基于學習進階的課堂教學設計與實踐

杜靜 彭小月

摘 要：本文基于學習進階理論，通過分析進階起點、終點和進階水平，探討“動能和勢能”一節的教學設計，并以學習進階的關鍵“階”點為依托，嘗試進行教學實踐.

關鍵詞：學習進階;教學設計和實踐;動能和勢能

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）24-0049-04

基金項目：山東省教育教學研究重點課題“基于初中物理核心概念的學習進階實踐研究”（項目編號：2018JXZ1043）.

作者簡介：杜靜（1970-），女，山東鄒平人，本科，中小學正高級教師，山東省特級教師，研究方向：初中物理教學教研;

彭小月（1975-），女，山東鄒平人，本科，中小學副高級教師，研究方向：初中物理教學.

學生認知發展過程一直是科學教育界普遍關心的問題.基于知識碎片理論，教學論專家認為“學生認知思維發展過程具有進階特點”，并據此提出“學習進階”教學理論.本文結合初中物理“動能和勢能”一節，嘗試將學習進階理論應用于教學設計和實踐中.

1 學習進階的含義

美國對學習進階的研究起步最早，其成果體現在《美國新一代科學教育標準》中.《標準》闡述學習進階，以逐級遞進的方式連貫地表征出學生K-12 各學段中應達到的表現水平，使科學內容學習隨著年級升高逐漸擴展.多個教育機構和學者對學習進階進行界定，如首次提出學習進階的史密斯將其定義為：學習者在理解某核心概念過程中所遵循的一系列逐漸復雜的思維路徑.再如，美國國家研究理事會（NRC）認為：學習進階是對學生連貫且逐漸深入的思維方式的假定描述，在一個適當的時間跨度下，學生在學習并探究某一重要知識或者實踐領域時，其思維方式逐漸進階.學習進階實際上是延續課程與教學論對“應為學生設定怎樣的學習路徑”這一核心問題的探索，如布魯納提出螺旋式課程設計、維果茨基提出最近發展區理論、布朗和坎皮奧內提出“發展階梯”“跨年級、跨年齡的學習路徑”，等等，這些概念的提出都為學習進階研究奠定理論基礎.

2 基于學習進階的“動能和勢能”教學設計

本文參考北京師范大學郭玉英研究團隊提出的“基于學習進階的科學教學設計模型”，結合我們對學習進階內容的理解，進行“動能和勢能”的教學設計（如圖1所示）.

2.1 進階起點分析

進階起點是對開始理解某個概念之前學生已掌握知識的描述.

學生已有的事實經驗：如運動物體具有能量的具體事例，高空下落物體具有能量的具體事例，被壓縮的彈簧等發生形變的物體具有能量，運動快的物體能量大的具體事例.當然，此時學生頭腦中還存在“只有生物具有能量”“靜止于高處的物體沒有能量”等迷思概念.

學生已有知識：人教版初中物理教材八年級下冊將“動能和勢能”安排在“功”“功率”之后學習，此時學生已經學習功的定義，知道做功包含兩個必要因素，會計算功的大小，會比較做功快慢，能計算功率大小.教材從“是否做功”的角度出發，依托生活實際，幫助學生建立能量的概念，符合學生的認知規律.

學生思維特點：學生思維傾向于將“能量”“動能”“勢能”與可觀察、可感知的具體實物或因素相聯系，如：因為物體運動，所以具有能量;因為物體大，所以能量多;等等.因此，學生思維還處于“基于日常經驗中，利用簡單因果推理認知能量”的認知水平.

2.2 進階終點預設

進階終點是進階結束后應該達到的目標，即最終被期望獲得的知識或技能.根據《義務教育物理課程標準（2011年版）》要求，學生需要達到“了解能量及其存在的不同形式;描述各種各樣的能量和生產、生活的聯系;知道動能、勢能和機械能”的教學目標.教材方面，在人教版初中物理教材中，設計“探究物體動能與哪些因素有關”的實驗，并介紹影響重力勢能和彈性勢能的因素.結合進階路徑，設定本節課進階終點：能定性描述物體動能與物體質量、速度的關系，能定性描述物體重力勢能與物體質量、高度的關系，知道彈性物體在一定范圍內形變越大，其具有的彈性勢能越大;學會運用轉換法，將比較鋼球動能轉換為比較木塊被撞擊移動距離的遠近;學會運用控制變量法進行實驗探究.通過學習本節內容，學生逐步形成能量觀念;掌握運用機械推理方式認知能量的方法，即利用抽象物理概念思考“能量”;逐步學會從能量角度分析并研究生活實際問題.

