速度、加速度、時間等物理量表示出勻變速直線運動的位移,實現(xiàn)從概念理解映射到關(guān)聯(lián)層級的進階。
概念層級與論證水平分析:概念層級為關(guān)聯(lián)層級。論證水平為中級論證水平,即學(xué)生能針對一個科學(xué)問題,按照要求提出觀點,并用證據(jù)、理論依據(jù)、推理支持它,該過程沒有腳手架。
【設(shè)計意圖】通過本環(huán)節(jié)論證活動,使學(xué)生進一步理解極限思想與微元法的應(yīng)用,聯(lián)系其他學(xué)科和生活生產(chǎn)時間,通過真實情境整合科學(xué)知識,以發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的核心素養(yǎng)。
進階3:關(guān)聯(lián)到系統(tǒng)——推導(dǎo)勻變速直線運動的位移表達式
問題1:如何利用速度、加速度、時間等物理量表示出梯形的面積?
問題2:有同學(xué)認為,剛才的結(jié)果是從勻加速直線運動出發(fā)推導(dǎo)的,對于勻減速直線運動則不成立,你的觀點是?
表現(xiàn)期望分析:在概念理解關(guān)聯(lián)層級下,學(xué)生能夠運用勻變速直線運動的速度與時間變化規(guī)律、加速度以及梯形面積公式得出多種表示勻變速直線運動位移的表達式,可以結(jié)合v-t圖象的面積進行數(shù)形結(jié)合的論證,能夠通過反駁觀點,進而理解位移表達式中速度、加速度的矢量性。實現(xiàn)從概念理解的關(guān)聯(lián)到系統(tǒng)層級的進階。
概念層級與論證水平分析:概念層級為系統(tǒng)層級,論證水平為高級論證水平,即學(xué)生能針對一個或幾個觀點,按照要求構(gòu)建科學(xué)論證,包括觀點、證據(jù)、推理、反駁,該過程有概念、推理、證據(jù)、反駁的提示。
【設(shè)計意圖】讓學(xué)生經(jīng)歷勻變速直線運動的位移關(guān)系式的推導(dǎo)過程,鼓勵學(xué)生從多個角度、利用多種方式得出結(jié)論,有助于發(fā)展學(xué)生的思維品質(zhì)。
進階4:系統(tǒng)到整合——描繪和論證勻變速直線運動的x-t圖象
情境:展示如下圖①②所示的兩幅學(xué)生畫出的x-t圖象。
問題:哪一幅圖正確地反映了其位移與時間的關(guān)系?
實驗驗證情境:利用位移傳感器驗證討論的結(jié)果。
問題:有同學(xué)認為,物體做的是直線運動,畫出的x-t圖象不應(yīng)該是曲線,怎么解釋?
表現(xiàn)期望分析:在概念理解的系統(tǒng)層級下,學(xué)生能定性描繪出勻變速直線運動的x-t圖象,能運用數(shù)形結(jié)合等方法建構(gòu)科學(xué)論證,指出不合理圖象的錯誤之處,并獨立提出科學(xué)觀點,實現(xiàn)概念理解從系統(tǒng)到整合層級的進階。
概念層級與論證水平分析:概念層級為整合層級,論證水平為高級論證水平,即學(xué)生能針對一個或幾個觀點,按照要求構(gòu)建科學(xué)論證,包括觀點、證據(jù)、理論依據(jù)、推理、反駁,該過程沒有腳手架。
【設(shè)計意圖】回扣引入時的話題,同時通過實驗驗證環(huán)節(jié)學(xué)生所做出的x-t圖象,能夠讓學(xué)生經(jīng)歷探究成功的喜悅,同時發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究的核心素養(yǎng)。
四、結(jié)語與展望
在新課程改革理念下,圍繞核心概念的教學(xué)內(nèi)容整合已經(jīng)成為眾多專家和一線教師的共識。核心概念的學(xué)習(xí)需要一系列具體概念的學(xué)習(xí)才能實現(xiàn),指向概念的學(xué)習(xí)與關(guān)鍵能力的培養(yǎng)的整合教學(xué)有利于促進學(xué)生的核心素養(yǎng)發(fā)展。以往教學(xué)過程中,教師往往是憑借經(jīng)驗確定學(xué)生具有的認知水平和思維層次,并在此基礎(chǔ)上展開教學(xué)設(shè)計。但在飛速變化的時代下,學(xué)生的變化也是巨大,以往的經(jīng)驗是否還依舊準(zhǔn)確令人懷疑。通過學(xué)習(xí)進階測試工具,可以更準(zhǔn)確地了解學(xué)生的概念理解層級以及能力水平,進而選擇更科學(xué)的教學(xué)策略。
參考文獻:
[1]弭樂.郭玉英.概念學(xué)習(xí)進階與科學(xué)論證整合的教學(xué)設(shè)計研究[J].課程·教材·教法,2018(05).
[2]張玉峰.基于學(xué)習(xí)進階的科學(xué)概念教學(xué)內(nèi)容整合[J].課程·教材·教法,2019(01).