基于學習路徑的物理規律教學策略

摘 要：北師大張春莉教授提出學生已有的知識經驗、學生的思維過程、學生對知識的表征方式是構成學習路徑的三個核心要素。在以學為中心的教學背景下，特別是在物理規律課教學中，筆者試著從學習路徑的三個核心要素談規律教學的策略，同時想與教師一起針對學生的學習路徑找到相應的教學路徑，從而實施有效的教學。

關鍵詞：學習路徑；知識經驗；知識表征；圖式表征

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）9-0011-5

所謂“學習路徑”，就是指在某學段，為達到一定的學習目標，教師基于認知心理學理論，根據學習起點、載體、方法、氛圍等要素采取一定的教學策略，從而使學生形成一系列生理和心理活動的軌跡。物理概念是基石，物理規律是中心?；趯W生學習路徑的物理規律教學對物理規律形成的學習提出了更高的要求，教師應該引導學生從多個角度審視物理規律，體會物理規律的建立和發展過程，感悟其中的創新思維和科學研究方法，培養學生的創新意識和科學研究能力。

1 以獲取學生的知識經驗為起點

學生已有的知識經驗是一切學習活動的基礎，也是對個體行為和當前認知活動的先導。因此，在物理規律課教學過程中，教師不能無視學生已有的知識經驗，而應該把它作為學習原有的知識經驗。針對某一具體規律的教學，教師可以通過調查問卷、訪談、面批、課堂反饋、作業批改、教師經驗預測等方式獲取學生的已有知識經驗。例如，在“超重與失重”的規律課教學中，通過以上方式，教師可以了解到學生已有的知識經驗：

①學生對力的定義、力的產生有較大程度了解，能對物體進行受力分析以及求合力；

②知道力與運動的關系，并能運用牛頓第二定律求物體的加速度；

③知道在地球的同一地方，重力加速度是不變的；

④知道物體重力的大小可以通過彈簧稱測量，也知道彈簧稱測力的原理；

⑤對彈簧秤示數和重力認識有誤區：認為彈簧稱的示數就是物體重力的大??；

⑥對超重和失重認識有誤區：總認為超重就是物體重力增加，失重就是物體重力減小。

通過上述獲取學生已有的力的定義、力與運動關系、彈簧秤示數與重力誤區認識及生活中的超重、失重模型誤區認識，這在“超重與失重”物理學習活動中有著很重要的作用，教師要尊重上述知識基礎和生活經驗。首先是感受超重、失重的現象，然后是探究超重、失重的成因，結合牛頓第二定律和牛頓第三定律得出超重、失重的規律，最后通過各種生活現象對超重、失重知識的應用達到能解決實際問題的程度。

當然，在一般的規律教學中也是如此，教師在組織學生概括出本節規律特點前，要根據學生的已有認知及其初步概括能力，調整教學預設，再次分析引導直到學生得出比較完整的規律，這就是規律形成過程，是比較曲折的甚至是離散的。然后，教師指導學生對規律進行比較系統的定義，這并不意味著規律就真正地被掌握了，還需要學生通過問題解決的方式不斷地強化、活化。圖1是基于學生已有知識經驗的規律教學的一般流程圖。

2 以發展規律學習的思維過程為主線

如果說學生已有的知識和經驗是學習路徑的起點，那么發展學生的思維過程就是連接路徑起點和終點的橋梁。而物理規律反映的是物理概念之間的聯系，是壓縮了的知識鏈。因此，我們的教學并不是急于把這些前人獲得的結論直接端給學生，如愛因斯坦所說：“對真理的探求比對真理的占有更可貴”。

2.1 依據規律學習的思維過程確定教學過程

規律的學習，必須以思維的過程為主線從而確定教學過程，切不可在學生毫無認識或認識不足的情況下“搬出來”，不加分析地“灌”給學生。例如，在簡諧運動的規律課教學中，教師如果沒有對簡諧運動的物理過程進行全面細致的分析，而是直接根據書本案例模型就貿然給出公式F=-kx，那么，學生會將該規律理解成再一次復習胡克定律F=kx。

當然，在該規律課教學中，思維過程的主線首先是引導學生觀察和分析彈簧振子在一次全振動過程中回復力F、速度v、加速度a以及位移x 等物理量的變化情況，并找出最基本的規律來；然后通過分析比較，學生將會發現F與v的方向相反時，它們大小此增彼減，關系復雜；還可以發現F與a方向始終相同，大小同增同減，關系簡單；最后再看F與x，兩者方向始終相反，大小又成正比，所以它們之間的關系，最能準確而簡明地反映簡諧振動中力與運動的基本規律?；谶@樣的學習思維過程主線，確定教學過程，學生對于簡諧振動的規律 F=-kx就不僅知其然，而且也知其所以然了。

2.2 根據規律學習的思維難度搭建教學支架

在規律的學習中，不同的規律背后隱藏的物理量間的聯系是很難挖掘的。這時候教師可以嘗試根據學習的思維難度搭建教學支架，即通過分析與綜合，揭示規律背后的隱含條件；抽象與概括使規律簡化；歸納與演繹，通過實驗演示歸納及理論的演繹兩種方式，發現不同事物背后所遵守的共同的特征；最后通過比較與類比，發現事物的同中之異和異中之同。如圖2所示。

2.3 通過問題鏈引發深度思維

所謂“問題鏈”，是指教師為了實現一定的教學目標，根據學生的已有知識或經驗，針對學生學習過程中將要產生或可能產生的困惑，將教材知識轉換成為層次鮮明、具有系統性的一連串的教學問題，這些教學問題是一組有中心、有序列、相對獨立而又相互關聯的問題。

