基于学习进阶的物理教学设计探讨*——以“速度”教学为例

　　　

(西北师范大学教育学院,甘肃　兰州　730070)

1　引言

初中阶段学生对速度概念已经有了一定的认识,高中阶段在“运动快慢的描述——速度”的教学中,教师应该关注速度概念的演变,学生思维的发展。学习进阶理论是根据学生学习情况、教学内容以及教学目标确定最近发展区,划分出不同的学习阶段,通过对每一学习阶段的描述,来呈现需要学习的知识和所要达到的思维水平。依据学习进阶理论进行教学设计时,知识之间的内在联系更加紧密,有利于教师根据学生的实际水平设计符合学生思维发展的教学过程。[1]因此,学习进阶理论为“运动快慢的描述——速度”的教学设计提供了理论依据,本文在学习进阶理论的指引下,对“运动快慢的描述——速度”的教学进行设计。

2　学习进阶理论

美国国家研究理事会(NRC)认为:学习进阶是对学生连贯且逐渐深入的思维方式的假定描述,在一个适当的时间跨度下,学生学习和探究某一重要的知识或者实践领域时,其思维方式逐渐进阶。[2]

学习进阶理论强调学生对某一主题概念的学习需要分阶段进行,每一阶段对该概念的学习都是在前一阶段的基础上进行加深或延展，学习进阶是对“应该为学生设定怎样的学习路径”这一问题的探索。学习进阶描述的学习路径是学生在学习某一主题的概念时,思维所遵循的连贯的、由简单到复杂的轨迹。这条轨迹由一系列相互关联的、存在前后顺序的概念组成,为学生提供学习图景。指出先学什么、后学什么,先学的知识成为日后要学知识的基础。[3]

3　教学设计

王较过、赵萍萍认为由于年龄和认知能力发展水平的限制,中学生对核心概念的学习不可能一步到位,必须经历一个循序渐进,由浅入深,逐步深化的过程,这个过程不但表现为核心概念的学习进阶,而且是可持续学习的基础。[4]高中生在初中时已经学习了速度的概念,但是不够深入,需要进一步学习。然而,概念的学习并非线性的,学生需要不断在新情景中重温概念,以深化对概念的理解。

3.1　教材分析

速度是学生在高中阶段学习的第二个矢量，高中的“速度”和初中学过的“速度”有本质区别，在教学过程中首先要强调学生对速度矢量性的理解、平均速度和瞬时速度的区别，引发学生对过程量和状态量的思考，为学生建模能力的发展打下基础。同时，通过极限的思维方式，从平均速度过渡到瞬时速度，让学生理解两者的区别与联系。

3.2　学情分析

高一学生学习“运动快慢的描述——速度”之前已经对速度概念有了初步的认识。随着学生知识的增长、思维的发展、概念的演变,高中与初中对速度概念的定义由“路程与时间”的比值变为“位移与时间”的比值，由标量变为矢量,因此，本节课的教学是高中物理矢量教学的起点，教学效果直接影响学生对学习物理的兴趣。学生对坐标和坐标变化量的理解容易接受，对于速率与速度、平均速度与平均速率等物理概念的关系，需要从生活中的实际问题出发，引发学生的思考，从而更进一步进行理解和区分。

3.3　进阶目标

《普通高中物理课程标准(2017年版)》对速度教学的基本要求是：理解位移、速度和加速度。通过实验，探究匀变速直线运动的特点。[5]学习本节内容后学生要理解速度的概念,知道速率与速度、平均速度与平均速率的联系与区别，会应用速度知识解决实际问题，能够解释生产、生活中与速度有关的物理现象。

3.4　进阶起点

3.5　进阶层次划分与主要教学活动设计

3.5.1进阶第一层次——坐标与坐标的变化量

情景1：如图1所示，一辆汽车沿平直公路行驶，以公路为x轴建立直线坐标系，t1时刻汽车处于x1点，坐标是x1=10m，一段时间后，t2时刻汽车到达x2点，坐标是x2=30m。

图1

问题1：汽车运动时间、位置坐标的变化量各是多少？

答案：设用Δt表示汽车运动时间的变化量，则Δt=t2-t1。设用Δx表示汽车位置坐标的变化量，则Δx=x2-x1=20m。

问题2：汽车运动的位移是多少？

答案：汽车运动的位移大小是20m，方向沿x轴的正方向.

