學習進階視域下高中物理教學設計*
——以人教版必修第一冊“摩擦力”為例

董 川

(蘇州市吳中區甪直高級中學 江蘇 蘇州 215127)

1 學習進階概念界定

對于學習進階的定義,各國不同學者給出的定義也是不一樣的.本研究中對學習進階的界定認同National Research Council的定義,對于學習進階的概念界定如下:學習進階就是學生在學習某一部分知識或發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展,這種發展即學習進階[1].

1.1 學習進階要素

學習進階的要素包括進階起點、進階水平、進階終點、進階變量、測評工具.進階起點指學生現實情況;進階水平指學生預期學習表現;進階終點主要是發展學生物理學科核心素養;進階變量指核心概念和關鍵能力;測評工具是針對進階教學的評價試卷.進階起點、進階水平、進階終點,組成了學習進階視域下高中物理規律教學的通路.

1.2 學習進階的層級模型

北京師范大學郭玉英教授帶領的團隊基于對學習進階的理解,建構了科學概念理解的發展層級模型,包括“經驗、映射、關聯、系統、整合”5個發展水平,我們可以根據學生層級的發展水平,進行物理課堂教學內容進階路徑的設計.

2 學習進階視域下高中物理教學設計

本文以人教版高中物理必修第1冊“摩擦力”為例,探索基于學習進階的高中物理教學設計.

2.1 以“教材分析”為進階基礎

課標是教材的指南[2],教材是對課標的再組織和再創造,是課標的具體化體現,二者是“木本水源”的關系,教學分析就是課標和教材的分析,分析順序遵循先課標再教材的原則,這樣既能把握物理課堂教學設計的方向,又能確定學生學習進階的基礎.

2.1.1 課標分析

《普通高中物理課程標準(2017年版)解讀》對內容的解讀:摩擦力教學應該和受力分析的需要相結合.把初中的定性實驗“影響滑動摩擦力的因素”上升為定量要求,能用公式F=μFN來計算滑動摩擦力的大小,知道公式中μ和FN的概念.

2.1.2 教材分析

隨著學生認知水平的提升,教材對摩擦力的表述也越來越科學,滑動摩擦力的學習也由定性分析到定量研究.“摩擦力”既是受力分析的基礎,也是受力分析的難點,更是處理物體的平衡和動力學問題常考的知識點,是學好力學的基礎.

2.2 以“學生實情”為進階起點

學生實情是指學生現在所具有的知識基礎和思維能力.學生在初中學過關于摩擦力的知識,在學習這節課時有了一定的知識儲備.高一學生的心理和生理趨于成熟,可以利用抽象的思維能力解決問題,對學習過程中出現的問題也能進行一定深度的反思,這些能力為本節課的學習做好了準備.通過對學生實情的分析確定本節課的進階起點.

2.3 以“核心素養”為進階終點

根據學生物理觀念和科學思維的形成規律,基于學生核心素養提升的要求,確定下面4個進階終點.

2.3.1 進階終點1:形成物理觀念

通過對滑動摩擦力、靜摩擦力和摩擦力大小的學習,提高學生分析解釋、觀察記憶、概況論證、推論預測和綜合應用的物理學科關鍵能力,形成物理觀念,解決實際問題.

2.3.2 進階終點2:培養科學思維

在考查“摩擦力有無判斷”和“測定動摩擦因數方法”的具體問題情境中,通過對學生直覺聯想、遷移與質疑能力的深入挖掘,培養學生科學推理、科學論證等科學思維.

2.3.3 進階終點3:經歷科學探究

學生采用小組合作學習方式,通過提出問題、猜想與假設、制定計劃與設計實驗、進行實驗與收集證據、分析與論證、評估、交流與合作等科學探究,總結出摩擦力方向與大小等結論.

2.3.4 進階終點4:培養科學態度與責任

在實際課堂教學過程中,教師要積極創設問題情境,激發學生好奇之心及質疑精神,結合物理實驗,培養學生求真務實的科學態度與責任.由淺入深地探究靜摩擦力方向與相對運動趨勢、物體速度方向的關系,使物理知識 “從生活中來,到生活中去”.

