物理教学设计范式的比较研究——以高中重力势能教学设计为例

周栩君 邢红军

(首都师范大学物理系,北京 100048)

·教材与教法·

物理教学设计范式的比较研究
——以高中重力势能教学设计为例

周栩君 邢红军

(首都师范大学物理系,北京 100048)

随着教学设计理论的不断发展,物理教学设计也逐渐形成了不同的设计范式．对不同物理教学设计范式展开比较研究,有助于透视设计范式背后的研究思路,从而开启物理教学设计研究的新篇章．为此,以高中重力势能教学设计为例,通过分析不同版本高中物理教材“重力势能”的编写,归纳重力势能教学设计的设计范式,从而提出了物理教学设计的建议．

教学设计;设计范式;重力势能;本质式

教学设计理论自20世纪80年代引入国内,一直处于发展阶段．至今已逐渐由原来单一的备教材、备学生、备教法向注重教学逻辑、注重学生学习心理转变．物理教学设计作为教师教学准备的重要环节,如何体现物理学的本质,彰显教学逻辑,是每一位物理教师需要关注的问题．

物理教学设计在发展过程中,逐渐形成了不同的研究范式．由于每种研究范式背后都有独特的研究取向与思维方式,因此,对不同物理教学设计范式展开探讨,对于落实核心素养培养目标,提高物理教学效果有着重要意义．

有鉴于此,本文结合重力势能教学设计的比较分析,通过研究重力势能表达式的引入方式,以期对物理教学设计的发展有所启迪．

1 “重力势能”教材编写的设计比较

物理教学设计不是空中楼阁,而是建立在物理教材基础之上．物理教材作为物理教学设计的“根基”,是物理教学设计的源泉．因此,对物理教学设计范式进行比较研究,就有必要首先展开教材编写分析．为此,本文对各个版本的高中物理教材“重力势能”编写进行比较,以便从中窥见教学设计范式的特点．

(1) 人教版教材重力势能推导分析.

人教版教材对于重力势能的表述是“物体由于被举高而具有重力势能,它的质量越大、所处位置越高,重力势能就越大”,认为认识重力势能应以重力做功为切入点．于是通过让小球沿不同路径由距离地面h1处运动至h2处(如图1所示)分析得到,“物体运动时,重力对它做的功只跟它的起点和终点的位置有关,而跟物体运动的路径无关”,即mgh=mgh1-mgh2.mgh与重力做功相关,并且随m、h的增加而增加,与势能基本特征一致,因此将物理量mgh叫做物体的重力势能．[1]

图1

教材中用大量篇幅证明“重力做功与路径无关”,然后指出mgh是一个具有特殊意义的物理量,但mgh、mgh1、mgh2到底有何意义?特殊在哪里?教材并没有展开论述,从而导致重力势能的编写留有可以研究的空间．

(2) 鲁科版教材重力势能推导分析.

鲁科版教材首先定义“物体处于一定的高度而具有的能叫做重力势能”,然后利用实验探究影响小球势能大小的因素,并得到“重力势能的大小与物体的质量和所处的高度有关．物体的质量m越大,所处的高度h越大,重力势能Ep就越大”的结论．随后,教材直接把重力势能表示为Ep=mgh.而重力做功与重力势能之间的关系则在下一节进行讨论．[2]

教材对于重力势能表达式的推导缺乏逻辑说明,而是采用了直接定义方式,这可能导致学生对于重力势能的理解片面与浅显,无法真正理解mgh是什么,以及mgh、mgh1、mgh23者之间的关系．

(3) 沪科版教材重力势能推导分析.

沪科版教材首先定义“物体由于被举高而具有的能量叫做重力势能”,并以重锤打桩为例,说明“重锤的质量越大,上升的高度越高,桩就被打得越深,这表明,重锤的重力势能跟它的质量和高度有关”．随后,设定一个物理情境,让重锤从离地面高度h1处自由下落至h2处,位移Δh=h1-h2,重力做功为W=GΔh=mg(h1-h2),即W=mgh1-mgh2.然后就认为mgh跟物体的质量和离地面的高度有关,从而将其定义为重力势能Ep=mgh．[3]

与鲁科版相比,沪科版教材在定义重力势能之前研究了重力做功,但与人教版又有所不同．虽然都以重力做功为切入点进行研究,但是却没有证明“重力做功与路径无关”,并在得到W=mgh1-mgh2之后直接定义了重力势能．

教材中提到,“W=mgh1-mgh2是一个很重要的关系式”,但是在讨论其物理意义时,并没有深入分析,而仅仅由“重力势能跟它的质量和高度有关”得出重力势能表达式．这样对于关系式左右两边的物理量缺乏清晰的阐述与比较,会导致学生对于重力势能的认识存在盲点与误区．

(4) 粤教版教材重力势能推导分析.

