进阶理论视域下高中物理问题链的设计

李兴 陆妍

摘    要：基于学习进阶理论，在教学过程中教师应该根据学生的认知和思维水平，结合学科的逻辑特点，设计一条进阶式的问题链，从原始问题到物理模型构建，从单一知识到大单元知识，从知识传授到能力和思维培养，最后到情境迁移能力的达成，让学生真正达到课程标准要求的学业质量5级水平.

关键词：进阶理论;问题链;科学思维;牛顿运动定律

提出问题和解决问题是学生提升科学思维水平非常重要的手段.学习进阶理论认为，学习是一种不断积累、不断发展的过程，学生解决问题的关键能力，需要经过许多不同的“中间水平”[1]，这些中间水平称之为“阶”，不同的阶对应着不同的认知水平.根据解决的困难程度，问题可以划分为不同的阶，一个个连续的阶通过问题链的形式，将学生浅层次的思维活动与深层次的思维活动连接起来，可以有效促进学生科学思维水平的发展.下面以“牛顿运动定律综合应用”为例探讨进阶理论视域下高中物理问题链的设计.

一、设计思路

（一）进阶起点与终点的分析

进阶起点：《普通高中物理课程标准（2017年版）》（以下简称《课程标准》）中，学业质量1级水平要求学生能初步了解所学的物理概念和规律，能将相关的自然现象和问题解决联系起来[2].在“牛顿运动定律综合应用”的教学中，进阶式问题链的设计起点可以从简单的推或拉包裹的实际情境出发，引出物理的原始问题，这符合学生初始的认知水平.

进阶终点：进阶问题链的终点应该是我们所期望学生能够达到的最高水平.《课程标准》中指出：学业质量5级水平要求学生能在新的情境中对综合性问题进行分析和推理，获得正确结论并做出解释.因此进阶问题链的终点应该是能够培养学生情境迁移能力的问题，也即“情境再入”的问题.本教学案例中的最后一个问题，将“推、拉包裹”的情境，换成“南极科考站拖运货物”的情境，侧重考查学生情境迁移的能力.

（二）进阶层级的设计

根据高中学生已有的知识与技能储备，问题链的设计需要确定合适的层级，层级之间的跨度不宜太大，也不宜太小.跨度太大，违背学生的认知规律，学生容易产生畏难情绪.跨度太小，学生的科学思维水平则得不到充分的发展.

问题链层级的设计，可以参照《课程标准》中学业质量水平5个等级的划分，将问题链也划分为5个层级.其中每一个层级大致对应着《课程标准》中的每一个水平等级.

（三）问题链设计模型

问题链设计模型如图1所示.

二、教學实践

（一）基于实际情境的原始问题

【原始问题】小明同学要去邮局取一个比较重的包裹，在不借助其他机械工具（绳子除外）的情况下，他怎样做才能比较轻松地拿回他的包裹？

设计意图：这是一个基于实际情境的原始问题，它与物理问题不同的是，原始问题没有严格的限定条件，也没有一个确定的标准答案.学生可以根据平时的生活经验得出不同的答案：可能是推，也可能是拉，或者是提着回来.将生活情境的实际问题作为问题链的进阶起点，可以有效激发学生的探究热情，适当地降低进阶起点的难度.

（二）由原始问题向物理问题的进阶

从原始问题向物理问题转化，需要确定相应的物理环境和条件，便于学生应用物理规律解决实际问题.原始问题向物理问题转化的过程，其实是去情境化的过程，也是物理模型构建的过程.根据要求设计如下问题.

【物理问题】小明从邮局取回一个质量为M的包裹，包裹与地面之间的动摩擦因数为μ ，他可以采取如图2所示的两种方式匀速移动包裹，一种是斜向上拉动包裹，另一种是斜向下向前推动包裹.请你通过分析，判断哪一种方式比较省力？

设计意图：本题是一个设置了具体参数的物理问题.与原始问题相比，问题的指向性更明确，其结果也相对确定.本题的设计便于学生构建解决牛顿运动定律应用问题的基本模型.

