基于學習進階理論的中學物理實驗教學策略探析

師婕　楊曉輝

摘 要：本文以學習進階為理論基礎，通過對中學物理實驗課堂的特點分析，從整體上把握物理實驗教學，提出進階策略，幫助學生順利達成學習目標，達到進階終點，實現核心素養(yǎng)的提升，以期為教師教學提供參考。

關鍵詞：學習進階；物理；實驗教學；策略

中圖分類號：G633.7? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2023）02-0106-04

學習進階理論最早可以追溯到布魯納的“螺旋式課程”，強調邏輯的先后順序，可分為橫向進階和縱向進階，前者指以某一知識點的不同深度為主線，由淺入深地完成進階，后者指學生對某一概念的理解以時間序列為軸完成進階。這一概念自提出以來，得到了越來越多學者的關注。實驗教學是中學物理教學中的重要組成部分，是用來提高學生對物理知識掌握程度的重要方法；學生也可以從物理實驗操作探究的過程中提高探究能力。學習進階更加注重學生在學習過程中實際知識和能力的發(fā)展狀態(tài)的同時關注學生潛在的發(fā)展，指向更高層級的知識和能力的獲得，這一點與實驗教學的教學目標不謀而合。在新時代教育背景下，應該如何基于學習進階的形式使得中學物理實驗教學的教學效果更加顯著是一些教育工作者值得深思的問題。因此，以培養(yǎng)學生在物理實驗中的邏輯思維和科學探究能力為出發(fā)點，基于學習進階理論，筆者提出了一些中學物理實驗教學策略。

1 學習進階理論概述

1.1 學習進階的概念

“進階”一詞在古漢語中是臺階的意思，意為從低級到高級，也指在原來的基礎上有較大程度的提高。美國國家研究理事會（NRC）將學習進階（Learning Progressions）定義為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，其思維方式的逐漸進階；Roseman（羅斯曼）等指出學習進階反映了由小學階段到高中階段的學生發(fā)展規(guī)律；Stevens（斯蒂文斯）等將學習進階定義為“學習進階是一種方式，通過它可以使科學內容、教學和評價策略這三者更為一致和有組織，最終促使學生掌握核心概念”；我國學者范增認為學習進階描述了學生從小學入學到高中畢業(yè)的過程中持續(xù)學習某一核心概念時所應遵循的典型學習路徑，表現為圍繞核心概念展開的、由小學延續(xù)到高中的一個“概念序列”；李雨陽認為學習進階的概念是學生在學習某一部分知識或發(fā)展某一關鍵能力的過程中，對知識的理解日益深化，能力不斷得到提高，思維方式日益復雜，并且在這一過程中是呈階梯狀發(fā)展，這種發(fā)展就是學習進階。北京師范大學郭玉英團隊在層級復雜度和知識整合等認知理論的基礎上，通過大量的實證檢驗，提出了契合我國學生實際的科學概念理解發(fā)展的層級模型[1]。

時至今日，學習進階仍然沒有一個明確的概念界定，但是不同學者對于學習進階的定義卻有著相似之處，他們都認為學習進階是學生在學習進程中認知水平的不斷深化發(fā)展。那么筆者認為學習進階是指在學生掌握某一知識的過程中，教師通過設置不同的進階層次，層層遞進，這些從淺入深的層級即為“階”，就是通過多個“階”，將同一個知識內容學習的起點和終點連接起來，形成一條循序漸進且認知不斷發(fā)展的路。所以在應用學習進階理論研究時有兩個很重要的點，一是時間，二是知識內容。時間是不間斷且不斷向前進的，在這個過程中必須關注學生的發(fā)展，對知識內容的分析同樣也很重要，學生認知發(fā)展水平要與學科知識特點相符合。

1.2 學習進階的要素

在教學過程中采用學習進階進行教學，必須事先設計好學習進階的路徑，也就是從學習進階的起點到學習進階的終點所要達到的水平層次，簡單的理解，就是從低水平到高水平之間需要有不同的“階”。學習進階涉及很多水平的層級，絕不可能是一下子就能達到的，我們需要真正了解學生理解的障礙點，在這個點上幫助他們設置跳一跳所能夠到的“臺階”。在這里由多個“臺階”將學習進階的起點和終點聯系起來，進而構成學習進階的路徑[2]。