粤教版教材先定义“物体所处位置的高度决定的能量称为重力势能”,从定性角度讨论重力势能与物体质量和高度有关,随后探寻定量关系．将物体匀速举高,需要向物体施加一个向上的力,且力与重力等大反向．根据功能关系,这个力对物体做的功,等于物体增加的重力势能,若选择初始位置令其势能为0,那么质量为m,离地面高度为h的物体相对于地面的重力势能Ep=mgh.[4]

粤教版教材重力势能的提出,与以上3种教材的引入方式均不相同．教材没有提及重力做功,而是由重力的平衡力做功入手,“根据功能关系,向上的力对物体做的功,等于物体增加的重力势能”．这样的处理手法仍然会导致学生先入为主地将重力势能理解为重力做功,而非重力势能．显然,如此引入容易造成学生的知识混乱及概念模糊．

综上所述,众多教材在推导重力势能表达式时虽然采用了不同方式,但这些方式普遍存在逻辑漏洞及环节缺失,很难从本质上解释为什么将重力势能表达式定义为Ep=mgh．因此,如何恰当引入并建立重力势能的表达式就成了亟待解决的问题．

2 不同教学设计范式的比较研究

为了更深入地研究物理教学设计范式,笔者对中国知网1995—2016年有关重力势能教学设计的文章进行分析,提取出每篇文章的研究范式,并进一步分析每种研究范式的优缺点,以期对教学设计有所启示．

1995年至2016年,中国知网上“重力势能”教学设计文章共47篇,如图2所示.

图2

由图2可知,从2009年开始,重力势能的教学设计文章明显增多．细究之下,却发现大多数文章并未触及重力势能教学设计的核心,致使问题依然未能得到有效解决．表面看来,这个问题只是一个具体物理教学设计问题,但在大量文章的背后,却折射出了物理教学设计范式问题．因此,对于这一问题展开深入研究,就具有方法论层面的特殊意义,并有助于中学物理教学设计的健康发展．为此,笔者在对47篇文献深入研究的基础上,梳理出如下教学设计范式展开研究．

2.1 “传统式教学设计”设计范式

研究发现,高达85.1%的“传统式”重力势能教学设计文章,是基于教材内容进行设计的,这类设计更多的是一种教学经验的总结与概括．设计范式如下.

文章开篇通过回忆初中教材知识,定义物体由于被举高而具有的能为重力势能,并从实验角度得到重力势能与m、h的定性关系,而后由“功是能量转化的量度”出发,从分析不同力做功使重力势能变化的角度,定量推导重力势能的表达式．结果发现,只有重力做功才会导致重力势能发生变化,进而研究重力做功的特点．通过研究,发现重力做功与物体运动路径无关,即WG=mgh=mgh1-mgh2,说明mgh是一个具有特殊意义的物理量,而该物理量具有的两个特征恰与重力势能的基本特征一致,因此定义重力势能Ep=mgh．

文献检索发现,这类教学设计范式几乎没有采用直接定义方式得到重力势能表达式的,说明中学物理教师对于部分教材中的直接定义法并不认同,而认为重力势能的表达式需要推导,但推导过程却与教材如出一辙．由此可见,教材是教师进行教学设计的首选,这样的教学设计基本上就是教材编写思路的再现．由于这类教学设计范式并未对“重力势能”建立提出合理建议,从而导致重力势能教学问题并未得到解决．

2.2 “框架式教学设计”设计范式

“框架式”设计范式首先将“相互作用物体凭借位置而具有的能”定义为势能,并从势能的定义推理出重力势能与重力、相对位置有关,认为重力也由相对位置决定,从而归纳出重力势能只与相对位置有关,表征为势能的“基本特征一”．

根据“物体在力的作用下能量发生了变化,这个力对物体一定做了功”,归纳出重力做功可以决定重力势能的变化,从而得到重力做正功,势能减少;重力做负功,势能增大．表征为势能的“基本特征二”．

进一步,根据势能由位置确定,推理出势能的变化也只由位置确定,由此猜想重力做功与路径无关,最终得到WG=mgh=mgh1-mgh2,表征为势能的“基本特征三”．

最后,对等式右边的mgh之差进行分析,发现其符合上述3个基本特征,于是将重力势能定义为Ep=mgh．[5]

