卡干结构法培养学生核心素养教学研究

冼景连　袁勇

摘 要：以“超重和失重”一节课为例，通过卡干结构法合作学习与传统讲授式课堂教学的对比实验研究，发现采用卡干结构法合作学习能促使学生主动学习，亲历科学思维和科学探究过程，特别是有利于培养学生的推理论证和解释交流能力，是形成学生核心素养的有效教学方法.

关键词：核心素养;卡干结构法;合作学习;超重和失重;实验研究

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）07-0012-05

作者简介：冼景连（1984-），女，广东人，本科，中学一级教师，研究方向：合作学习与核心素养;

袁勇（1972-），男，内蒙古人，硕士，中学正高级教师，研究方向：合作学习与核心素养.

20世纪70年代合作学习在美国兴起，至今已有50多年，合作学习是大家通过共同工作来促进自己和他人学习效果最大化的一种教学方式[1].卡干结构法合作学习是现在国际上流行的合作学习法， 是由曾任美国加州大学心理学和教育学卡干教授（ Spencer Kagan ）提出的，卡干合作学习结构法是一种旨在促进合作学习和主动投入的教学方法，能指导学生在课堂上交互学习.卡干提出了一个著名的公式：结构+内容=活动.“结构”是一种教学策略，它描绘学生如何与教师、同伴和内容之间的相互作用.教师只需把特定的教学内容镶嵌到合作学习结构中，就能有效开展合作学习[2].笔者经过大量的理论与实践研究，发现把卡干结构法应用于我国大班额下的合作学习课堂教学能取得非常好的教学效果，学生的表现常常令教师感到惊喜.

课题研究以人教版（2019）高中《物理（必修1）》中“超重和失重”为例开展卡干结构法合作学习.以往情况下，我们多采用传统的“讲授式”教学，但其课堂教学效果一般，学生被动地学习，没有亲历合作探究的过程，难改变学生的一些认知误区，难形成物理观念，不利于培养学生的物理核心素养.然而，采用卡干结构法合作学习，学生主动学习，教学效果显著.课前让学生自己站到体重计上体验超重和失重现象，形成学习报告，并在小组内汇报、讨论交流、分享、评价，初步认识超重和失重现象.通过观察和分析电梯内的超重和失重现象，学生经历了观察、质疑、思考、合作、交流、归纳、建构、评价等过程，强调学生的分析过程和运用牛顿运动定律解决问题，有利于促进学生对超重和失重现象的理解和内化，培养学生分析推理的科学思维和解释交流的科学探究能力，由实现“解题”向解决“问题”的教学功能转变.

1 研究方案的设计

1.1 研究假设

（1）卡干结构法合作学习比传统讲授式課堂教学更能促进学生对“超重和失重”概念内涵的理解与内化.

（2）卡干结构法合作学习比传统讲授式课堂教学更能培养学生推理论证的科学思维能力和解释交流的科学探究能力[1].

1.2 研究变量

教学方法以“卡干结构法合作学习”和 “传统讲授式”为自变量，教学效果以“超重和失重”物理概念内涵的理解与内化、推理论证和解释交流素养为因变量，控制学生、授课教师、前后测答题时间和评价标准、教学内容、教学时间等不变.

1.3 研究对象

选取廉江市第一中学高一年级两个同层次班（人数、男女比例、合作技能、成绩等相差较小）进行实验，高一（11）班采用卡干结构法合作学习（实验班）;高一（6）班采用讲授式课堂教学（对比班）.

1.4 教学效果检测

1.4.1 分析课前、课后测试情况

根据研究假设，精心设计前测和后测试卷.前测试卷中主要是测试学生学习超重与失重需要的一些储备知识，如学生能否正确判断运动类型、速度和加速度的方向，是否能熟练对物体进行受力分析，能否判断加速度的方向与合力的方向的关系及合力与分力间的关系，能否应用牛顿运动定律解决问题.以及学生头脑中对超重和失重现象的前概念，获得实验班与对比班的储备知识情况.课后测试卷主要是测试学生对超重和失重物理内涵的理解与应用情况等.

1.4.2 课堂观察量表

结合研究，设计课堂观察量表，并让一位老师进课堂观察学生的表现，用以说明实验班和对比班培养的效果，进一步验证我们的研究假设.

1.4.3 调查问卷

编制调查问卷，对比两个班的调查结果，用以论证“研究假设”.

