基于学习进阶的物理学习情况分析*

2019-04-16张玉峰

物理通报 2019年4期

张玉峰

(北京教育科学研究院基础教育教学研究中心北京 100036)

学习情况分析是在教学设计之前对学生学习的认知基础、可能达到的发展水平、学习中可能遇到的困难、学习兴趣与爱好等方面进行的全面诊断.学习情况分析是教学设计的重要组成部分，进行学习情况分析有利于贯彻因材施教原则，提升教学针对性.

传统的学习情况分析往往侧重对知识基础、能力水平与兴趣爱好等方面的静态分析，缺乏从学生认知发展过程的角度进行动态分析，缺乏对认知发展关键点及其产生原因的分析.这样的状况导致学习情况分析往往仅凭借教学经验，缺乏足够证据；对学习情况分析的结果往往是碎片化的，难以支撑有效教学策略的选择.

本文首先基于已有研究确定影响学生学习的主要因素，并在此基础上从学习进阶的过程和学习的影响因素两个维度建立学习情况分析框架，最后基于框架讨论学习情况分析的内容与策略并以“加速度”为例说明分析框架的使用.

1 影响学生学习的主要因素

探索影响学生学习的主要因素一直是学科教学研究的热点.研究者(Posner，1982；徐宁，2009)根据不同的研究目的从不同视角筛选了影响学生学习的因素.Posner 等人将影响概念转变的因素形象地描述为“概念生态圈”(Conceptual ecology).概念生态包括认识论信念、原有概念、学习的本质、概念的本质、问题解决的策略、情意领域、科学的本质等因素[1].北京师范大学徐宁博士提出的概念支撑体系理论认为[2]，概念学习的必要支持要素包括四大支持要素：个体经验背景、系统知识、意义因素与思维因素.

本文把影响学习进阶的因素概括为知识与经验、思维与信念、技能与实践、态度与责任等4个主要方面.

知识因素主要包括物理学科知识、跨学科概念和其他学科的知识等3类.经验包括日常生活中与学习内容相关的现象，以及基于现象获得的体验，学科实验现象与结果等.经验因素还包括学生头脑中存在的大量前概念.

思维是指从学科化的视角对客观事物的本质属性、内在规律及其相互关系的认识方式.思想方法与思维策略是思维的重要组成部分.信念主要是指基于科学本质、学习本质的认识论信仰.思维与信念密不可分.任何思维必定带着一定的信念，信念形成与应用一定离不开思维，并促进思维发展.

技能既包括动手操作技能，也包括思维技能.物理学科实践活动可以分为物理量的测量、探究性实验、验证性实验、小制作等.实践因素包括提出问题，猜想假设，设计实验方案并获取证据，使用不同手段和方法分析、处理数据等方面.

态度与责任是学生学习的动力因素，并影响认知的效率和效果.态度、责任与信念密不可分.

2 基于学习进阶的学习情况分析框架

早在2007年美国国家研究委员会(NRC)就对学习进阶作出明确界定，学习进阶是对学生在一段较长的时间跨度内学习或研究某一主题时，学生的思维方式从新手型到专家型的连续且有层级的发展路径的描述[3].学习进阶具有上位锚点和下位锚点[4].因此，确定学习进阶的起点和终点是刻画思维方式发展路径的首要任务.但学习进阶并非只有起点和终点，还有若干中间层级.在中间层级的进阶过程中，学习情况分析需要弄清楚有哪些进阶的关键点、学生思维从低层级发展到高层级的条件及其路径等内容.

从学生认识发展的角度看，教学的目的便是促进学生的思维方式由简单到复杂的发展.教学要有效促进学生的学习进阶，就需要从学生的角度分析影响学生进阶的各种认知因素与非认知因素，然后采用合适的教学.因此，需要建立具有可操作性的学生学习情况分析框架.

笔者以学习进阶过程和影响学生学习进阶的因素作为两个维度建立如表1所示的分析框架.

