基于學習進階的物理學習情況分析*

張玉峰

(北京教育科學研究院基礎教育教學研究中心 北京 100036)

學習情況分析是在教學設計之前對學生學習的認知基礎、可能達到的發展水平、學習中可能遇到的困難、學習興趣與愛好等方面進行的全面診斷.學習情況分析是教學設計的重要組成部分，進行學習情況分析有利于貫徹因材施教原則，提升教學針對性.

傳統的學習情況分析往往側重對知識基礎、能力水平與興趣愛好等方面的靜態分析，缺乏從學生認知發展過程的角度進行動態分析，缺乏對認知發展關鍵點及其產生原因的分析.這樣的狀況導致學習情況分析往往僅憑借教學經驗，缺乏足夠證據；對學習情況分析的結果往往是碎片化的，難以支撐有效教學策略的選擇.

本文首先基于已有研究確定影響學生學習的主要因素，并在此基礎上從學習進階的過程和學習的影響因素兩個維度建立學習情況分析框架，最后基于框架討論學習情況分析的內容與策略并以“加速度”為例說明分析框架的使用.

1 影響學生學習的主要因素

探索影響學生學習的主要因素一直是學科教學研究的熱點.研究者(Posner，1982；徐寧，2009)根據不同的研究目的從不同視角篩選了影響學生學習的因素.Posner 等人將影響概念轉變的因素形象地描述為“概念生態圈”(Conceptual ecology).概念生態包括認識論信念、原有概念、學習的本質、概念的本質、問題解決的策略、情意領域、科學的本質等因素[1].北京師范大學徐寧博士提出的概念支撐體系理論認為[2]，概念學習的必要支持要素包括四大支持要素：個體經驗背景、系統知識、意義因素與思維因素.

本文把影響學習進階的因素概括為知識與經驗、思維與信念、技能與實踐、態度與責任等4個主要方面.

知識因素主要包括物理學科知識、跨學科概念和其他學科的知識等3類.經驗包括日常生活中與學習內容相關的現象，以及基于現象獲得的體驗，學科實驗現象與結果等.經驗因素還包括學生頭腦中存在的大量前概念.

思維是指從學科化的視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及其相互關系的認識方式.思想方法與思維策略是思維的重要組成部分.信念主要是指基于科學本質、學習本質的認識論信仰.思維與信念密不可分.任何思維必定帶著一定的信念，信念形成與應用一定離不開思維，并促進思維發展.

技能既包括動手操作技能，也包括思維技能.物理學科實踐活動可以分為物理量的測量、探究性實驗、驗證性實驗、小制作等.實踐因素包括提出問題，猜想假設，設計實驗方案并獲取證據，使用不同手段和方法分析、處理數據等方面.

態度與責任是學生學習的動力因素，并影響認知的效率和效果.態度、責任與信念密不可分.

2 基于學習進階的學習情況分析框架

早在2007年美國國家研究委員會(NRC)就對學習進階作出明確界定，學習進階是對學生在一段較長的時間跨度內學習或研究某一主題時，學生的思維方式從新手型到專家型的連續且有層級的發展路徑的描述[3].學習進階具有上位錨點和下位錨點[4].因此，確定學習進階的起點和終點是刻畫思維方式發展路徑的首要任務.但學習進階并非只有起點和終點，還有若干中間層級.在中間層級的進階過程中，學習情況分析需要弄清楚有哪些進階的關鍵點、學生思維從低層級發展到高層級的條件及其路徑等內容.

從學生認識發展的角度看，教學的目的便是促進學生的思維方式由簡單到復雜的發展.教學要有效促進學生的學習進階，就需要從學生的角度分析影響學生進階的各種認知因素與非認知因素，然后采用合適的教學.因此，需要建立具有可操作性的學生學習情況分析框架.

筆者以學習進階過程和影響學生學習進階的因素作為兩個維度建立如表1所示的分析框架.

表1 基于學習進階的物理概念學習情況分析框架

3 學習情況分析的內容與策略

3.1 分析原有認知基礎 建構新舊知識聯系

現代學習觀認為，人們用他們已經知道和相信的知識去建構新知識和對新知識的理解[5].學生已有的前科學概念或者體驗對概念的學習可能起到正反兩種截然不同的作用.因此，我們有必要分析學生擁有哪些與概念學習有關的認識或者能力，這不僅有助于建立概念，并在此基礎上建立概念與已有概念的聯系，有助于深入理解概念，形成結構良好的概念體系.