（1）進階起點。學生在學習新的知識之前，在頭腦中已經存在一定的知識基礎，稱為前概念，那么在教學開始之前，以此作為教學的起點，前概念分為正確的前概念和錯誤的前概念，教師作為學生學習的引導者和合作者，要幫助學生改正錯誤的前概念，在正確的前概念上完成學習進階，讓學生在已有知識的基礎上將自我潛力進一步發(fā)展，同時提高自己的科學素養(yǎng)。在實際教學過程中，進階起點可以是本門學科的知識，也可以由相關學科相關內容構成，只要是教學內容的起點，都可以作為一次學習進階的起點。

（2）進階終點。進階終點是學習者最終所要達到的目標，我們普遍理解的進階終點是每一節(jié)課的教學目標，每一門課程的培養(yǎng)要求或以人們普遍的社會要求為終點。

（3）進階維度。進階維度理論上應該是逐級遞升的，因為無論是知識的學習還是技能的掌握，人類的發(fā)展都是在進步與強化的，而進階的維度則是我們每一個“階”所在的水平層次，確定了進階的維度，我們就能清楚地掌握學習進階的路徑，可以針對這個維度考慮采用何種教學方法，對于不同的知識而言，所采用的教學方法都是不盡相同的。因此進階維度的確立是整個學習進階中的重要組成部分，僅僅確立學習進階的起點和終點只是了解其表面，真正完整的學習進階是不能缺少學習進階維度的，三者構成整體，相輔相成缺一不可。

（4）關鍵節(jié)點。關鍵節(jié)點是在學習進階路徑上存在多個相互關聯的中間步驟或成就水平，在這里也稱為障礙點。只有真正了解學生在每一次進階過程中的障礙點，才能采取方法突破障礙，順利進階。

2 中學物理實驗教學進階策略

物理是一門以實驗為基礎的學科，很多物理規(guī)律都需要通過實驗進行驗證。實驗教學可以激發(fā)學生的學習興趣，促使學生積極主動地參與課堂。讓學生親自動手實驗，不僅可以培養(yǎng)學生的動手操作能力，還可以培養(yǎng)學生觀察思考，敏銳捕捉實驗規(guī)律現象的能力和數據處理得出結論的能力。這個過程可以使學生的物理綜合素質得到更好地培養(yǎng)和發(fā)展[3]。中學物理實驗課程具有一定的目的性，因此教師需要“整體設計，分層實施，步步引導”，以此來達到教學目的。在物理實驗教學中，教師要從課程標準的要求出發(fā)，立足于教學目標、教材分析和學情分析，基于學習進階理論不斷優(yōu)化實驗教學的流程，提高實驗教學的質量和效率。通過對中學物理實驗特點的分析，提出以下教學進階策略。

2.1 巧設進階路徑，培養(yǎng)學生邏輯思維

進階路徑一：聯系舊知—提出問題—動手實驗—生活應用。

比如講曲線運動時，對于曲線運動速度方向的特點，可以從學過的直線運動的速度方向入手，發(fā)現物體做直線運動時，速度方向與運動軌跡一致。物體做曲線運動時，速度方向又是怎樣的呢？或者說：我們應該怎樣確定曲線運動中任意時刻或任意位置的速度方向呢？提出問題后，進而通過實驗來尋找答案。或者學生通過數學的學習，已經知道了圓的切線的概念，能否從數學的角度猜想出做曲線運動的物體的速度方向呢？通過鏈接舊知識，促進學生知識的遷移，一步一步引出新知識。物理學是一門實驗科學，在某些抽象概念的形成過程中，很大程度上通過語言的講解或分析并不能使學生印象深刻，那么動手實驗也是進階過程的一部分。接下來可以設計一個墨水滴在水平旋轉的陀螺邊緣上的小實驗，學生通過親自動手實驗觀察實驗現象，進而推理得出結論。一方面加深了學生的印象，另一方面體現了物理科學思維的嚴謹性。速度方向是這節(jié)課的第一個“臺階”，通過實驗結論的分析得出曲線運動的速度方向時刻在改變，那么它就是變速運動。既然是變速運動，也就意味著它的運動狀態(tài)發(fā)生了變化，那么必然受到力的作用，也就是說合外力不為零。這里是一個障礙點：能否從速度方向時刻在改變得出加速度不為零，合力F也不為零？突破了這一關鍵點，就順利到達第二個層級：物體做曲線運動的條件。提出問題：合外力在滿足什么條件時物體才會做曲線運動呢？緊接著進行實驗探究，讓小球在斜面上某一高度由靜止釋放，小球沾上墨水，觀察到小球在白紙上留下了一條直線印記，拿出一個條形磁鐵放在小球運動方向的正前方，再次觀察小球的運動情況；將條形磁鐵放在運動方向的側面，再次觀察。根據實驗現象學生試著分析解釋得出結論：當合力的方向和它的速度方向不在同一直線上時，物體做曲線運動。最后再設計一個聯系生活實際的解釋題：運用所學知識為自行車前后輪安裝擋泥板，至少要在什么范圍內才能保證人和框內物品的潔凈？此時學生的思維進階已經到達了我們這節(jié)課所要求的進階終點。反饋于生活使知識具有意義，不能讓物理脫離實際。