表1 基于学习进阶的物理概念学习情况分析框架

3 学习情况分析的内容与策略

3.1 分析原有认知基础建构新旧知识联系

现代学习观认为，人们用他们已经知道和相信的知识去建构新知识和对新知识的理解[5].学生已有的前科学概念或者体验对概念的学习可能起到正反两种截然不同的作用.因此，我们有必要分析学生拥有哪些与概念学习有关的认识或者能力，这不仅有助于建立概念，并在此基础上建立概念与已有概念的联系，有助于深入理解概念，形成结构良好的概念体系.

学生原有的认知基础可以分为两大类：一类是有助于概念学习的认知基础；一类是干扰概念学习的错误认识.

探查学生原有认识的方法也就多种多样，大体上可以分为直接法和间接法.所谓直接法就是通过对学生的直接观察、测验、访谈等具体方式了解其原有认识.所谓间接法就是通过查阅相关研究文献、咨询有经验的教师等间接方式了解学生原有认知.

3.2 分析学习进阶关键点及其影响因素明确教学目标与重难点

确定恰当的教学目标和重难点是设计合理的教学过程、选择有效的教学策略的前提.反之，则是低效教学，甚至是无效教学.从学生角度分析学习进阶的关键点，并基于此确定教学目标与教学重难点.

物理概念学习进阶的关键点往往存在于以下“位置”：第一，受到错误概念的较强干扰，从错误概念转变到科学概念的“位置”.第二，需要较复杂的数学知识或者学科思维方法才能实现学习进阶的“位置”.第三，从若干相关的实验事实，概括得出结论的“位置”.第四，在学习进阶过程中需要建模的“位置”.当然，学习进阶的关键点还可能存在于其他“位置”，往往需要根据具体知识的特点进行具体分析，而不是一概而论.

分析突破学习进阶关键点的影响因素可以从以下几个方面进行：首先，在对具体学习内容分析的基础上，以分析框架的学习影响因素维度为线索，分析有哪些具体的认知和非认知因素在影响学习进阶.其次，对这些影响因素进行分类，区分哪些是学生已经具备的，哪些是目前不具备的，或者存在某种程度的错误认识.

在分析学习进阶关键点的基础上，明确教学目标和教学重难点，有利于加强教学目标对整个教学过程设计和教学策略选择的统领性，有利于有针对性地突破教学重难点.

3.3 分析学习进阶路径及其影响因素为个性化的学习指导提供依据

学习进阶的路径往往不是唯一的，不同的路径具有不同的特点，对应于不同的认知过程，自然影响学习进阶的因素就不同.例如，加速度建构可以有两个不同的路径：一个是在大量不同物体加速运动的事实经验基础上，采用比值定义法或者根据变化率概念，定义加速度描述物体速度变化快慢；另一个是做出不同物体做匀变速直线运动的速度—时间图像，然后根据数学上斜率概念，借助图像定义加速度概念.显然，通过这两个不同的途径都实现了定义加速度的目标，但由于学生原有认知基础的不同，可以根据学生实际情况采用不同的方式.

学习进阶路径的影响因素主要有两类：一类是课程标准的内容标准与教学要求；另一类是学生头脑中原有的知识、技能、思维方式等若干方面的影响因素.

那么，如何分析学习进阶路径呢？第一，研究课程标准与教材，弄清楚课程标准中要求的学习进阶路径；第二，从学科学知识建构角度，分析其他可能的学习进阶路径；第三，根据学生的实际认知水平，分析这些不同路径在现阶段哪些是可行的，并比较它们的影响因素有哪些不同.

3.4 分析学习进阶终点及其影响因素为学生迁移与创新能力发展奠定基础

学习进阶终点包括“在核心概念下的概念体系整合；概念与跨学科概念之间的联系；反思概念理解过程获得的反省认知知识.[6]”这些内容更容易迁移到其他主题，也是发展学生创新能力的知识基础.因此，分析学习进阶终点的具体内容，并在教学中有针对性地规划与实施，正是培养学生迁移能力和创新能力的可操作途径.

