基于卡甘合作學習結構的教學設計*
——以“機械能守恒定律”一節為例

李小鋒 裴姍姍 馬曉蘭

（湛江市第二中學 廣東 湛江 524000）

袁 勇

（佛山市順德區第一中學 廣東 佛山 528300）

我國教育部制定的《普通高中物理課程標準（2020年修訂）》明確指出模型構建是科學思維的要素之一.教師在教學過程中應該逐步滲透建模的思想，培養學生的建模意識和能力.然而如何設計教學讓學生實現主動學習、深度學習是一線教師需要認真思考和探討的問題.經過大量的文獻調研和長期的教學實踐分析后發現，采用卡甘合作學習結構進行物理教學能有效促進學生科學建模能力的提升，提高學生學習積極性和效率.

1 科學建模簡介

北京師范大學郭玉英研究團隊經過多年來的研究認為，科學建模能力是主體意識對客體現象復雜加工過程中表現出來的個性化心理品質［1］.學生基于原有認知、實驗觀察從真實情境中提取能夠表征現象或規律的關鍵信息，如圖像或物理量，通過描述和解釋現象或規律暴露出學生的前概念或模型存在的問題，從而對學生內隱的心智模型或建構的物理模型進行補充和修正，完善模型.因此，教師在教學中應注重學生建模能力的培養，促進學生形成正確的物理觀念.

然而，物理教學很容易變成教師滿堂灌和學生被動接受的尷尬局面，學生個體的迷思概念很難被發現和糾正，這導致物理課堂枯燥無味，學生逐漸失去學習興趣.

2 卡甘合作學習結構簡介

卡甘合作學習結構是由曾任教于美國高校的卡甘（Spencer Kagan）教授提出的旨在促進合作學習和主動投入的交互式教學方法［2］.教師可以根據不同的教學內容加以相應的結構形成一節內容豐富的教學活動，即“內容+結構=活動”.

“結構”是卡甘與其他合作學習理論倡導者的差異所在，簡單地說，結構是一種教學策略，用以規定學生與教師、學生與教學內容、學生與學生之間如何發生互動，教師只要將特定的學科教學內容鑲嵌到合作結構中，就能創造出一個個新的活動來［3］.結構的多樣性能成為學生枯燥學習的調味品，為課堂帶來樂趣；學生四肢動起來，大腦處于興奮狀態可以使思維活躍、注意力集中［4］；每個學生獲得表達想法的機會，提升學生的社會存在感、認同感和自我價值感.

3 教學流程

結合以上理論分析和研究，以人教版高中物理必修二第八章第4節“機械能守恒定律”一節為例，探討如何采用卡甘合作學習結構進行科學建模的物理規律課教學，建模流程如圖1所示.

圖1 基于卡甘合作學習結構的科學建模流程——機械能守恒定律

4 教學活動片段賞析

4.1 創設情境 表征表述

教師播放奧運會中國運動員的跳板跳水過程，引導學生復習動能、重力勢能和彈性勢能之間的轉化關系，介紹機械能的基本概念，提出疑問：運動員從最高點向下運動的過程中他的機械能如何變化呢？

教師引導學生把運動員抽象為質點，將運動過程抽象為自由落體運動，提取物理參數，從重力做功角度探討重力勢能減少量和動能變化量的關系.

內容1：研究小球做自由落體運動中的機械能.

質量為m的小球由離地面高為h的位置自由下落，如圖2所示，落地時速度為v，重力加速度為g，以地面為參考平面，忽略空氣阻力，求：

圖2 小球做自由落體運動

（1）小球下落全程中重力做功與重力勢能減少量的關系；

（2）小球下落全程中重力做功與動能變化量的關系；

（3）分析小球的重力勢能減少量與動能變化量之間的關系；

（4）如果只研究其中一段過程，如圖3所示，經過離地面高為h1的位置1和離地面高為h2的位置2時速度為分別為v1和v2，則上述表達式將有什么變化.

圖3 自由落體運動中的一段過程

結構1：兩人“思考-配對-分享”.

使用規則：課前將同桌兩人進行編號，分別為A和B.操作步驟如下.

（1）每人自主學習2 min，將分析結果寫在紙上，老師計時，時間到，停止作答.

（2）同桌兩人將分析過程放在一起對比，A先向B講解自己的分析過程，B認真傾聽，并與自己的結果進行對比，找出相同和不同點.交換角色，B在向A表示感謝后講解，A認真傾聽.每人講解時間控制在1 min之內，在分析過程中，要求頭對頭低聲說，不影響其他組.

（3）最后兩人將結果整理，盡可能得出彼此都認可的分析方法，時間1 min.