學生原有的認知基礎可以分為兩大類：一類是有助于概念學習的認知基礎；一類是干擾概念學習的錯誤認識.

探查學生原有認識的方法也就多種多樣，大體上可以分為直接法和間接法.所謂直接法就是通過對學生的直接觀察、測驗、訪談等具體方式了解其原有認識.所謂間接法就是通過查閱相關研究文獻、咨詢有經驗的教師等間接方式了解學生原有認知.

3.2 分析學習進階關鍵點及其影響因素 明確教學目標與重難點

確定恰當的教學目標和重難點是設計合理的教學過程、選擇有效的教學策略的前提.反之，則是低效教學，甚至是無效教學.從學生角度分析學習進階的關鍵點，并基于此確定教學目標與教學重難點.

物理概念學習進階的關鍵點往往存在于以下“位置”：第一，受到錯誤概念的較強干擾，從錯誤概念轉變到科學概念的“位置”.第二，需要較復雜的數學知識或者學科思維方法才能實現學習進階的“位置”.第三，從若干相關的實驗事實，概括得出結論的“位置”.第四，在學習進階過程中需要建模的“位置”.當然，學習進階的關鍵點還可能存在于其他“位置”，往往需要根據具體知識的特點進行具體分析，而不是一概而論.

分析突破學習進階關鍵點的影響因素可以從以下幾個方面進行：首先，在對具體學習內容分析的基礎上，以分析框架的學習影響因素維度為線索，分析有哪些具體的認知和非認知因素在影響學習進階.其次，對這些影響因素進行分類，區分哪些是學生已經具備的，哪些是目前不具備的，或者存在某種程度的錯誤認識.

在分析學習進階關鍵點的基礎上，明確教學目標和教學重難點，有利于加強教學目標對整個教學過程設計和教學策略選擇的統領性，有利于有針對性地突破教學重難點.

3.3 分析學習進階路徑及其影響因素 為個性化的學習指導提供依據

學習進階的路徑往往不是唯一的，不同的路徑具有不同的特點，對應于不同的認知過程，自然影響學習進階的因素就不同.例如，加速度建構可以有兩個不同的路徑：一個是在大量不同物體加速運動的事實經驗基礎上，采用比值定義法或者根據變化率概念，定義加速度描述物體速度變化快慢；另一個是做出不同物體做勻變速直線運動的速度—時間圖像，然后根據數學上斜率概念，借助圖像定義加速度概念.顯然，通過這兩個不同的途徑都實現了定義加速度的目標，但由于學生原有認知基礎的不同，可以根據學生實際情況采用不同的方式.

學習進階路徑的影響因素主要有兩類：一類是課程標準的內容標準與教學要求；另一類是學生頭腦中原有的知識、技能、思維方式等若干方面的影響因素.

那么，如何分析學習進階路徑呢？第一，研究課程標準與教材，弄清楚課程標準中要求的學習進階路徑；第二，從學科學知識建構角度，分析其他可能的學習進階路徑；第三，根據學生的實際認知水平，分析這些不同路徑在現階段哪些是可行的，并比較它們的影響因素有哪些不同.

3.4 分析學習進階終點及其影響因素 為學生遷移與創新能力發展奠定基礎

學習進階終點包括“在核心概念下的概念體系整合；概念與跨學科概念之間的聯系；反思概念理解過程獲得的反省認知知識.[6]”這些內容更容易遷移到其他主題，也是發展學生創新能力的知識基礎.因此，分析學習進階終點的具體內容，并在教學中有針對性地規劃與實施，正是培養學生遷移能力和創新能力的可操作途徑.

可以從以下幾個方面分析影響概念學習進階的因素：第一，分析學生頭腦中原有的、與學習內容相關的概念體系是怎樣的？有哪些相關的跨學科概念？有哪些相關的認知策略？第二，學習具體內容對概念體系的完善、跨學科概念的理解和反省認知知識的獲得有什么幫助？第三，影響因素有哪些？這些因素中哪些是主要的？哪些是次要的？哪些是學生已經具備的？哪些又是不具備的？第四，具體學習內容在促進學生概念整合方面可能存在哪些方面的障礙或者困難？這些障礙或者困難中哪些是學生可以獨立克服的？哪些是必須在教師指導下才能克服的？

3.5 分析影響學習的非認知因素 提升學生學習動力

學生由于自身的成長環境、性格特點等方面的不同，具有不同的學習興趣、態度與動機.在學習進階的不同階段，由于學習內容和思維層次的不同，學生往往會在學習興趣、好奇心、求知欲等方面表現出明顯不同.例如，在速度概念學習過程中，有的學生對動手操作、實驗現象等方面感興趣，則在事實經驗建立的過程容易產生學習興趣；有的學生對探討知識間的因果關系感興趣，則在從平均速度如何進階到瞬時速度的過程容易產生學習興趣.因此，分析不同學生，甚至同一學生在學習進階的不同階段影響學生學習的非認知因素是非常有必要的.