“框架式”设计范式致力于揭示重力势能的基本特征以及重力做功量化重力势能的条件,与传统教学设计相比较,文章框架更清晰,更容易把握主题．“框架式设计范式”虽然看起来更加全面与具体,但是依旧存在问题．(1) 从重力做功与路径无关到重力势能,两者之间仍然存在逻辑漏洞; (2) 对于WG=mgh=mgh1-mgh2的理解不到位,没有从本质上解释mgh、mgh1、mgh2的物理意义是什么?具有什么样的内涵?因此,“框架式”设计范式依然未能解决重力势能教学存在的问题．

2.3 “概念式教学设计”设计范式

“概念式”设计范式通过提出“功的计算常常能够为能量的定量表达及能量的转化提供分析的基础”观点,认为做功的过程就是能量转化的过程,以及功是能量转化的量度．然后,从实验角度探究得到重力势能的大小与物体的高度和物体的质量或重力有关．

在此基础上,对物理概念——“变化量”的具体含义进行说明,对矢量和标量的变化量进行介绍、区分,并说明功和能都是标量,两者满足代数运算法则,并得到结论:“凡是同一个标量物理量的两个值之差就表示这个物理量的变化”．

最后,由重力做功入手,得到WG=mgh=mgh1-mgh2．鉴于重力做功要量度某一种能的变化,而变化就是同一物理量的两个值之差,而等式右边恰好是两个值之差,并且形式均为mgh,所以mgh表示一种能量．由于重力势能与m、h有关,所以重力势能定义为Ep=mgh．[6]

“概念式”设计范式教学设计最大的不同点在于,在分析重力做功WG=mgh=mgh1-mgh2之前,讨论了“变化量”的具体含义,即“凡是同一个标量物理量的两个值之差就表示这个物理量的变化”．由此可以发现等式右边为两项之差且两项形式相同,均为mgh,所以该项有特殊的物理意义．虽然这类教学设计对于mgh展开了讨论,但是仍然没有从本质上解释h、h1、h2、mgh、mgh1、mgh2到底表示什么?具有什么样的意义?此外,将mgh直接定义为能量的说法也过于笼统,没有能够真正揭示mgh的物理本质．

2.4 “本质式教学设计”设计范式

“本质式”设计范式,在教学设计上的特色就是对mgh=mgh1-mgh2中的各个物理量进行了诠释,这是该设计范式异于其他范式的最大区别．

本质式设计范式首先从数学式中看出端倪,认为在h=h1-h2表达式中，h是真实发生的,是小球沿重力方向运动的位移,而表达式右边的h1-h2(包括h1、h2)都不是小球真实发生的位移,h1、h2均是假设发生的,这就为重力势能教学设计的展开选取了正确的方向．

进一步,从物理学的角度考量,若等式两边同时乘以mg,即mgh=mgh1-mgh2，表达式左边的mgh就是重力做的功,是真实发生的．而表达式右边并非真实发生的过程,但它的差值在数值上等于重力做的功,在量纲上与功的量纲一致,所以mgh=mgh1-mgh2不仅仅是数学上的等式,更是一个物理等式．mgh1-mgh2并非真实做的功,而是一个虚拟的做功,它具有潜在的做功本领．因此,可以将它看作一种能量．由于这种能量由重力产生,所以定义为重力势能．[7]

“本质式”设计范式的切入点是独具慧眼的．在大学物理层面,重力势能的引入并不存在任何问题．考虑到高中生的物理认知水平,高中物理教学中重力势能的引入就不能采用大学物理的思路而须另辟蹊径．需要降低教学难度,并采用一种既能够让高中生理解与接受,同时又符合重力势能本质的教学设计,这样的教学设计才能被称为好的教学设计．

由是观之,“本质式”设计范式从“真实”位移与“虚拟”位移出发,进而过渡到“真实”做功与“虚拟”做功,从而揭开了mgh与mgh1-mgh2的神秘面纱．具体而言,mgh=mgh1-mgh2不仅满足数量上的关系,更重要的是在量纲上保持一致,从而由数学等式转化成为物理等式．由于左边是真实存在的功,右边的差值只具有做功的本领,但不是真实做的功,因此右边的两项之差只能是能量,从而定义重力势能的概念．这种由数学到物理、由真实到虚拟的研究思路才能揭示物理本质,使该问题得到真正解决．

3 启示与建议

(1) 物理教学设计要“凸显”物理本质.

