基于学习进阶的科学教学设计——以圆周运动为例

柴品芳 陈红君 王 爽

(长春师范大学物理学院,吉林 长春 130032)

新一轮的课程改革体现了国家对于提高学生核心素养这一教育理念的重视,完善教育体制是提高国民素质的最有效的途径,教学过程的完美实现又离不开科学的教学设计．因此,越来越多的教学研究者将重点放在了教学的设计上．学习进阶对于学生和教师,甚至对于整个教育教学过程起到至关重要的作用,如今越来越多的专家和学者对学习进阶进行着更为深刻和透彻的研究．

1 学习进阶的背景及概念演变

美国学者Kevin D.Cunningham在博士论文“关于学生对热力学第二定律的理解的研究发展特征:利用学习进阶来说明高中化学中的思维方式”的第一部分着重于研究学习进阶部分,指出学习进阶的起源来自于对概念的逐步深入研究,概念的变化与发展如表1.

表1 概念的变化及发展

续表

该表展现了早期对于概念研究逐渐深入的过程．2004年,学者史密斯(Carol Smith),代表“基础教育阶段科学学业成就评价委员会”向美国国家研究理事会提交一份报告,这是学习进阶第一次在科学教育领域中提出．2005年美国的《建立州科学评价体系》的报告中提到了学习进阶可以成为解决评价、课程和教学连贯性问题的工具．2007年在《将科学带入学校:K-8年级的科学教与学》中,提到学习进阶可以对开发具有连贯性的课程和教学起作用,并且其认为学习进阶具有潜在价值．2013年5月的美国《新一代科学教育标准》(Next Generation Science Standards)进一步指出学习进阶的重要性．

学习进阶是一种概念的序列,它和核心的概念息息相关,这些序列是由简单到复杂且相互关联的,同时可以理解为是对学生的不同学段学习同一个题目时所遵循的比较典型的学习路径的描述．

2 科学概念理解的发展层级模型

2.1 学习进阶的层级模型

在美国学习进阶的研究影响下,我国一些学段的科学课程设计也采用了学习进阶来规划核心素养．郭玉英带领的团队基于对学习进阶的理解,进行了大量的实证研究,建构了科学概念理解的发展层级模型(如表2),表2中的发展层级为进阶变量,层级描述代表的是各级的表现期望．

表2 科学概念理解的发展层级模型

针对于物理学科的内容,以“圆周运动”为例,在表2的基础上总结出对于圆周运动概念的学生的理解的发展层级模型,如表3.

表3 学生圆周运动概念理解的发展层级模型

在这里对表3进行解释与补充:首先在经验层级上,学生初始的状态是知道在日常的生活中有运动的轨迹是一个圆的现象;在接触了圆周运动的概念之后在映射的层级上能够建构出圆周运动这一抽象概念的具体的特征;在关联层级上指能够掌握分辨生活中运动的事物是否属于圆周运动的能力;在系统层级上进一步学习圆周运动,掌握圆周运动的相关物理量并掌握其计算和转换的方法;在最后的整合层级上,学习的最终要求是学生能够掌握知识，整合能力,通过圆周运动的学习解决更多的生活问题．

2.2 学习进阶的作用

(1) 在教学前学习进阶可以让教师更加直观了解学生的水平．教师可以将学习进阶作为工具去明确在新的课程中应该在学生原有的知识水平基础上进行哪些教学．

(2) 在教学过程中教师可以将学习进阶作为教学评价的证据,学习进阶可以很好地描绘出学生在不同的阶段对于知识的不同认知程度．一开始,学生只是有对于知识的记忆,然后逐渐能够领会知识,接着可以应用知识达到对于知识的整合,最后能对于知识进行独立评价,达到更加高级的水平．在这个过程中教师可以利用学习进阶对于学生的水平进行评价．

3 基于学习进阶的科学教学设计

根据教育心理学家布鲁曼菲尔德以及埃利奥特·索洛韦等人关于对于学生的学习动机和思维的研究中涉及教学的一些建议，总结教学设计过程应该考虑以下两个方面.