分析影響學生學習的非認知因素應注意挖掘在哪些“點”上容易激發學習興趣與動機，可以關注以下幾個方面：第一，在事實經驗的積累階段，往往需要學生動手操作、觀察實驗現象等，這些與現象緊密聯系的動手操作活動往往能激發學生的學習興趣.第二，與生產、生活實際緊密聯系的“點”容易激發學生的學習興趣，例如，在高速公路上如何對行駛車輛進行速度監控，定點測速與區間測速各有什么特點，它們之間是怎樣的關系等問題.第三，建立概念之間關聯或者存在因果解釋的“點”容易激發那些喜歡思考知識內容內在邏輯、追求和諧統一的學生的學習興趣.例如，在學習了用電場強度描述電場的強弱之后，分析在重力場或者萬有引力場中如何定義學科量描述場的強弱.第四，動腦與動手相結合的“點”，例如，設計實驗測量電源的電動勢和內電阻、如何解釋小燈泡的伏安特性曲線等.

分析影響學習的非認知因素既要關注內在的興趣、好奇心與求知欲，又要關注因為內容的有用性或者對個人發展的價值判斷而引起的外部學習動機.

4 案例分析

基于前述分析框架，以高中物理中“加速度”一節為例,學習情況分析如下.

4.1 原有認知基礎

學習加速度概念之前，已經學習了速度概念，對矢量概念也有了解，在建構速度概念中采用了比值定義法，在從平均速度得出瞬時速度的過程中，采用了極限思想.這些思想或者方法都為加速度概念的建立提供了基礎.在生活經驗中，已經具備了速度變化的體驗.在數學課上已經對變化率的概念有初步了解.同時，學習本節前有些學生頭腦中存在與加速度相關的大量錯誤前概念，例如，加速度就是“增加的速度”；只有物體做加速運動才有加速度；速度越大，加速度就越大；速度變化量越大，加速度就越大等.

4.2 學習進階的關鍵點及其影響因素

主要體現在：第一，加速度是矢量，學生剛剛建立矢量概念，對矢量概念的理解還不夠深刻，容易忽視或者弄錯加速度的方向；第二，涉及矢量的變化量和變化率，這兩個概念對學生比較陌生，但又是重要的，另外，由于還沒有學習平行四邊形法則，矢量變化量的計算也是學習的關鍵點；第三，加速度建立在比速度更加抽象的速度變化量基礎之上，并且學生并不能像觀察物體的位置變化或者速度大小那樣觀察到加速度，因此，建立加速度概念時，學生缺乏直觀感受；第四，學生頭腦中存在大量與加速度概念有關的錯誤概念，這些錯誤的前概念往往會干擾學生對加速度概念的理解.

4.3 學習進階路徑

4.4 學習進階終點及其影響因素

加速度學習進階終點可以包括以下幾個方面：認識到描述運動的物理量位移、速度與加速度之間的邏輯關系；體會從描述運動到分析運動狀態的變化，即分析加速度的產生原因，這是物理學研究的一般思路；認識到物理學中常常用物理量的變化率描述這個量的變化快慢；認識到物理量之比是物理學中用來定義物理量的常用方法.這些學習進階的影響因素主要包括：對位移、速度等原有知識的理解，對變化量這個跨學科概念的理解，對密度、速度等物理量定義方式的反思程度.

4.5 影響學習的非認知因素

日常生活、生產中，既有應用加速度的實例，也有防止加速度過大引起危害的實例，本節內容容易聯系生活、生產實際，有利于激發學習興趣.

以上是筆者基于學習進階針對物理學習情況分析所采取的一些思考探索，旨在拋磚引玉，期望得到同仁們的批評指正.

致謝：本文得到云南省昆明市五華區基礎教育科學研究中心趙堅先生悉心指導，在此表示感謝.