進階路徑二：聯系生活—思考問題—動手實驗—得出結論。

在最開始的教學環(huán)節(jié)，教師可以設計為聯系生活實際，對生活中現實存在的例子進行表述，比如在進行探究影響壓力作用效果的因素實驗中，通過聯系學生熟知的雜技表演“胸口碎大石”來導入，學生發(fā)現自身已有的認知儲備已不足以解釋雜技的原理，進而引起他們想要進一步探究壓強的欲望，在他們對知識思考的過程中，教師要幫助學生找到問題的主路線：壓力的定義是什么？壓力的作用效果是什么？影響壓力作用效果的因素有哪些？這里的三個問題對應著三個層級，障礙點：壓力和重力的區(qū)別，壓力的作用效果是使物體發(fā)生形變。對于最后一個問題，當學生已經猜想得出初步答案之后，就可以順利進入第三個維度：動手實驗環(huán)節(jié)。教師給學生準備實驗器材：小桌子，海綿，砝碼。提出問題：如何能夠觀察到兩個因素對壓力作用效果的影響呢？學生想到轉換法：觀察海綿被壓下的深淺。教師緊接著提問：探究壓力的大小對壓力作用效果的影響，該如何做呢？學生設計實驗：控制受力面積不變，小桌桌腿朝下，一次不加砝碼，一次加砝碼，觀察現象。教師提問：探究受力面積對壓力作用效果的影響，又該如何做呢？學生：控制壓力的大小不變，兩次都加砝碼，一次桌腿朝下，一次桌面朝下，觀察現象。學生以小組為單位進行實驗。在整個實驗的過程中，通過教師一步一步地引導，最終學生得出結論，達到進階終點。

進階路徑三：認知沖突—動手實驗—聯系生活—拓展應用。

比如講力的合成實驗時，可以先以“泗水取鼎”的小故事入手：秦王出征時發(fā)現河里有一個金鼎，于是他馬上讓幾百名士兵向兩邊拉這個金鼎，幾百名士兵用了九牛二虎之力沒拉出來，最后繩子斷了，是真的這個鼎重達幾百名士兵都拉不動嗎？產生認知沖突：合力不一定比分力大。緊接著從同一直線上二力的合成問題進階到當兩個力互成角度時，怎樣求出它們的合力的大小和方向呢？由于矢量的運算法則對初學者來說是很難跨越的一個臺階，因此教材將驗證實驗變成了探究實驗，讓學生親身經歷規(guī)律得出的過程。將整個實驗分解成若干個環(huán)節(jié)，使得每一步學生都能夠得著。第一個環(huán)節(jié)是：在實驗中如何顯示力的作用效果？怎么使得兩個分力的作用效果與合力的作用效果相同？學生回答：用橡皮筋的伸長量顯示力的作用效果，兩次實驗使小圓環(huán)到達同一個位置O點。第二個環(huán)節(jié)：用什么方法確定兩個分力以及合力的大小和方向？學生回答：彈簧測力計的示數表示力的大小，描出細繩的位置即為力的方向。第三個環(huán)節(jié)：怎樣直觀簡潔地描述力的大小和方向并進行比較？學生回答：用力的圖示。學生以小組為單位重復三次實驗，得出“平行四邊形定則”。

在這個實驗中“等效替代”思想是一個關鍵點，也是一個障礙點，學生只有真正領悟了這一思想，才有可能真正理解“平行四邊形定則”。所以教師要以生活中大量的實例來解釋這一思想，比如一個人抬水和兩個人抬水，一根繩吊著燈和三根繩吊著燈，作用效果是一樣的。最后在得出結論后，提出問題：在此實驗的基礎上，能否探究“力的分解”規(guī)律。最終的拓展應用，不僅為下節(jié)課做了鋪墊，也達到了思維的進階目的。