超重、失重是物理必修1的教學內容，在學習了牛頓三大定律之后，是對物體受力與運動之間關系規律課最精彩的教學，其學習的過程有利于學生復習鞏固牛頓三大定律的內容，同時進一步掌握分析物體受力與運動關系的基本方法，在力學體系發展中屬于對抽象的力與運動通過具體的牛頓定律進行再解釋的學習過程。在情景引入時，為激發學生興趣，引起學生背后隱藏的前認知，如超重就是重力增大了嗎？是速度增加引起的嗎？和加速度有關系嗎？可以設計如下問題鏈進行落實。

問題1：電梯從一樓到五樓的運動情況是怎樣的？

問題2：體重計的讀數與自己的實際體重是什么關系？

問題3：出現這種情況的原因是什么？

問題4：超重狀態下的物體，運動速度一定變大嗎？

問題5：失重狀態下的物體是因為物體沒有受到重力的作用嗎？

上述設計目的皆在促進思維的深度性，其中設計問題1的目的是讓學生根據實際情況，判斷電梯的速度與加速度間的關系；問題2的目的是通過現象觀察體重竟然會“變”，制造思維上的認知沖突；問題3的目的是追問，迫使學生深入分析引起“體重”變化的原因；問題4的目的是根據學生的前概念出發，速度大就超重，指出學生思維上的誤區；問題5的目的是在搞清楚問題4后，進一步分析超重、失重的條件及本質，進而掌握力與運動之間關系的處理方法。

3 以優化規律知識表征為目的

表征是認知心理學的概念，它是指知識或信息以什么樣的形式儲存于大腦之中，代表了外部世界與有機體內部之間的標定關系，是人類認識事物的一種方式。常見的表征形式有命題、圖式以及表象。同一事物，其表征的方式不同，對它的加工也不相同。例如，學習困難的學生往往是物理規律知識表征不完善，如對機械能守恒規律的理解中，是其他力做功導致機械能不守恒，其他力指什么力？重力、彈簧彈力、電場力還是合外力？

3.1 形成規律網絡圖式表征

圖式表征往往組合了概念、命題和表象，一般認為，圖式表征是指圍繞某個主題組織起來的知識網絡。認知心理學家表示，現在想不起來的事，以后可能會突然想起來，小時候做過的某些事，到老了還十分清晰。信息沒有被遺忘，就顯得網絡圖式表征尤為重要。圖3所示的知識網絡展示了機械能（動能、勢能）與功及動能定理之間的相互關系，這樣的表述使知識的呈現與表述富有結構，容易理解與記憶。

3.2 重視不同規律圖式辨析

學生學會表征規律的圖式，但是還不夠，因為很多物理知識是高度濃縮了物理規律之間的內在聯系，教師要重視不同規律間的圖式，通過聯系、組合、辨析，使學生熟悉這些圖式，遇到習題時才會自覺地進行思維。圖4是牛頓第二定律的辨析圖式，蘊含的信息量是十分豐富的，教師需要對該圖式的主要功能與作用進行解讀，使學生獲得知識框圖所隱含的意義，從視覺模式獲得命題表征。

3.3 通過規律運用習得程序與規范

掌握網絡圖式和辨析圖式，是掌握規律的基礎。但在處理、解決實際物理問題中，有許多學生很怕做題、畏懼做題，究其原因，是學生沒有掌握運用規律的程序及規范。

例題1 如圖5所示，某冰壺比賽中，運動員將靜止于O點的冰壺沿直線OB用水平恒力F推到A點放手，最后冰壺停在B點。已知冰面的動摩擦因數為μ，冰壺質量為m，OA=x，AB=L。求冰壺在A點的速率vA？

使用動能定理解題的規范程序：

①確定研究對象（冰壺）及擷取運動過程（AB過程）；

②受力分析（明確各個力是否做功，做正功還是做負功，進而明確合外力做的功）；

③運動分析（分析始、末態的動能）；

④根據動能定理列方程；

⑤對結果表達要用題中條件表示（還有有效數字問題、單位問題等）。

3.4 通過規律應用習得選用規律

當然，掌握程序與規范，是解題的基本保障。但隨著對知識的不斷深入學習，解決規律的策略將會變多，如何根據對規律的應用來選用規律，優化解題過程，是老師必須要正視的問題。例如，牛頓運動定律和動能定理，高一學生常常是學了動能定理，忘了牛頓運動定律，復習了牛頓運動定律，又忘了動能定理。故需要在規律教學中，通過對規律的應用選用規律，來幫助學生較好地理解兩大力學體系的支柱規律，為學生進一步學習指明思路，快速在兩者中加以選擇。

表1為基于兩大規律的內在特點比較。

對于上述兩大規律，基于學生已有的知識經驗分析有：對牛頓運動定律從情感角度有先入為主的思想、知識的烙印比較深、使用也日益熟練，其缺點在于分析運動過細、解決問題繁瑣、計算方程多、計算容易出錯；但對這突如其來的“動能定理”從情感和習慣上都難以接受，但動能定理的優勢在于不必考慮過程中的運動性質和狀態變化等細節，只需考慮始末狀態的動能就行，適用范圍更廣、方程簡潔、計算效率高，其缺點是對于運動過程中涉及到加速度a和時間t沒辦法解決，需要借助牛頓運動定律的幫助。

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