可以从以下几个方面分析影响概念学习进阶的因素：第一，分析学生头脑中原有的、与学习内容相关的概念体系是怎样的？有哪些相关的跨学科概念？有哪些相关的认知策略？第二，学习具体内容对概念体系的完善、跨学科概念的理解和反省认知知识的获得有什么帮助？第三，影响因素有哪些？这些因素中哪些是主要的？哪些是次要的？哪些是学生已经具备的？哪些又是不具备的？第四，具体学习内容在促进学生概念整合方面可能存在哪些方面的障碍或者困难？这些障碍或者困难中哪些是学生可以独立克服的？哪些是必须在教师指导下才能克服的？

3.5 分析影响学习的非认知因素提升学生学习动力

学生由于自身的成长环境、性格特点等方面的不同，具有不同的学习兴趣、态度与动机.在学习进阶的不同阶段，由于学习内容和思维层次的不同，学生往往会在学习兴趣、好奇心、求知欲等方面表现出明显不同.例如，在速度概念学习过程中，有的学生对动手操作、实验现象等方面感兴趣，则在事实经验建立的过程容易产生学习兴趣；有的学生对探讨知识间的因果关系感兴趣，则在从平均速度如何进阶到瞬时速度的过程容易产生学习兴趣.因此，分析不同学生，甚至同一学生在学习进阶的不同阶段影响学生学习的非认知因素是非常有必要的.

分析影响学生学习的非认知因素应注意挖掘在哪些“点”上容易激发学习兴趣与动机，可以关注以下几个方面：第一，在事实经验的积累阶段，往往需要学生动手操作、观察实验现象等，这些与现象紧密联系的动手操作活动往往能激发学生的学习兴趣.第二，与生产、生活实际紧密联系的“点”容易激发学生的学习兴趣，例如，在高速公路上如何对行驶车辆进行速度监控，定点测速与区间测速各有什么特点，它们之间是怎样的关系等问题.第三，建立概念之间关联或者存在因果解释的“点”容易激发那些喜欢思考知识内容内在逻辑、追求和谐统一的学生的学习兴趣.例如，在学习了用电场强度描述电场的强弱之后，分析在重力场或者万有引力场中如何定义学科量描述场的强弱.第四，动脑与动手相结合的“点”，例如，设计实验测量电源的电动势和内电阻、如何解释小灯泡的伏安特性曲线等.

分析影响学习的非认知因素既要关注内在的兴趣、好奇心与求知欲，又要关注因为内容的有用性或者对个人发展的价值判断而引起的外部学习动机.

4 案例分析

基于前述分析框架，以高中物理中“加速度”一节为例,学习情况分析如下.

4.1 原有认知基础

学习加速度概念之前，已经学习了速度概念，对矢量概念也有了解，在建构速度概念中采用了比值定义法，在从平均速度得出瞬时速度的过程中，采用了极限思想.这些思想或者方法都为加速度概念的建立提供了基础.在生活经验中，已经具备了速度变化的体验.在数学课上已经对变化率的概念有初步了解.同时，学习本节前有些学生头脑中存在与加速度相关的大量错误前概念，例如，加速度就是“增加的速度”；只有物体做加速运动才有加速度；速度越大，加速度就越大；速度变化量越大，加速度就越大等.

4.2 学习进阶的关键点及其影响因素

主要体现在：第一，加速度是矢量，学生刚刚建立矢量概念，对矢量概念的理解还不够深刻，容易忽视或者弄错加速度的方向；第二，涉及矢量的变化量和变化率，这两个概念对学生比较陌生，但又是重要的，另外，由于还没有学习平行四边形法则，矢量变化量的计算也是学习的关键点；第三，加速度建立在比速度更加抽象的速度变化量基础之上，并且学生并不能像观察物体的位置变化或者速度大小那样观察到加速度，因此，建立加速度概念时，学生缺乏直观感受；第四，学生头脑中存在大量与加速度概念有关的错误概念，这些错误的前概念往往会干扰学生对加速度概念的理解.

4.3 学习进阶路径

4.4 学习进阶终点及其影响因素

加速度学习进阶终点可以包括以下几个方面：认识到描述运动的物理量位移、速度与加速度之间的逻辑关系；体会从描述运动到分析运动状态的变化，即分析加速度的产生原因，这是物理学研究的一般思路；认识到物理学中常常用物理量的变化率描述这个量的变化快慢；认识到物理量之比是物理学中用来定义物理量的常用方法.这些学习进阶的影响因素主要包括：对位移、速度等原有知识的理解，对变化量这个跨学科概念的理解，对密度、速度等物理量定义方式的反思程度.