2.4 以發展層級為進階水平

從進階起點到進階終點,要根據發展層級確定合適的進階水平,在實際教學過程中,以學生的發展層級為依據,根據學生的思維發展和知識增長規律.筆者把教學內容劃分為5個進階水平.

2.4.1 水平1:區分滑動摩擦力和靜摩擦力

教師引導學生結合初中所學摩擦力的知識,設計演示實驗:用彈簧測力計水平拉動小木塊使其從靜止到勻速直線運動.學生邊觀察邊思考:整個過程有幾種摩擦力?大小又如何變化?

設計意圖：創設情境,引入新課,了解摩擦力,能與生活中的摩擦現象聯系起來,讓學生對簡單的摩擦力問題進行分析,獲得結論,形成物理觀念.

2.4.2 水平2:建立滑動摩擦力和靜摩擦力的概念

教師指導學生改進實驗設計,制定實驗方案,將彈簧測力計用力傳感器代替,用電動機代替手拉動物塊,物塊從靜止到勻速直線運動的整個過程所受到的摩擦力大小可以通過力傳感器測量出來,如圖1所示.

圖1 力傳感器顯示的摩擦力的變化情況

教師引導學生思考并分析:圖像分為3個部分,傳感器未受拉力之前,圖像為一直線,物塊所受摩擦力為零,圖像中突然翹起部分反映的是物體所受靜摩擦從零逐漸增大的過程,圖像尖鋒表示物體受到的最大靜摩擦力,尖峰之后表示滑動摩擦力,滑動摩擦力圖像有小幅波動,這是因為物體與桌面間接觸面粗糙程度不是完全相同,假如粗糙程度完全一樣,圖像將是一條水平直線,反映滑動摩擦力大小不變;從圖像還不難得出,最大靜摩擦力比滑動摩擦力要略微大一些.

設計意圖:引導學生設計實驗和制定方案,使用數字化新手段測摩擦力,獲得數據,并能結合體會,分析實驗圖像,總結得出滑動摩擦力大小在壓力及接觸面固定的情況下,是一個定值,靜摩擦力大小存在一定的范圍.

2.4.3 水平3:掌握靜摩擦力產生的條件,并能對靜摩擦力的大小和方向進行判斷

基于摩擦力的實驗現象和實驗數據,教師提問:靜摩擦力產生的條件是什么?引導學生體會靜摩擦產生的條件,總結產生靜摩擦力的條件:(1)接觸面間存在彈力(接觸且互相擠壓);(2)接觸面不光滑;(3)物體間有相對運動趨勢.教師要讓學生明白,這3個條件缺一不可.物體處于欲動而不動的相對靜止的狀態,有相對運動趨勢;物體所受靜摩擦力的方向與運動方向無關,與相對運動趨勢方向總是相反;受靜摩擦力的物體可以是運動的也可以是靜止的.

教師提問:靜摩擦力大小的范圍是多少?

學生觀察圖像,思考、分析概括:靜摩擦力的大小在一定范圍內變化,0≤Ff≤Ffmax,最大靜摩擦力略大于滑動摩擦力.

設計意圖:用對比實驗來顯示相對運動趨勢,幫助學生突破這一難點,使學生基于證據得出結論,歸納理解產生靜摩擦力的條件以及靜摩擦力大小范圍.

2.4.4 水平4:能通過實驗探究掌握滑動摩擦力與壓力的正比例關系

在靜摩擦力條件的基礎上,學生不難得出產生滑動摩擦力的條件,即:(1)接觸面間存在彈力(接觸且相互擠壓);(2)接觸面不光滑;(3)有相對運動.

教師提問:滑動摩擦力的方向能改成與運動方向相反嗎?

教師帶領學生們分析小朋友滑滑梯時滑動摩擦力方向和其相對運動方向的關系.

教師繼續演示:桌子上放有一個長木板,長木板上放有一個滑塊,用紙條標出它們未被拉動時的位置(紙條與桌子上一標志物對齊)(圖2),用力快速向右拉動木板,發現物塊和木板相對于原來的位置都往右運動了一段距離,但是物塊相對于木板往后退了一點,說明摩擦力方向與運動方向相同,但是相對于木板的運動方向相反.