《课程标准》指出：学业质量2级水平要求学生能在熟悉的问题情境中，利用学过的知识构建简单的物理模型，并解决问题.根据前面物理问题的描述，学生可以构建出该问题的物理模型，即水平面上的物体受到恒定斜拉力作用的物理模型.根据该物理模型的解题步骤：受力分析→正交分解→据平衡条件列式求解，学生可以轻松解决问题.

（三）从单一知识向大单元知识的进阶

学业质量3级水平要求学生能够对综合性问题进行分析和推理，获得结论并做出解释.一个综合性问题往往是由若干个小问题组成的，每一个小问题涉及的知识点比较单一.在“牛顿运动定律综合应用”教学中，我们可以将物体间相互作用规律与运动学规律结合起来，还可以从功能关系的角度解决相应的力学问题，从而做到从单一的知识点向整个力学大单元的知识拓展进阶.设计的进阶问题如下.

【进阶问题1】已知包裹的质量M=10kg，包裹与水平地面之间的动摩擦因数μ=0.75，若小明同学采用如图2甲的方式斜向上拉动包裹，且拉力与水平地面的夹角是37°，拉力F的大小为100N，小明能够达到的最大速度为5m/s，则他最初将包裹移动10m需要多少时间？

设计意图：本题将物体受力分析和物体的运动规律两个板块的知识整合成大单元知识的综合性问题，有助于提高学生对于综合问题的分析和推理能力.

（四）从传授知识向关键能力和高阶思维培养的进阶

就具体的物理教学而言，学生在学习过程中除了接受、领会知识本身的内容之外，还应该主动吸收积淀在知识中的智慧、方法和思维方式.设计的问题链应该从知识传授转向关键能力和高阶思维的培养.

【进阶问题2】若小明同学采用了如图2乙所示的方式推包裹，却发现无论用多大的力都推不动包裹，请你分析一下产生这种情况的原因，并提出合理的解决方案.

设计意图：这是一个关于摩擦角的问题，摩擦角是一个较难理解的物理问题，只有在深入了解正交分解得到的FX与FY 对摩擦力的影响之后，才能很好地解决这个问题，对学生高阶思维的训练起到一定的积极作用.

【进阶问题3】小明发现邮局有两个大小不一的包裹，大包裹的质量为M，小包裹的质量为m ，两包裹之间以及包裹与水平地面之间的最大动摩擦因数均为μ.如图3所示，他将小包裹摞在大包裹上面，向左施加恒定的水平拉力F ，拉力F作用在下面的大包裹上.则小明要想顺利地将包裹拉回家，他所施加的水平拉力F的取值范围是什么？（最大静摩擦力大小视为等于滑动摩擦力大小）

设计意图：这是一个关于木块—木板模型的问题，要求学生灵活使用整体法与隔离法，解决多物体的运动学问题.选择合适的研究对象是“牛顿运动定律综合应用”中非常重要的一个解题策略，设计这个问题则有助于锻炼学生正确选择研究对象的能力.

（五）从解决物理问题向情境迁移能力培养的进阶

前面的问题链设计中，学生从原始问题出发，经历了去情境化、构建物理模型、大单元知识系统化、指向关键能力和高阶思维培养的问题.仅仅这样，仍未达到进阶问题链设计的终点.根据学业质量5级水平的要求，应该设计新的情境问题，学生通过解决前面的系列问题获得一定的方法与策略，在新的实际情境中得到充分的展现和应用.

【情境迁移问题】如图4甲所示，南极冰面上，科考队用拖拉机借助绳索水平牵引装有货物的轻质木箱，拖拉机和木箱（含箱内货物）受到地面给它们的摩擦阻力大小与它们和地面之间的压力成正比，比例系数分别为μ1和μ2.已知拖拉机的质量为M，木箱内货物的质量为m，木箱的质量不计.