（4）教師隨機抽取一組學生將分析過程投影在屏幕上（或者在黑板上寫出分析過程），任意抽取A，B其中一人進行匯報，如果匯報不夠順利，另一人進行補充說明.

（5）其他人對匯報結果進行反饋，得出統一結論，并對匯報人表示肯定和鼓勵.

實踐分析：（1）內容.教師創設真實的物理情境，將運動抽象為簡單的自由落體運動物理模型，符合學生基本認知規律.（2）結構.學生先自主學習，這決定每個人在學習中需要承擔自己的責任.在配對交流中，絕大部分學生都樂意參與進來，組織語言分析自己的思路并認真聽取同桌的表述，當遇到不同意見時學生會馬上提出自己的看法，教師能夠觀察到學生從疑惑到欣喜的表情變化.對于無法達成一致意見的小組，在分享環節學生會更加仔細傾聽.當聽到“小球的重力勢能變化量等于動能變化量”時，馬上有學生提出“重力勢能變化量是負值，動能變化量是正值，應該是重力勢能的減少量等于動能的增加量”.學生對物理量的理解更加到位，語言描述更加精確.整個互動過程中學生更多關注的是問題本身而不是自己是否會回答錯誤，在這種積極和諧的學習氛圍中學生學習傾聽、表達、辯論，思維更加發散，班級存在感和個人價值感獲得極大的提升.

4.2 改變條件 歸納推理

如果小球不是做自由落體運動，而是在斜面上運動，它的機械能會如何變化呢？

內容2：研究小球在光滑斜面上做勻變速直線運動時的機械能.

在光滑固定的斜面上靜止釋放一個質量為m的小球，如圖4所示，小球先后經過離地面高為h1的位置1和離地面高為h2的位置2，在位置1和位置2的速度分別為v1和v2，斜面傾角為θ，重力加速度為g，以地面為參考平面，忽略空氣阻力.請分析小球從位置1到位置2過程中：

圖4 小球在光滑斜面上做勻變速直線運動

（1）重力做功與重力勢能減少量的關系；

（2）合力做功與動能變化量的關系；

（3）小球的重力勢能減少量與動能變化量之間的關系；

（4）小球在位置1的機械能和在位置2的機械能之間的關系.

結構2：兩人“思考-配對-分享”

結構法的使用規則不變，兩人先獨立思考，然后互相解釋自己的分析思路，對不同觀點進行整合，并與匯報同學的解析過程進行對比，在教師的指導下得出統一結論.

實踐分析：（1）內容.豎直面拓展為光滑斜面，學生對小球重新做出受力分析，判斷各個力的做功情況，利用動能定理得出動能的變化量.學生常見的易錯地方在配對交流環節中快速被捕捉并修正，極大促進了學生物理觀念的建立.教師為學生鋪設難度逐漸增加的臺階，有助于學生復習和鞏固受力分析及做功的基本知識，更為復雜情境做準備.（2）結構.這個過程更多的是關注學生建模能力的培養及迷思概念的暴露和解決，依舊采用熟悉的“思考-配對-分享”的結構.學生間的交流更加頻繁，伴隨著激烈的辯論，觀點的碰撞讓學生更加投入到思考中.學生感受到的是學習的樂趣、思考的力量，這種深刻的學習體驗是學生一生的財富.

4.3 質疑創新 模型補充

內容3：研究小球在粗糙斜面上勻變速直線運動時的機械能.

將內容2中的光滑斜面改為粗糙斜面，其他條件和問題保持不變，請學生分析結果將會有何不同.

結構3：兩人“思考-配對-分享”.

結構法的使用規則和操作步驟不變，教師可根據學生的具體情況進行時間調整.在學生匯報完畢后，教師引導學生總結機械能守恒的條件.

教師：小球重力勢能的減少量是否還與動能的增加量相等？有什么關系呢？

學生：小球重力勢能的減少量比動能的增加量要大.

教師：為什么小球減少的重力勢能沒有完全轉化為小球的動能呢？

學生：小球與斜面之間摩擦產熱.

教師：此時小球的機械能如何變化？

學生：小球機械能變小.

教師：請同學們結合以上分析從做功和能量轉化的角度總結出機械能在何種情況下保持不變.