2.2 合理設置關鍵節(jié)點，突破學生思維障礙

教師在備課階段就要重點關注學生的學情，基于學情了解學生在這堂課中的障礙點，預設可能存在的狀況，教師只有準確的診斷出“階”與“階”之間會存在哪些障礙點，才能有針對性地搭建“踏腳石”，幫助學生順利進階，并且在學習進階中實現核心素養(yǎng)的提升[4]。比如在平面鏡成像這節(jié)課中，學生容易遇到障礙。

障礙一：平面鏡所成的像是否真實存在？虛像的知識需要補充，能在光屏上接到的像是實像，不能在光屏上成的像是虛像。在沒有學習虛像的概念前，做本實驗的這步只需要提醒學生在玻璃板的物體所在一側能觀察到蠟燭的像，而在玻璃板的另一側卻觀察不到像，就認為平面鏡成的像是虛像。

障礙二：錯誤前概念。根據大量的生活經驗，對于平面鏡成像學生不難理解，但對于成像的特點存在錯誤的前概念，這樣的前概念學生經過學習后仍然容易落入慣性思維的誤區(qū)，原有的經驗認知難以被打破。比如有的學生認為物體遠離平面鏡時像會變小，反之物體靠近平面鏡時像會變大。

障礙三：等效替代思想。“如何探究像與物是否等大”應該怎樣比較虛像與物的大小？學生回答：找一個跟鏡前物體完全相同的物體與像比較大小；怎樣才能同時觀察到像與替身物？把平面鏡改為白玻璃。這樣設計使學生的思維變得靈活，掌握實驗的基本思想方法，實現學習進階。

2.3 充分利用數字資源，完善學生的思維進階

比如在演示光的折射實驗時，實驗現象不明顯，那么教師可以在實驗過程中或者實驗之后進一步借助GeoGebra軟件模擬光的折射實驗，如圖1圖2所示，用GeoGebra軟件畫出光的反射和折射圖，可以對傳統(tǒng)實驗進行補充，使實驗現象更加直觀化，動態(tài)演示光的折射，讓學生對光的折射有進一步深入的認識。學生在所呈現的課件中，能夠清晰入射角、反射角及折射角的關系，并通過拉動滑動條，不斷改變入射角的角度，觀察反射角、折射角與偏轉角的大小關系。在得到實驗結論的基礎上，通過數字資源使學生的思維進階更為完整，使頭腦中的知識體系更加完善。在信息化的時代，還有很多新興的數字資源，教師要有終身學習的理念，合理使用一些技術來輔助教學，這樣不僅可以在一定程度上提高教學效率，還可以助力學生完成學習進階。

3 結語

學習進階反映學生在學習過程中的思維進程，在課堂中教師不僅要扮演好引導者的角色，更要基于課程標準，以培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)為目標，為學生的發(fā)展提供切實可行的“踏腳點”[5]。對于難度比較大的進階跨度，教師還可以適當設置一些小臺階，作為過渡環(huán)節(jié)，采用針對性的教學策略，確保學生順利跨越每一個臺階，最終達到教學目標，即進階終點。在物理教學中，實驗課占據了至關重要的地位，因此教師必須對實驗教學加以重視，更好地發(fā)揮出實驗教學的價值，促使學生的物理學習能力得到全面發(fā)展。本文將學習進階理論與中學物理實驗教學相結合，幫助學生實現思維進階，使學生科學思維與科學探究能力得到整合發(fā)展。同時也為物理實驗教學效果的提高提供了一種可行的方法，為今后的教學提供有意義的參考。

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參考文獻：

〔1〕王洛，王永成.基于學習進階的“平拋運動”概念教學設計[J].中學物理（高中版），2022，40（07）：50-53.

〔2〕王湫涵.基于學習進階理論的初中物理教學研究[D].哈爾濱：哈爾濱師范大學，2022.

〔3〕雷軍杰.初中物理實驗教學策略探析[J].學周刊，2022，19（19）：53-55.

〔4〕胡志丹.基于學習進階的物理實驗教學設計——以“探究平面鏡成像特點”為例[J].中學物理，2022，40（18）：49-52.

〔5〕李雨陽.核心素養(yǎng)視角下學習進階理論在高中物理教學中的應用[D].哈爾濱：哈爾濱師范大學，2022.