一方面是针对于教学过程的一些细节要求: (1) 任务多样性学习的主题应该包括新颖的元素; (2) 提出的问题具有真实性和价值性,并且能够增强学生对学习的兴趣; (3) 问题对于学生有一定的挑战性; (4) 有很好的结束,能够真正有所作用和效果; (5) 教学的方法,即如何完成本节教学工作的; (6) 在过程中注重合作的重要性.

另一方面是环境的问题，课堂环境将影响学生．假设他们对这个问题感兴趣,并且认为自己有能力完成这个项目,但如果教师指出解决问题的方向,学生可能不会以促进理解的方式参与这个主题．当教师强调成绩、不鼓励冒险、强调正确答案的评价标准、通过实施奖励和惩罚等外部控制措施来加强对工作的问责制,或主要分配低水平的任务时,绩效取向而不是学习取向就更有可能出现,因此应该注意教学的方式和方法．

除此之外还可以利用多媒体、图书资料等方法加入到教学设计中来丰富课堂．

3.1 基于核心素养学习进阶的科学教学设计模型

教学设计基于课程标准、根据学生的不同特点,将教学的要素有序安排,最终确定最合适的教学方案的计划．一般包括下面几个环节:教学目标、教学重难点、教学方法、教学步骤与时间分配等．在教学中,ADDIE模式(图1)是教学设计的一种基本模式．ADDIE模式将教学设计系统分为分析、设计、开发、执行和评估这5个模块．基于核心素养学习进阶的科学教学设计也遵循这个经典的基本范式．

图1 教学设计的ADDIE模式

我国物理教学研究者以图1的经典教学设计模式为框架结构并且结合科学的教学设计理念总结出了基于核心素养学习进阶的科学教学设计模型(图2)．

图2 基于核心素养学习进阶的科学教学设计模型

基于学习进阶的学情分析方面,结合核心素养的理念,针对以下几个问题对授课内容进行分析：(1) 需要建构哪些科学观念?并在过程中确定学生原有的基础水平及在该内容的学习之后期望学生所达到的知识水平；(2) 结合核心素养的理念及要求确定在此部分的学习中希望培养学生的关键能力是什么?(3) 希望帮助学生能够构建哪些整合联系(包括学生思维和能力的整合,观念和实践的整合等)；(4) 能够确定学生在学习过程中可能存在的问题和中间存在的状态．该教学设计模型与经典的教学设计模型相比,对于目标、学情和重难点的分析进行了系统的整合,更注重以学习进阶为基础．

3.2 基于核心素养学习进阶的科学教学设计——以圆周运动为例

3.2.1 基于学习进阶的学情分析

学生已经比较好地掌握了直线运动的知识和曲线运动的一些初步知识,并能够利用用比值定义法对匀速直线运动进行描述．即使是这样,由于圆周运动具有特殊性和复杂性以及对于不同学生有差异的认知的水平,因此本节课的学习内容对于学生来说是困难的．

(1) 需要建构的科学观念.学生已经掌握了一定的运动学基础,在此部分是对于曲线运动的一种——圆周运动来进行分析和学习．学生已经掌握的知识水平和经验:理解并掌握时间、速度和加速度等概念;知道运动轨迹是曲线的运动称为曲线运动．期望学生达到的整合(理解)水平:理解并掌握圆周运动的概念;理解并掌握圆周运动相关的物理量和计算．

(2) 期望培养的关键能力.通过描述圆周运动快慢这一教学环节,学生可以了解对于同一个问题可以从不同的角度和方面进行研究．本部分内容的学习比较强调观察学生的发散性思维能力，即学生多方面思考和探究同一问题的能力的培养．

(3) 期望建构的整合联系.这一节课期望能够整合圆周运动的学习进阶与学生科学探究能力的整合．通过思维中已有的运动模型及对于圆周运动内容的学习整合建构圆周运动的相关模型．

(4) 可能存在的中间状态.根据学生现有水平和期望学生达到的理解水平,可能存在的中间状态:初步理解圆周运动并能联系生活实际分辨圆周运动；通过分析和思考推断出圆周运动的相关物理量；理解并掌握圆周运动几个相关物理量之间的关系．