實踐分析：（1）內容.光滑斜面變為粗糙斜面，小球的受力更加復雜.學生寫出動能定理并移項后發現，初、末狀態的機械能不相等，有學生解釋“小球受到摩擦力作用”“摩擦產熱”“一部分機械能轉化為內能”“減少的重力勢能沒有完全轉化為動能”等.此時教師引導學生從受力、做功和能量轉化的角度對模型進行歸納推理，適當拓展至有彈力做功的情況，得出機械能守恒定律.（2）結構.學生經歷了3次同桌“思考-配對-分享”的過程，基本掌握合作技巧.在語言表達方面能夠實現低聲說、簡潔表述等基本要求，及時反饋問題并探討.學生沉浸在思考和探討的濃厚氛圍里，說明卡甘合作學習結構對學習過程有極大地促進作用.

4.4 拓展遷移 模型應用

內容4：判斷下列物體在運動過程中的機械能是否守恒.

如圖5所示：（a）小球做平拋運動；（b）小球在輕繩作用下在豎直平面內繞O點做圓周運動；（c）跳傘運動員勻速下降；（d）小明同學乘電梯從1樓上升至10樓.

圖5 判斷物體在運動過程中的機械能是否守恒

結構4：兩人“輪流說”.

使用規則：課前將同桌兩人進行編號，分別為A和B.

操作步驟如下：

（1）A獨立判斷（a）和（c）兩個問題，B獨立判斷（b）和（d）兩個問題.

（2）A向B分析自己的判斷過程及結果，B傾聽；然后A和B互換角色，B講A聽.在分析過程中如遇到不同的意見同桌兩人討論交流，如果無法達成一致意見可暫時擱置，分析下一個問題.在分析過程中，要求頭對頭低聲說.

（3）教師任意抽取一組學生匯報.在匯報時，A和B交叉分析對方的題目，即A分析（b）和（d），B分析（a）和（c），促使學生自主和合作學習，嘗試理解他人的觀點.

（4）在匯報過程中，如果對匯報有異議，可直接提出并討論，但要注意語氣和用詞，教師在必要時給予指導.

實踐分析：（1）內容.在遇到具體情境或較復雜的問題時，學生會不假思索地用前概念分析問題，這是一種思維定勢.交流中，同桌兩人很快出現爭議：做平拋運動的小球機械能守恒，但豎直平面內的圓周運動中，學生會不假思索地認為繩子拉力對小球做功，機械能改變.跳傘過程中認為勻速運動時動能不變，機械能也不變.有學生誤認為電梯加速時人的機械能增加、減速時機械能減少.前概念被暴露出來后，與新知識的矛盾得到修正，建立科學的物理觀念.（2）結構.輪流說的模式極大地將矛盾暴露出來，促使學生尋找證據支撐自己的觀點，在他人分享時注意觀點的漏洞，及時提出解決方法.當學生各分兩派討論跳傘運動員的機械能和乘電梯中人的機械能的變化時，整節課的氣氛達到高潮.學生學會反思，欣賞他人，思維通過發散和整合變得更加嚴謹.

內容5：估測按壓式圓珠筆內彈簧彈性勢能的大小.

日常使用的按壓筆在按壓后筆內彈簧具有一定的彈性勢能，設計實驗方案并粗略測量彈簧的彈性勢能.每支按壓筆的質量為5.3 g，g取9.8 m／s2.

結構5：同桌配對.

使用規則：（1）同桌兩人共同設計實驗方案，并進行嘗試.

（2）實驗操作時，明確各自分工，兩人協同實驗，一人負責讀數和記錄。實驗完畢，一人負責填寫實驗步驟，另一人填寫注意事項.

（3）同桌兩人分別進行數據處理，得出具體結果.

（4）教師任意抽取一組同學進行匯報，并與其他同學的結果進行對比.

實踐分析：（1）內容.利用抽象的物理規律解決實際問題是個難題，部分學生一時不知所措.有學生不斷嘗試后發現，可以測量筆彈起來的高度求出重力勢能，進而轉化為彈簧的彈性勢能.教師創設具體的問題情境，讓學生體會利用物理知識解決實際問題的優勢，不僅鞏固、深化和活化對規律的理解，也讓學生學到分析問題的方法，提高解決問題的能力，培養創造力［5］，同時領會守恒思想在物理學中的重要作用.（2）結構.學生的分工協作、溝通交流、質疑創新、人際交往等能力得到極大提升，學習興趣和動力也在輕松歡快的探索環境中得以提高，實現了深度學習的目標.

5 總結

采用科學建模的方法，學生經歷表征表述、歸納推理、質疑創新、模型補充、遷移應用等環節，模型建構能力得以提升，迷思概念得以暴露并進行修正，學會應用物理知識解決問題，形成對科學本質的認知.采用卡甘合作學習結構能有效提高學生的參與度，激發學習的積極性，形成積極的學習氛圍，提升自主學習能力，促進學生物理核心素養的提高，落實學科育人的重要目標.