1.5 教学过程

1.5.1 前测试卷分析

根据本节课的内容和学生情况编制好前测试卷，利用上课前两天的早读时间同时在两班发放前测试卷，要求学生10分钟内独立完成测试卷.批改分析后可知，高一（11）班（实验班）的平均分是6.185分，而高一（6）班（对比班）的平均分是6.5分，6班比11班高0.315分.两个班91%的学生对速度和加速度方向判断正确，设计学习任务时可以让学生根据运动信息去判断加速度和速度的方向.89.7%的学生会画出人受到的重力和支持力，78.3%的学生判断合力方向是竖直向上的，但38.5%的学生不会判断支持力和重力的大小关系，错误认为支持力等于重力（二力平衡），这是受前面平衡条件的影响，教师让学生合作探究前应该着重纠正这一错误思维，否则学生很难探究出超重和失重的物理内涵.78%的学生会根据牛顿第二定律求解支持力.第二题考查学生对超重和失重现象的前概念，一般学生对超重、失重现象的理解都是直接照搬教材中的定义，或者是生活中的说法，如这个小伙子12岁，身高1.5米，质量是100公斤，他“超重”了;这辆汽车规定载重5吨，现在实际拉10吨，它“超重”了……而失重的现象在生活中比较少见，几乎没有学生能正确回答.这说明上课前学生对超重、失重现象的认识和了解不多.

从以上测试结果可知，学生所具备的知识储备很好，几乎都没有预习“超重和失重”这节课，不知道超重和失重的本质是什么.笔者针对前测情况和多年的教学经验，在两个班分别采用讲授式和合作学习模式来理解、内化超重和失重的概念及物理内涵，并重点培养和提升学生的推理论证和解释交流素养等，期盼验证实验研究假设.

1.5.2 卡干结构法合作学习（实验班）教学实践

在所教的高一（11）班采用卡干结构法合作学习方法授课.

（1）用“个人体验—小组交流—分享法”体验超重和失重现象

上课的前一天发前置性自主合作探究学习清单给学生，要求学生站到体重计上体验超重和失重现象，形成学习报告，并在小组内汇报、讨论交流、分享，小组长负责评价.课堂上教师随机抽查两个小组的代表汇报本组的研究结果，初步认识超重和失重现象.

（2）用“配对实验法[3]”观察弹簧测力计中超重与失重现象

教师先演示挂着重物的橡皮筋突然上升和下降，让学生通过观察橡皮筋的形变，引导学生分阶段观察，明确观察的过程，直观获得对拉力变化的认识.然后，小组内两人配对把两个钩码串起来，挂在弹簧测力计下面.1号同学拉着挂着钩码的弹簧测力计在竖直方向上先加速向上，再匀速向上运动，后减速向上运动，2号同学纪录观察弹簧测力计的示数变化;然后角色互换，2号同学操作，1号同学纪录观察;而3和4号同学与1和2号分工类似，让挂着钩码的弹簧测力计在竖直方向上先向下加速运动，再匀速向下后减速向下运动.学生讨论得出实验结果，教师随机抽查某一组学生汇报，全班分享.

（3）使用“目标协同结构法”分析推理超重和失重的条件和本质

高一（11）班依据异质分组原则，全班分成13个合作小组，每组4人，其中两个物理课代表所在的组是5人.每一基组内有一位小组长，4人分别编号为1、2、3、4号（课代表是0号）.

教师播放课前录制好的电梯台秤示数变化的视频，让学生注意观察在电梯运动的不同阶段中台秤（或弹簧测力计）的示数，思考哪个阶段处于超重狀态，哪个阶段处于失重状态，并纪录讨论.

总结得出：当电梯加速上升和减速下降时是超重，而加速下降和减速上升时是失重，物体是处于超重状态还是失重状态与运动速度方向没有关系，而与加速度方向有关.