问题3：在情景1中，如果汽车沿x轴的另一个方向运动，汽车位移Δx的是正值还是负值？

答案：汽车位移Δx是负值.

归纳总结：

(1)坐标轴的物理意义。

(2) 坐标——状态量(时刻、位置等)，坐标变化量——过程量(时间间隔、位移等)。

(3) 变化量的计算方法。

(4) 矢量的变化量中正负号的含义。

3.5.2进阶第二层次——速度概念的建立

情景1: 在100m赛跑中，A同学用了12s跑完全程，B同学用了15s跑完全程，A、B同学谁跑得快？

情景2: 在体育课上，C同学10s跑了90m，D同学10s跑了80m，C、D同学谁跑得快？

情景3: 在体育课上，E同学10s跑了80m，F同学12s跑了100m，E、F同学谁跑得快？

问题：如表1所示，在情景1、情景2、情景3中，哪位同学跑得快，为什么？

表1情景学生时间(s)位移(m)情景1A12100B15100情景2C1090D1080情景3E1080F12100

答案：在情景1中，A学生跑得快，因为位移相同时，所用时间少的跑得快；在情景2中，C学生跑得快，因为所用时间相同时，位移大的跑得快；在情景3中，F学生跑得快，因为时间、位移都不相同时，单位时间内位移大的跑得快。

归纳总结：

(2) 速度单位为m/s，读作米每秒。

(3) 速度的大小为单位时间内物体的位移大小，方向为物体运动的方向。

3.5.3进阶第三层次——深入理解速度的矢量性

问题1：某同学沿着操场跑道跑了一圈，他的速度是多大，为什么？

答案：速度是零，因为他的位移是零。

问题2:问题的结论与初中得出的结论的本质区别在哪里？

3.5.4进阶第四层次——平均速度与瞬时速度

在进阶第三层次问题1中，该同学每时每刻都在运动，但速度为零，似乎与实际情况相矛盾，为什么？

阅读教材中“说一说”栏目：著名物理学家、诺贝尔奖获得者费恩曼讲过的一则笑话。[7]

引导学生讨论上述问题后，归纳总结：

(1) 平均速度为时间间隔Δt内的平均快慢程度，粗略描述物体运动的快慢。

(2)瞬时速度为t时刻运动的快慢，精确描述物体运动的快慢。

情景：若一辆汽车在行驶过程中每时每刻的瞬时速度均等于全程的平均速度，这辆汽车做的是怎样的运动？

答案：是匀速直线运动，因为它是瞬时速度始终保持不变的运动，即瞬时速度等于平均速度。

3.5.5进阶第五层次——对速率与速度、平均速率与平均速度的理解

在学生阅读教材P16相应部分的知识点后，教师引导学生总结归纳：速率是瞬时速度的大小，速率是标量。

平均速率为物体运动的路程与所用时间的比值。初中教材所讲的速度概念实际上是平均速率，平均速率一般不等于平均速度的大小。

4　结语

基于学习进阶理论，笔者对“运动快慢的描述——速度”的教学进行设计，在学生原有的基础上,遵循学生思维的发展特点,将“运动快慢的描述——速度”的教学进行细化，知识之间的逻辑性更强。通过创设学习速度概念的物理情景，引导学生运用科学思维方法建立速度概念；选择具体问题，引导学生运用速度概念解决问题，让学生形成速度的科学知识；依据学习进阶理论对教学设计进行指引,可以推广到其他物理知识的教学设计中。

参考文献：

[1] 吴宏伟.基于学习进阶的教学设计——“功”[J].湖南中学物理,2017,(8):71-73.

[2] 郭玉英,姚建欣.基于核心素养学习进阶的科学教学设计[J].课程·教材·教法,2016,(11):64-67.

[3] 刘晟,刘恩山.学习进阶:关注学生认知发展和生活经验[J].教育学报,2012,(2):81-87.

[4] 王较过,赵萍萍.概念图在中学物理核心概念学习进阶的应用[J].中学物理教学参考,2015,(11):2-6.

[5] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准(2017年版)[S].北京:人民教育出版社,2018:11-12.

[6] 中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准(2011年版)[M].北京:北京师范大学出版社,2012:16.

[7] 人民教育出版社,课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理必修1[M].北京:人民教育出版社,2010:15-18.