科斯根为思考理想教师特征提供了一个框架,从而提出了洋葱模型．[8]最外层到最里层分别是环境、行为、能力、信念、职业身份、使命,在模型中,里圈与外圈因素是相互影响的．科斯根还提到“洋葱模型中的各个因素类似于原子核中的电子,越是外层的因素越不稳定,越容易改变和塑造,越是里层的因素越稳定,越难于培养”．其实,洋葱模型也同样适用于物理教学设计,因为物理教学设计的最终目的是以科学的方式讲清楚知识最核心的物理本质．所以,物理本质就是洋葱模型的芯,一切教学逻辑、教学活动都要围绕物理本质展开,只有揭示物理本质的教学设计才能取得好的教学效果．因此,教学设计要围绕物理本质而展开．

本质式教学设计之所以与众不同,是因为作者的研究视角不一样,看待问题的思维方式也不相同．对于重力势能的教学设计,大多数教师在备课中往往强调“功是能量转化的量度”以及“相对位置”,虽没有科学性错误,但却不是本节课的核心与焦点,真正的物理本质存在于等式mgh=mgh1-mgh2中．左边是真实发生,也就是重力做功,对应的是“过程”．右边是虚拟发生,对应的是“状态”．进一步从数值和量纲两个方面考虑,由于数值相等,那么右边的物理量与功的属性完全一致,所以只能是具有做功的本领,也就是能量．显然,只有厘清问题的物理本质,才能算得上是彰显物理本质的教学设计．

(2) 教学设计要注重教学逻辑的诠释.

教学的逻辑顺序是至关重要的．先讲什么,后讲什么,都应当有一定的依据．而这个依据就是学生的学习心理,遵从由简单到复杂,由直观到抽象的教学原则．

重力势能是一个抽象的物理量,无论是教师的教学过程、还是学生的学习过程,都是教学的重点与难点．所以,严密的教学逻辑就尤为关键．遗憾的是,无论是教材还是物理教学设计,都在教学逻辑层面存在或多或少的问题．尤其是经由重力做功与路径无关从而引入重力势能这一逻辑关系,其过程往往不尽如人意．因此,就可能会导致学生学习时容易出现概念模糊不清的状况,从而无法真正理解并掌握重力势能建立的依据．

因此,只有在教学设计时注重教学逻辑的展开,才能将知识引入层层递进,进而水到渠成地展现物理本质．

(3) 教学设计应超越教材的局限.

我国传统物理备课的“教材分析”、“教案撰写”强调经验的继承,强调对物理教材的感知和把握,但其固有的封闭性在相当程度上造成了“闭门造车”倾向．[9]

对比研究不难发现,很多中学物理教师在进行教学设计时,依据的“模板”主要是教材,而教学设计往往就是教材细化过程．教材编写虽然力求完备,但终究不能做到尽善尽美．有些教学环节的衔接存在逻辑漏洞,有些理论推导过程存在盲点．若完全依据教材进行教学设计,就会使这些逻辑漏洞、推证盲点成为学生知识体系中的潜在问题．

对比研究不难发现,撰写论文的教师主要分为3类,中学物理教师、中学物理教研员、物理教学论工作者．由于学术背景不同,会导致研究风格迥异．研究表明,大部分中学教师与教研员在教学设计时往往沿用教材逻辑,只有少数中学教师及教研员会对本节课的逻辑顺序进行重新修正或重新设计;而物理教学论工作者对于问题的敏感度与洞察力要更高、更精准一些,在进行教学逻辑的安排与教学设计过程中,会有效地依据物理教学论的理论,对教学内容进行创新性设计,从而达到最佳的教学效果．

1 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.物理·必修2[M].北京:人民教育出版社,2010：63-65.

2 山东科学技术出版社,中学物理教材编写组.物理·必修2[M].济南:山东科学技术出版社,2005：27-28.

3 束炳如,何润伟.物理·必修2[M].上海:上海科技教育出版社,2007：57-58.

4 广东基础教育课程资源研究开发中心,物理教材编写组.物理·必修2[M].广州:广东教育出版社,2005：67.

5 陈金苗.探究重力势能表达式中存在的问题与解决对策[J].中学物理教学参考,2014,46(6)：13-15.

6 柏露枝.重力势能和动能概念的逻辑性教学——以人教版教材为例[J].物理教师,2016,37(5)：12-13.

7 邢红军,胡扬洋. 高中物理“重力势能”教学的高端备课[J].湖南中学物理,2016,9(41)：41-42.

8 陈琦,刘儒德.教育心理学[M].北京:高等教育出版社,2005:537-538.

9 邓铸. 问题解决的表征态理论与实证研究[D]. 南京:南京师范大学,2002:33.

2017-04-19)