2.3 進階水平

功是初中物理力學核心概念，做功過程是能量轉化的過程，且做功多少是能量轉化的量度.要提高學生認知水平，應當從已有“功”的概念出發認知能量，這就需要教師為學生搭建不同“階”認知能量.通過對課標、教材以及學情進行分析，本文依據學習進階理論提前預設4個進階水平（見表1）.

3 基于學習進階的“動能和勢能”教學實踐過程

3.1 進階水平1：重視原有知識經驗，感知能量

視頻播放：電影《海嘯》中海嘯產生巨大破壞力的片段.

設計意圖：通過這一令人震撼的畫面，讓學生感受到大自然巨大的能量威力，喚醒學生頭腦中已有事實經驗，形成初步能量認識，提高學生保護自然、敬畏自然的意識.

學生實驗：利用小球、彈簧、橡皮筋及身邊物品模擬大自然的各種力量將“房子”（紙盒）毀壞——移動、掀翻、變形.

學生進行實驗后分析實驗中流動的空氣、滾動的球、壓縮的彈簧、拉長的橡皮筋、舉高的小球是否對“房子”做功.

設計意圖：利用學生動手實驗，在鞏固原有知識“功包含兩個必要因素”的同時，引導學生運用抽象思維，如果這些物體對“房子”做功，就說明這些物體具有能量，順利引出能量的概念，這是學生第一次學習進階實現的關鍵.

3.2 進階水平2：建立動能和勢能的概念

請學生分析流動的空氣、滾動的球、壓縮的彈簧、拉長的橡皮筋、舉高的小球等物體具有能量的原因，并將能量進行分類.

歸納總結得出動能、重力勢能和彈性勢能的概念.

設計意圖：利用分析歸納法將事實經驗與科學術語之間建立簡單聯系，讓學生明確什么是動能、重力勢能和彈性勢能，為更高水平的學習鋪好階梯.

3.3 進階水平3：探究影響動能、重力勢能和彈性勢能的因素

實驗一：探究物體動能大小與哪些因素有關.

多媒體播放颶風的視頻后提出問題：狂風能撼動大樹，而微風只能搖動樹葉，說明動能有大有小，動能大小與什么因素有關？

小組討論得出：動能大小可能與質量、速度有關.

設計意圖：利用生活實例讓學生意識到不同物體的動能大小可能不同，接著提出問題引導學生思維進階發展.

請學生利用斜面、鋼球、木塊等器材設計實驗.在學生設計實驗過程中，教師提出四個思考問題：

（1）怎么改變小球到達水平面的速度？

（2）怎樣使質量不等的小球到達水平面時的速度相等？

（3）怎樣判斷小球動能大??？

（4）如何設計實驗步驟？

學生分組完成實驗探究后，教師請一個實驗小組展示實驗過程，一位學生進行實驗，另一位學生講解，其他學生適時補充，分享實驗結論.

設計意圖：教師通過問題串引導學生深入思考，與學生思維構建階梯，使學生能順利設計出實驗方案.通過讓學生經歷基本科學探究，學會初步科學探究方法，培養學生相互合作的能力，實現由簡單因果推理向機械推理的思維進階.

交流：實驗操作中發現的不足之處，并提出改進方法.

這時學生討論非常積極熱烈，完全把自己當成一個發明家.

有的說，在實驗時小球的運動軌跡不是直線，有時無法準確撞擊到木塊.

討論得出改進方法：用“帶槽軌道”代替斜面.

有的說，實驗中難以把握小球從同一高度滾下的準確初始位置 .

討論得出改進方法：在斜面的一端豎直固定一把刻度尺.

有的說，木塊的運動軌跡不是直線，不容易比較木塊被推動的距離.

討論得出改進方法：木塊改為圓柱體，并讓圓柱體在直軌道中運動，且軌道一側標上刻度，直接讀出圓柱體運動距離.