圖2 摩擦力方向與相對運動方向相反

結合上述兩個實驗,引導學生們想一想滑動摩擦力方向有什么特點?

學生總結:我們平時所說的運動方向是以地面為參考系的,而在討論摩擦力的時候是以與它接觸的物體為參考系,物體相對于地面向右運動,但是相對于木板是向左運動的.滑動摩擦力的方向總是與接觸面相切,可以與運動方向夾任意角,但是摩擦力的方向與相對于施力物體的運動方向一定是相反的.

學生回憶初中所做過的實驗并思考:初中所做實驗采用了什么物理方法?影響滑動摩擦力大小的因素有哪些?

教師對學生回答的可能因素進行歸納:壓力、接觸面粗糙程度、面積、運動速度等,引導學生分析圖2初中測量滑動摩擦力實驗的缺陷,展示改進實驗方案的實驗裝置圖,引導學生根據二力平衡得出傳感器測出的力就等于滑塊所受到的滑動摩擦力,通過改變砝碼數量來改變壓力大小.教師指導學生分組,進行實驗,收集數據并把實驗數據輸入Excel表格得出Ff-FN圖像(圖3),分析Ff-FN圖像,得出實驗結論:Ff=μFN,其中μ叫做動摩擦因數,代表接觸面材料的粗糙程度,無單位.

圖3 Ff-FN圖像

設計意圖:利用傳感器等先進儀器,設計實驗,得出實驗數據,根據圖像得出滑動摩擦力Ff的大小與壓力FN的大小成正比的結論,并對比例系數做出解釋,讓學生經歷科學探究培養科學思維.

2.4.5 水平5:對與摩擦力有關的實際問題,能從靜力學和動力學的角度加以解決

教師設計3個問題,請學生思考回答.

問題1:小孩推木箱的水平力為80 N,木箱未被推動,則此時木箱受到的靜摩擦力大小是多少?

問題2:小孩至少以100 N的水平力推木箱,木箱才能推動,則木箱與地面間的最大靜摩擦力大小為多少?

問題3:小孩把木箱推動了,此時木箱受到的是哪種性質的摩擦力?如果此時木箱與地面間摩擦力大小為90 N,木箱對地面的壓力大小為200 N,則木箱與地面間動摩擦因數μ為多少?

設計意圖：選取生活中的3個案例,讓學生用所學的摩擦力知識進行分析,體會知識生成、發展、完善的過程,體現物理從生活中來又回到生活中去,通過運用知識解決實際問題,增強學生理解和應用物理知識的能力,培養學生的科學態度和責任.

2.5 以教學反思為進階評價

教學反思是教師對教學實踐的回顧和思考,是總結經驗教訓、提高個人業務水平的一種有效手段,筆者通過對本節課教學過程的反思,做出進階評價.

2.5.1 以學定教,以學論教

本節內容是對初中所學摩擦力知識的擴展延伸,觀察和實驗是學生認識物理世界、獲取物理知識的重要途經,是發展學生科學思維的前提.在摩擦力教學中,只有在以觀察和實驗為基礎,結合教法的改進上下功夫,才能改變其難教難學的局面.

2.5.2 注重“三序合一”,落實物理核心素養

在教學過程中.把本節內容根據知識序、進階序、素養序三序(圖4)進行排序,既符合學習進階的順序,又能落實物理學科核心素養.

圖4 三序合一

2.5.3 基于核心素養,融入物理課程思政

習近平總書記提出“各類課程與思想政治理論課同向同行,形成協同效應”.本節課進行“課程思政”教學設計時,首先引導學生理解和感受實事求是探索真理的精神,要學會通過辯證法去思考問題.讓學生們明白,“紙上得來終覺淺,絕知此事要躬行”;對于新知識的發掘,要進行操作實驗,培養學生的動手能力和處理問題的能力,培養學生創新的精神.

3 結束語

學習進階是當前國內外教育教學研究熱點,被譽為提升學生學習效率的靈丹妙藥[3].在高中物理教學過程中,按照學習進階要素進行教學設計,不僅符合學生的認知規律,還可以指導教師教學,最終發展學生的核心素養.