教师先以匀速上升运动过程为例分析，引导同学从运动情况判断速度方向和加速度方向，由加速度方向判定合外力方向，由牛顿第二定律得到FN与G的大小关系，从而判断物体的状态是超重还是失重.小组内按编号在5分钟内独立分析研究一种运动状态（共有4种，分别为加速上升、减速上升、加速下降、减速下降）的情况，见表1.同号同学聚集在一起组成专家组，组内互相核对结果、解释、交流，直到意见相同，确保每个同学都弄懂自己负责的这一运动状态的探究，如有不懂的问题可求助老师和其他同学.专家组合作学习5分钟后回到原来的小组，轮流给其它三位同学讲解自己负责的问题，讲前预留10秒，让其他同学思考.讲解结束后，全组一起讨论得出结论.教师抽查4个不同号同学汇报不同的问题，如1号同学汇报解释4号问题，2号同学汇报1号问题等.其它组成员随时可以提出质疑和不同观点，并在全班公开讨论交流.经过全班同学的互动和教师的引导总结，得到超重和失重现象的物理内涵，也懂得使用牛顿运动定律分析解决超重失重问题.

最后10分钟发放课后检测试卷进行检测，以检验教学效果.

根据事先设计的观课量表，邀请一位研究团队成员进入课堂，针对研究假设记录学生的学习行为，为进一步论证实验假设做佐证.

1.5.3 传统讲授式（对比班）课堂教学实践

在所教的高一（6）班采用传统讲授方式上课.

首先，教师根据前测中同学们所提到的生活中的超重和失重事实和现象来导入新课，主要用语言描述超重和失重的定义及产生超重和失重现象的条件.

然后，教师先用挂着钩码的橡皮筋演示超重与失重现象，再把钩码挂在弹簧测力计下演示.学生可获得直观形象的拉力变化的感性认识.但由于弹簧测力计示数变化很快，而且弹簧测力计拉着重物上升过程和下降过程并不是单一的加速或减速过程，教师是一人在讲台上演示，学生只能坐着远距离观察，可能观察到指针只是上下动了一下，搞不清示数是怎么样变化的，也难以和运动结合起来思考问题.特别是坐在后面的同学可能什么也看不到，感觉特别乱，觉得无趣，也就不关心老师讲什么.教师观察到此演示实验效果不理想，就总结了一下实验现象，分析了钩码在上升和下降过程分别经历的运动过程及不同过程中指针的示数.

接着，教师播放了课前录制好的学生在体重计上突然下蹲和站起来的视频，让学生感受到超重和失重现象.随后，教师播放电梯的视频，并逐个分析四种运动状态（分别为加速上升、减速上升、加速下降、减速下降）的运动类型、受力情况，根据牛顿运动定律得到超重和失重的实质等.

教师清楚地把本节课知识用例题讲完，还做了三道相关的习题.学生主要是被动地听、做笔记，整节课都按着教师预设的思路进行，学生没有深入思考和讨论，知识难以内化.教师在30分钟内轻松地完成了本节课的讲授，最后10分钟进行课后检测.

2 实验研究的结果及分析

2.1 课前、课后测试对比分析

卡干结构法合作学习比传统讲授式课堂教学更能促进学生对超重和失重物理内涵的理解与内化.

按既定评分标准，由同一老师批改课前测、课后测试卷，获得两班的测试结果见表3.

本节教学由同一老师授课，授课内容相同.由前测可知，实验班比对比班平均分低0.31分.后测显示，11班比6班平均分高1.5 分，相对增加1.81分，按百分比计算可得，实验班相对增加18.1分.通过以上对比分析可知，卡干结构法合作学习比讲授式的教学方法效果显著，合作学习更能提高同学们对超重和失重的理解和内化.

2.2 课堂观察对比分析

卡干结构法合作学习比传统讲授式教学更能促进培养学生分析推理的科学思维和解释交流素养.

观察学生学习过程可知，高一（11）班（实验班）学生通过卡干结构法的合作学习，根据预先设计的任务清单，历经分析推理过程，在专家组互相学习，在基组教授别人，学生积极性高，合作学习活跃.责任到人、分工明确，积极互助，都在努力寻找超重与失重的条件与物理内涵.在专家组和基组内的互教、质疑和交流充分、活跃，几乎全班同学都进行解释交流和讨论.上讲台汇报的同学语言表达能力强、条理清晰，师生互动和生生互动特别多.学生是主动、合作和体验式学习，学后教别人，学生能充分经历动手实验、推理论证过程和解释交流过程，能促进推理论证和解释交流素养的培养.

教师在高一（6）班（对比班）直接讲授超重和失重现象及形成的条件，学生被动地听、做笔记，少量的师生互动是一问一答.课堂死气沉沉，缺乏活力，学生是被动学习，缺少交流过程和推理论证过程，缺乏深度学习，很难在大脑中留下印象，不利于分析推理和解释交流素养的培养.