3.2.2 教学过程的设计和教学开发

教学过程的设计要带着以上学情分析的几个问题的结果来进行设计,也可以说是对于学生学习轨迹的设计,在圆周运动的学习过程中学生学习的轨迹应该是多元的,复杂的．然后以学习轨迹为基础,开始教学的开发,教学的开发以选择驱动问题和任务为起点．选择驱动问题和任务要求我们一方面要能够引起学生的学习兴趣起到积极的影响作用,引发学生的学习动机,另一方面要求我们流畅地引出学生学习和理解的任务情景．那么在圆周运动概念的引入时我们可以积极地引入生活实例来引起学生学习的兴趣,在教学过程中也可以通过抛问题让小组讨论思考来流畅地连接学习情境．根据学生的概念理解水平及进阶过程其具体的教学流程设计如下．

第1步:分析学生现有的认知基础——已经能够从运动轨迹的角度来分析问题.问题1：观察图片回答问题并通过思考和探究进行举例.导入时以常见的实例来进行导入,例如工作中的电风扇、工作的钟表等,然后让学生来思考问题,在这些实例中物体在运动时轨迹有什么共同的特点?学生回答得到它们的轨迹都是圆,并给出圆周运动的概念——运动轨迹为圆的运动称为圆周运动．然后让学生们来举例生活中还有哪些现象是利用了圆周运动——例如骑自行车的时候车轮的运动以及圆锥摆的运动．

第2步:学生锻炼探究性思维思考问题.问题2：小组讨论探究比较两个相同摩天轮工作时运动快慢的方法.

展示图片让学生探究工作中的两个同样大小的摩天轮,哪一个运动更快,小组讨论有哪些方法来比较?讨论结束后总结出学生小组讨论的结果: (1) 比较两个摩天轮转一圈所花费的时间多少——学生讨论得出花费时间越长运动越慢,在这里可以得出第1个物理量周期T.定义:圆周运动的物体运动一圈所花费的时间的多少;单位为秒．(2) 比较一定时间内转动的弧长的多少——学生讨论得出转动的弧长越长运动越快,在这里得出第2个物理量线速度v.定义:圆周运动在单位时间内转过的轨迹的长度;单位为m/s，为矢量;同时根据定义继续推出v=l/t=2πr/T;(3)比较在一定时间内半径扫过的角度的大小——学生讨论得出划过的角度越大运动越快,在这里得出了第3个物理量角速度w.定义:在单位时间内转过的角度的大小;单位为rad/s，为矢量;同时根据定义继续推出w=θ/t=2π/T.在这时可以通过上面的学习,让学生再次小组探究讨论然后推导出线速度与角速度的关系．问题3： 探究线速度和角速度的关系.

线速度和角速度的关系为v=wr. (1) 比较在一定时间内转动的圈数——学生讨论得出转动的圈数越多运动越快,在这里得出了第4个物理量转速n.定义:圆周运动的物体在一定时间内转过的圈数;单位为r/s;同时根据定义继续推出n=1/T.

第3步:提问并要求学生进行自己总结和思考本节课学到的概念和内容.问题4： 本节课你掌握了哪些内容?

第4步:设计例题，示例后学生自己实践解决例题.问题5：理论联系实际检验学生的能力．

3.2.3 教学评估和反馈

在课程结束后教师应积极对本节的内容进行效果评估,检验在课堂进行过程中是否达到预想的效果,学生是否能够活跃进入到课堂并对课堂内容感兴趣,从而确定该课堂是否符合核心素养的理念;还要评估课堂上对于实验探究部分和小组讨论交流时间学生是否能亲自参与,积极提出自己的想法和意见;在课堂结束后更是要评估学生对于新知识的掌握情况如何,是否掌握了课程标准所要求的内容,本部分可以通过课堂提问和课后学生练习题的作答情况来实现．那么在评估结束后对于效果不佳的地方就要进行反思,可以在对下一节课的内容进行教学设计时及时做出改正．