基于學習進階理論的物理教學設計*
——以“重力勢能”教學為例

(西北師范大學教育學院,甘肅 蘭州 730070)

1 引言

初中階段學生已經對重力勢能有了定性的認識,重力勢能是學生學習機械能守恒定律的基礎。高中階段在重力勢能的教學中,教師應該關注重力勢能概念的演變、學生思維的發展。學習進階的理論是根據學生學習情況、教學內容以及教學目標確定最近發展區,劃分出不同的學習階段,通過對每一學習階段的描述,呈現需要學習的知識和所要達到的思維水平。依據學習進階理論進行教學設計,知識之間的內在聯系更加緊密，有利于教師根據學生的實際水平設計符合學生思維發展的教學過程。筆者在學習進階理論的引領下,對重力勢能的教學進行設計。

2 學習進階理論

美國國家研究理事會(NRC)將學習進階定義為: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,學生在學習和探究某一重要的知識或者實踐領域時,其思維方式逐漸進階[1]。

學習進階理論強調學生對某一主題的概念學習需要分階段(或者學段)進行,每一階段對該概念的學習都是在前一階段的基礎上進行加深或延展。學習進階是對“應該為學生設定怎樣的學習路徑”這一問題的探索，其描述的學習路徑是學生在學習某一主題的概念時,思維所遵循的連貫的、由簡單到復雜的軌跡。這條軌跡由一系列相互關聯的、存在前后順序的概念組成,為學生提供學習圖景。指出先學什么、后學什么,先學的知識成為后續學習知識的基礎[2]。

3 基于學習進階理論的“重力勢能”教學設計

王較過、趙萍萍認為由于年齡和認知能力發展水平的限制,中學生對核心概念的學習不可能一步到位,必須經歷一個循序漸進,由淺入深,逐步深化的過程,這個過程不但表現為核心概念的學習進階,而且是可持續學習的基礎。高中生在初中時已經學習過重力勢能的概念,但是不夠深入,需要進一步學習。然而,概念的學習并非線性的,學生需要不斷地在新情景中重溫概念,以深化對概念進一步的理解[3]。

3.1 教材分析

重力勢能是學習機械能守恒定律、應用能量觀點解決物理問題的基礎，因此重力勢能的教學是本章的重點。物體由于被舉高而具有重力勢能,物體在被舉高的過程中重力做功,重力做功的過程就是重力勢能變化的過程；然后通過分析，總結重力做功與路徑無關的特點；構建重力勢能的概念，推導出重力勢能的表達式；進一步討論重力勢能具有相對性，重力勢能為物體與地球系統所共有。

3.2 學情分析

高一學生在初中階段已經對重力勢能有定性的認識，隨著學生知識的增長、思維的發展,高中生對重力勢能的認識將由定性上升到定量，在對重力做功與路徑無關的特點的認識基礎上，推導出重力勢能的表達式。學生應用能量觀點分析、解決物理問題存在很大困難,主要表現在對研究對象的選擇和物理過程的具體分析上。

還有學者對二語習得中影響語言遷移的社會因素進行大量的研究，找到影響語言遷移的因素，即年齡、性別、文化水平、社會地位、民族等因素都會影響語言遷移的發生。

3.3 進階目標

《普通高中物理課程標準(2017年版)》對重力勢能的教學基本要求是：理解重力勢能。知道重力勢能的變化與重力做功的關系[4]。學習本節內容后，學生要能理解重力勢能的概念、重力勢能的表達式,會計算物體的重力勢能,知道重力勢能的變化與重力做功的關系。

3.4 進階起點

《義務教育物理課程標準(2011年版)》對重力勢能的教學要求是：知道勢能。通過實驗,了解動能和勢能的相互轉化。舉例說明機械能和其他形式能量的相互轉化[5]。因此,高一學生在學習重力勢能之前，已經知道：受到重力的物體被舉高后所具有的能叫做重力勢能。物體質量越大,位置越高,它做功的本領就越大,物體具有的重力勢能就越大。在教學中要引導學生利用做功的一般表達式W=Flcosα，推導出重力勢能的表達式。

3.5 進階層次劃分與主要教學活動設計

進階第一層次——探究重力勢能與哪些因素有關？

在透明的容器內裝上細沙。

圖1

實驗二:用大小不同的兩個鋼球從同一高度釋放,觀察兩個鋼球落在細沙中的深度。

實驗現象:在實驗一中,鋼球釋放高度越大,鋼球落在細沙中的深度越大;在實驗二中,質量大的鋼球落在細沙中的深度大。

結論:重力勢能與物體的質量和高度有關,質量越大、高度越高,重力勢能就越大。

進階第二層次——探究重力做功與什么因素有關？

質量為m的小球,從高度為h1的位置A,運動到高度為h2的B處,在以下三種情景中重力對小球各做了多少功(如圖1、圖2、圖3)？

圖2

圖3

情景一:重力做功WG=mgh=mgh1-mgh2。

情景二:重力做功WG=mgLcosθ=mgh=mgh1-mgh2。

情景三:重力做功WG=mgΔh1+mgΔh2+mgΔh3+…=mgh=mgh1-mgh2。

結論:重力做功只與物體的初末位置有關,而與運動路徑無關。重力對小球做的功WG=mgh=mgh1-mgh2。

進階第三層次——建立重力勢能的概念。

在進階第一、二層次的基礎上,根據“功是能量變化的量度”可知“mgh”必然是一種能量,且是與物體質量和位置相關的能量,物理學中把這種能量叫做重力勢能(物體所受重力與所處高度的乘積),用EP表示,即EP=mgh。

說明:① 重力勢能的單位:焦耳(J);② 重力勢能是標量;③ 重力做功與重力勢能的關系:重力做的功等于物體重力勢能變化量的負值(用EP1、EP2分別表示物體初、末狀態的重力勢能),則WG=-(EP2-EP1)。

進階第四層次——重力勢能的相對性和系統性。

高度具有相對性，重力勢能與高度有關,因此,重力勢能具有相對性。所選參考平面(參考平面的選取是任意的,通常選取地面為參考平面)不同時,同一物體的重力勢能不同。重力勢能與重力有關,重力是地球與物體之間的相互作用,因此重力勢能是物體與地球組成的系統共有的,而不是地球上某一物體單獨具有的能量。

4 結論

基于學習進階的理論對重力勢能的教學設計,將知識進行細化,

知識之間的邏輯性更強,將重力勢能的教學過程劃分為四個進階層次,層層遞進,逐步進階,引導學生建立重力勢能的科學知識。基于學習進階的理論進行教學設計,可以推廣到其他物理知識的教學設計中。

[1] 郭玉英,姚建欣.基于核心素養學習進階的科學教學設計[J].課程·教材·教法,2016，(11):64-67.

[2] 劉晟,劉恩山.學習進階:關注學生認知發展和生活經驗[J].教育學報,2012，(2):81-87.

[3] 王較過,趙萍萍.概念圖在中學物理核心概念學習進階的應用[J].中學物理教學參考,2015，(11):2-6.

[4] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準(2017年版)[M].北京:人民教育出版社,2018:15.

[5] 中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準(2011年版)[M].北京:北京師范大學出版社,2012:21.