2.3 结论

通过实验班和对比班前后测、课堂观察等一系列实验对比分析表明，采用卡干结构法合作学习比采用传统讲授式教学明显促进了学生对超重和失重的理解及内化，能有效促进学生推理论证和解释交流的科学探究能力的培养.

3 总结与反思

本节课的合作学习任务设计是在合作学习理论与实践研究基础上精心设计，在分析推理、解释交流环节设计上很好地体现了合作学习的基本要素，能保证小组合作时积极互助、责任到人、平等参与和同时互动，与传统讲授式教学设计不同，关系到实验研究的显著性.设计时应注意以下几点.

3.1 前测与后测题的设计影响实验测量的有效性

前测试题主要检测学生的课前是否已经储备了相关的知识，以及学生头脑中已经形成了哪些前概念，会促进或阻碍本节课内容的学习.学生易错误认为超重就是物体的重力增大、失重就是重力减小，或者认为超重就是超過原来应有的体重等.设计合作学习任务应根据前测反映的问题设计.后测试题要检测教学干预后学生对原有错误认知的转化情况，还要检测两种教学方法干预的显著性.所以，合理地设计前测和后测试题非常重要.

3.2 预测学生可能遇到的各种情况，制定好应对措施

课前录制体重计上体验超重和失重现象是本节课的前置性合作任务，需要在课前一天布置任务给学生，给学生体验及合作的机会.考虑有部分学生不去找体重计或者找不到体重计体验，最好在课前拍摄一人分别在指针式和数字式体重计上突然下蹲或突然起立的视频，可在课堂上播放.从视频上可清晰看到当人突然下蹲或起立时，体重计的示数是变化的，由于过程很快，很难看清具体是怎么变化的，但可以看到体重计的示数是变化的，不是总等于人的体重的.这种学生亲身体验跟前概念里的超重和失重不一样，对超重和失重现象的理解和内化有很大帮助.

3.3 合理设计合作任务，让学生便于观察、思考

（1）课前改装好弹簧测力计.把橡皮筋套进测力计的刻度盘的两端，在橡皮筋上夹上两片红色的硬纸片（或是方形泡沫），指针在两纸片之间.当指针上移时上面的纸片会上移，指针下降时会推动下面的纸片下移.这样做便于观察弹簧测力计的指针变化情况，也可以纪录指针上升或下降的最大示数.

（2）由于生活中的失重和超重现象的过程一般很快，而本节课选取课前拍摄的不同运动情况下的电梯中台秤（弹簧秤）的示数的视频，把失重和超重的过程“延长”，学生可以“慢”下来观察5种不同过程的视重，把示数和运动过程结合在一起分析.这就要求拍摄的电梯上升或下降的楼层应不少于4层.

3.4 异质分组、明确分工有利于开展合作学习

根据异质分组原则分配任务和合作，按编号分配学习任务，公平、明确，共同参与.而同号同学互相核对结果、解释和交流，互相帮助，确保每个同学都弄懂.专家组合作学习后回到原来的基组，每位同学讲解，平等的、充分的交流和展示，以最大地发挥学生学习的主动性和能动性，由于学生大部分的时间都在亲历分析推理、解析交流的过程，有利于促进学生对超重和失重现象的理解和内化，培养学生分析推理的科学思维和解释交流的科学探究能力.

参考文献：

[1]袁勇，林桂红，付民，吴巧燕.目标协同结构法合作学习教学效果的实验研究一以楞次定律”一节课为例[J].课程教学研究，2019（07）：28-35.

[2]张玉彬.合作学习的理论与实践[M].北京：光明日报出版社，2017.

[3]麦建华，袁勇.物理合作学习中核心素养的培养策略—基于卡干结构法的应用[J].课程教学研究，2018（02）：74-80+1.

[4]牟尚婕，潘鸯鸯，盛群力.聚焦卡干合作结构法：使合作学习成为课堂常态[J].课程教学研究，2015（03）：4-10.

[5]约翰逊，史密斯著.刘春红，孙海法译.合作性学习的原理与技巧[M].北京：机械工业出版社，2004.

[6]（美）斯宾塞·卡干，（美）米格尔·卡干，（美）劳里·卡干著.马斯婕，盛群力译.59种卡干合作学习结构[M].广州：广东教育出版社，2019.

[7]马兰.合作学习[M].北京：高等教育出版社，2005.

（收稿日期：2021-02-05）