问题1.拖拉机的发动机提供的牵引力至少要多大，才能移动木箱？

问题2.若发动机提供的牵引力最大功率为P，则拖拉机拉动木箱能够达到的最大速度是多大？

问题3.如图4乙所示，拖拉机一次拖运两个一模一样的货箱（含货物），将两个货箱上下摞在一起，货箱与货箱之间的动摩擦因数μ3=μ2 .若要成功拖运货物，则拖拉机发动机提供的牵引力F的大小，应该在什么范围内？

问题4.如图4丙所示，若拖拉机的牵引挂钩与木箱的挂钩不在同一个高度上，绳子对拖拉机和木箱（含货物）的作用力看作均经过它们的重心位置.假设发动机牵引力的功率足够大，却发现拖拉机无论怎么加油门，都无法拖动木箱，可能是什么原因导致的？如何解决这个问题？

设计意图：问题侧重考查学生的情境迁移能力.雖然是一道新情境的问题，但是核心的物理问题都是应用牛顿运动定律解决物体的运动学问题，解决问题的思维方式和策略本质上没有发生变化.能够很好地解决类似新的情境问题才能表明学生真正达到了学业质量5级的水平，也达到了我们预期的进阶终点.

三、进阶式问题链设计的几点原则

（一）问题必须是“真问题”

问题链的设计应该指向核心目标，立足重点知识及生成过程，针对学生存在的思维障碍设计“真问题”.与“真问题”相对的是“假问题”，所谓的“假问题”是指那些答案显而易见，学生根本不需要思考就能回答的问题.很多教师喜欢问“对不对”“是不是”等问题，这一类问题就是假问题，因为教师无法从众多的“附和声”中区分哪些学生是真实知道的，哪些是“滥竽充数”的.在实际教学中，教师应该综合考虑各种因素，尽量避免出现“假问题”[3].

（二）问题之间的梯度要符合学生的认知规律及思维水平

问题链的设计不能将若干个问题简单地堆砌在一起，相邻的问题之间要先后有序，有一定的递进关系，必须符合学生循序渐进的认知规律和思维水平.设计的问题要能够唤醒学生已有的认知，使得大多数学生“跳一跳就能摘到果实”.

问题链同时也是一条思维线，通过解决思维线上的各个问题，不断驱动学生进行思考和学习的进程.这条线上问题的选择，必须有利于学生科学思维的进阶发展，这样才能实现从低阶思维向高阶思维的转变.

（三）问题的设置要符合物理学科的逻辑关系

问题链的进阶结构要符合物理学科的逻辑关系.问题链中可以将“物体间的相互作用规律”作为学习的起点，然后进行“物体间相互作用规律、运动规律、功能关系”等大单元系统知识的研究.再从掌握知识转变为用物理规律及数学工具解决复杂的综合性问题.最后在情境再入的问题中，达到培养学生情境迁移能力的目标.

（四）及时吸纳学习过程中生成的新问题

学习的过程本质上就是不断经历“发现问题—解决问题—提出新的问题”的过程.新问题是教学过程中非常重要的教学资源.问题链中不能仅有教师预设的问题，还应当随时吸纳学生在学习过程中生成的新问题.这样可以从新的角度看待原有的问题，就能形成一个螺旋式上升的问题链，能够促进学生自主构建物理观念和物理规律.

问题链既是知识探究的程序链，更是学生思维的触发器[4].结合《课程标准》中学业质量水平的等级划分，根据学生的认知规律，设计进阶式的问题链，可以有效地引领学生沿着问题的阶梯去思考、去探究，达到从低阶思维向高阶思维发展的目标.

参考文献：

[1]黄甫倩，常珊珊，王后雄.美国学习进阶的进展及启示[J].外国中小学教育，2015（8）：53-59.

[2]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：46-49.

[3]吕增锋.莫让“问题链”成为桎梏学生思维的“锁链”[J].中学教研，2019（7）：1-3.

[4]孟胜奇.“问题链+学生核心活动”教学模式的研究与实践[J].中学数学研究，2013（5）：1-2.