有的學生對“質量不同的兩個小球從同一高度滾下到底端速度相同”會心生疑慮.

討論得出改進方法：在小球運動的軌道上不同位置放置兩個光電門，用計時器測出不同質量小球經過相同距離所用時間，從而獲得并比較小球到斜面底端時的速度.

教師利用改進后的器材進行演示實驗.

設計意圖：“紙上得來終覺淺，覺知此事要躬行”.學生從教材或教輔書上學到的實驗方案遠沒有親身設計感受深刻.學生在操作中發現實驗器材的不足，然后進一步改進實驗，學生會有很高的成就感，強烈地激發學生創造思維，實現“科學探究”的教學價值.

實驗二：探究物體重力勢能大小與哪些因素有關.

講述《狼牙山五壯士》的故事，然后提出問題：你覺得怎樣才能使石塊更具殺傷力？

學生思考與交流后得出：重力勢能可能與高度和質量有關.

利用如圖2所示自制實驗器材進行演示：同一鉤碼從不同高度落下，比較木塞被撞擊后在玻璃管中移動的距離;再讓不同質量鉤碼從同一高度落下，比較木塞被撞擊后在玻璃管中移動的距離.

設計意圖：與動能相比，學生對重力勢能的理解有一定難度.因此本環節巧妙創設情境、通過問題啟發學生積極開展思維活動，驅使學生有目的地積極探索.通過此次探究過程，不僅讓學生認識到重力勢能大小與質量和高度有關，也糾正學生錯誤的認知——只有運動的物體具有能量.實驗中再次利用控制變量法和轉換法等科學研究方法，為學生下一步自主探究鋪好階梯.

實驗三：探究物體的彈性勢能大小與哪些因素有關.

讓學生利用小時候玩過的弓箭、彈弓或身邊的彈簧、橡皮筋、尺子、橡皮等自主探究影響彈性勢能大小的因素.

設計意圖：從觀察、分析演示實驗到在教師指導下進行實驗探究，再到教師放手讓學生完全自主探究，逐步實現實驗能力水平方面的進階.

3.4 進階水平4：整合與應用

（1）分析海嘯具有什么能量，為什么破壞性這么強？

（2）物體具有能量可以對外做功，但事物總是有正反兩面，有些有益，有些有害.

請通過討論交流的方式利用今天所學知識，為公共安全設計一句警示語.

（3）探究發條小車的原理.

玩一玩：讓小車動起來，比一比誰能讓小車跑得更遠.

猜一猜：拉動車上的線，小車具有什么能？

想一想：能量發生怎樣的變化？小車還可以進行怎樣的改進？

設計意圖：學生通過解決具體問題，整合應用相關物理知識，發展學生核心素養，鞏固進階成果，同時也為下一節“機械能及其轉化”的學習做好鋪墊.

4 有關基于學習進階教學設計的思考

4.1 教學設計要尊重學生原有認知和經驗

心理學家奧蘇貝爾有句名言：“如果我不得不把全部教育心理學還原為一條原理的話，我將會說影響學習的唯一的最重要的因素是學生已知的內容.弄清這一點后，再進行相應的教學.”這告訴我們，教師在教學設計之前，要先通過問卷調查、訪談、查閱資料等方式了解學生實際所處的進階水平，從而確定進階起點.

4.2 教學設計中要構建基于學習者視角的“階”

俗話說，教學要讓學生“跳一跳，摘得到”.這就要求教師的教學設計要符合維果茨基“最近發展區”理論，在進階起點與進階終點之間架設基于學習者視角的“階”，這個“階”代表學生的不同思考方式，而不是簡單的是否獲得某個知識.

4.3 基于學習進階的教學設計，有利于學生物理核心素養的發展

物理核心素養是學生在接受物理教育過程中逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力.這一素養是學生在長期的連續的學習過程中逐漸形成的，這與學習進階的含義一致.因此，我們可以應用學習進階規劃核心素養的發展，首先將核心素養的形成過程分成幾個大的“階”，然后在每一節物理課中再搭建層層小“階”，尋找適合學生的最佳學習路徑，幫助學生拾“階”而上，提高學生的物理核心素養.

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（收稿日期：2021-07-18）