基于學習進階的物理教學設計探討*
——以“速度”教學為例

(西北師范大學教育學院,甘肅　蘭州　730070)

1　引言

初中階段學生對速度概念已經有了一定的認識,高中階段在“運動快慢的描述——速度”的教學中,教師應該關注速度概念的演變,學生思維的發展。學習進階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,來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時,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。[1]因此,學習進階理論為“運動快慢的描述——速度”的教學設計提供了理論依據,本文在學習進階理論的指引下,對“運動快慢的描述——速度”的教學進行設計。

2　學習進階理論

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。[2]

學習進階理論強調學生對某一主題概念的學習需要分階段進行,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。學習進階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,先學的知識成為日后要學知識的基礎。[3]

3　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。[4]高中生在初中時已經學習了速度的概念,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,學生需要不斷在新情景中重溫概念,以深化對概念的理解。

3.1　教材分析

速度是學生在高中階段學習的第二個矢量，高中的“速度”和初中學過的“速度”有本質區別，在教學過程中首先要強調學生對速度矢量性的理解、平均速度和瞬時速度的區別，引發學生對過程量和狀態量的思考，為學生建模能力的發展打下基礎。同時，通過極限的思維方式，從平均速度過渡到瞬時速度，讓學生理解兩者的區別與聯系。

3.2　學情分析

高一學生學習“運動快慢的描述——速度”之前已經對速度概念有了初步的認識。隨著學生知識的增長、思維的發展、概念的演變,高中與初中對速度概念的定義由“路程與時間”的比值變為“位移與時間”的比值，由標量變為矢量,因此，本節課的教學是高中物理矢量教學的起點，教學效果直接影響學生對學習物理的興趣。學生對坐標和坐標變化量的理解容易接受，對于速率與速度、平均速度與平均速率等物理概念的關系，需要從生活中的實際問題出發，引發學生的思考，從而更進一步進行理解和區分。

3.3　進階目標

《普通高中物理課程標準(2017年版)》對速度教學的基本要求是：理解位移、速度和加速度。通過實驗，探究勻變速直線運動的特點。[5]學習本節內容后學生要理解速度的概念,知道速率與速度、平均速度與平均速率的聯系與區別，會應用速度知識解決實際問題，能夠解釋生產、生活中與速度有關的物理現象。

3.4　進階起點

3.5　進階層次劃分與主要教學活動設計

3.5.1進階第一層次——坐標與坐標的變化量

情景1：如圖1所示，一輛汽車沿平直公路行駛，以公路為x軸建立直線坐標系，t1時刻汽車處于x1點，坐標是x1=10m，一段時間后，t2時刻汽車到達x2點，坐標是x2=30m。

圖1

問題1：汽車運動時間、位置坐標的變化量各是多少？

答案：設用Δt表示汽車運動時間的變化量，則Δt=t2-t1。設用Δx表示汽車位置坐標的變化量，則Δx=x2-x1=20m。

問題2：汽車運動的位移是多少？

答案：汽車運動的位移大小是20m，方向沿x軸的正方向.

問題3：在情景1中，如果汽車沿x軸的另一個方向運動，汽車位移Δx的是正值還是負值？

答案：汽車位移Δx是負值.

歸納總結：

(1)坐標軸的物理意義。

(2) 坐標——狀態量(時刻、位置等)，坐標變化量——過程量(時間間隔、位移等)。

(3) 變化量的計算方法。

(4) 矢量的變化量中正負號的含義。

3.5.2進階第二層次——速度概念的建立

情景1: 在100m賽跑中，A同學用了12s跑完全程，B同學用了15s跑完全程，A、B同學誰跑得快？

情景2: 在體育課上，C同學10s跑了90m，D同學10s跑了80m，C、D同學誰跑得快？

情景3: 在體育課上，E同學10s跑了80m，F同學12s跑了100m，E、F同學誰跑得快？

問題：如表1所示，在情景1、情景2、情景3中，哪位同學跑得快，為什么？

表1情景學生時間(s)位移(m)情景1A12100B15100情景2C1090D1080情景3E1080F12100

答案：在情景1中，A學生跑得快，因為位移相同時，所用時間少的跑得快；在情景2中，C學生跑得快，因為所用時間相同時，位移大的跑得快；在情景3中，F學生跑得快，因為時間、位移都不相同時，單位時間內位移大的跑得快。

歸納總結：

(2) 速度單位為m/s，讀作米每秒。

(3) 速度的大小為單位時間內物體的位移大小，方向為物體運動的方向。

3.5.3進階第三層次——深入理解速度的矢量性

問題1：某同學沿著操場跑道跑了一圈，他的速度是多大，為什么？

答案：速度是零，因為他的位移是零。

問題2:問題的結論與初中得出的結論的本質區別在哪里？

3.5.4進階第四層次——平均速度與瞬時速度

在進階第三層次問題1中，該同學每時每刻都在運動，但速度為零，似乎與實際情況相矛盾，為什么？

閱讀教材中“說一說”欄目：著名物理學家、諾貝爾獎獲得者費恩曼講過的一則笑話。[7]

引導學生討論上述問題后，歸納總結：

(1) 平均速度為時間間隔Δt內的平均快慢程度，粗略描述物體運動的快慢。

(2)瞬時速度為t時刻運動的快慢，精確描述物體運動的快慢。

情景：若一輛汽車在行駛過程中每時每刻的瞬時速度均等于全程的平均速度，這輛汽車做的是怎樣的運動？

答案：是勻速直線運動，因為它是瞬時速度始終保持不變的運動，即瞬時速度等于平均速度。

3.5.5進階第五層次——對速率與速度、平均速率與平均速度的理解

在學生閱讀教材P16相應部分的知識點后，教師引導學生總結歸納：速率是瞬時速度的大小，速率是標量。

平均速率為物體運動的路程與所用時間的比值。初中教材所講的速度概念實際上是平均速率，平均速率一般不等于平均速度的大小。

4　結語

基于學習進階理論，筆者對“運動快慢的描述——速度”的教學進行設計，在學生原有的基礎上,遵循學生思維的發展特點,將“運動快慢的描述——速度”的教學進行細化，知識之間的邏輯性更強。通過創設學習速度概念的物理情景，引導學生運用科學思維方法建立速度概念；選擇具體問題，引導學生運用速度概念解決問題，讓學生形成速度的科學知識；依據學習進階理論對教學設計進行指引,可以推廣到其他物理知識的教學設計中。

參考文獻：

[1] 吳宏偉.基于學習進階的教學設計——“功”[J].湖南中學物理,2017,(8):71-73.

[2] 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.

[3] 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.

[4] 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.

[5] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準(2017年版)[S].北京:人民教育出版社,2018:11-12.

[6] 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,2012:16.

[7] 人民教育出版社,課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.普通高中課程標準實驗教科書物理必修1[M].北京:人民教育出版社,2010:15-18.