基于学习进阶的课堂教学设计与实践

杜静 彭小月

摘 要：本文基于学习进阶理论，通过分析进阶起点、终点和进阶水平，探讨“动能和势能”一节的教学设计，并以学习进阶的关键“阶”点为依托，尝试进行教学实践.

关键词：学习进阶;教学设计和实践;动能和势能

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）24-0049-04

基金项目：山东省教育教学研究重点课题“基于初中物理核心概念的学习进阶实践研究”（项目编号：2018JXZ1043）.

作者简介：杜静（1970-），女，山东邹平人，本科，中小学正高级教师，山东省特级教师，研究方向：初中物理教学教研;

彭小月（1975-），女，山东邹平人，本科，中小学副高级教师，研究方向：初中物理教学.

学生认知发展过程一直是科学教育界普遍关心的问题.基于知识碎片理论，教学论专家认为“学生认知思维发展过程具有进阶特点”，并据此提出“学习进阶”教学理论.本文结合初中物理“动能和势能”一节，尝试将学习进阶理论应用于教学设计和实践中.

1 学习进阶的含义

美国对学习进阶的研究起步最早，其成果体现在《美国新一代科学教育标准》中.《标准》阐述学习进阶，以逐级递进的方式连贯地表征出学生K-12 各学段中应达到的表现水平，使科学内容学习随着年级升高逐渐扩展.多个教育机构和学者对学习进阶进行界定，如首次提出学习进阶的史密斯将其定义为：学习者在理解某核心概念过程中所遵循的一系列逐渐复杂的思维路径.再如，美国国家研究理事会（NRC）认为：学习进阶是对学生连贯且逐渐深入的思维方式的假定描述，在一个适当的时间跨度下，学生在学习并探究某一重要知识或者实践领域时，其思维方式逐渐进阶.学习进阶实际上是延续课程与教学论对“应为学生设定怎样的学习路径”这一核心问题的探索，如布鲁纳提出螺旋式课程设计、维果茨基提出最近发展区理论、布朗和坎皮奥内提出“发展阶梯”“跨年级、跨年龄的学习路径”，等等，这些概念的提出都为学习进阶研究奠定理论基础.

2 基于学习进阶的“动能和势能”教学设计

本文参考北京师范大学郭玉英研究团队提出的“基于学习进阶的科学教学设计模型”，结合我们对学习进阶内容的理解，进行“动能和势能”的教学设计（如图1所示）.

2.1 进阶起点分析

进阶起点是对开始理解某个概念之前学生已掌握知识的描述.

学生已有的事实经验：如运动物体具有能量的具体事例，高空下落物体具有能量的具体事例，被压缩的弹簧等发生形变的物体具有能量，运动快的物体能量大的具体事例.当然，此时学生头脑中还存在“只有生物具有能量”“静止于高处的物体没有能量”等迷思概念.

学生已有知识：人教版初中物理教材八年级下册将“动能和势能”安排在“功”“功率”之后学习，此时学生已经学习功的定义，知道做功包含两个必要因素，会计算功的大小，会比较做功快慢，能计算功率大小.教材从“是否做功”的角度出发，依托生活实际，帮助学生建立能量的概念，符合学生的认知规律.

学生思维特点：学生思维倾向于将“能量”“动能”“势能”与可观察、可感知的具体实物或因素相联系，如：因为物体运动，所以具有能量;因为物体大，所以能量多;等等.因此，学生思维还处于“基于日常经验中，利用简单因果推理认知能量”的认知水平.

2.2 进阶终点预设

进阶终点是进阶结束后应该达到的目标，即最终被期望获得的知识或技能.根据《义务教育物理课程标准（2011年版）》要求，学生需要达到“了解能量及其存在的不同形式;描述各种各样的能量和生产、生活的联系;知道动能、势能和机械能”的教学目标.教材方面，在人教版初中物理教材中，设计“探究物体动能与哪些因素有关”的实验，并介绍影响重力势能和弹性势能的因素.结合进阶路径，设定本节课进阶终点：能定性描述物体动能与物体质量、速度的关系，能定性描述物体重力势能与物体质量、高度的关系，知道弹性物体在一定范围内形变越大，其具有的弹性势能越大;学会运用转换法，将比较钢球动能转换为比较木块被撞擊移动距离的远近;学会运用控制变量法进行实验探究.通过学习本节内容，学生逐步形成能量观念;掌握运用机械推理方式认知能量的方法，即利用抽象物理概念思考“能量”;逐步学会从能量角度分析并研究生活实际问题.

2.3 进阶水平

功是初中物理力学核心概念，做功过程是能量转化的过程，且做功多少是能量转化的量度.要提高学生认知水平，应当从已有“功”的概念出发认知能量，这就需要教师为学生搭建不同“阶”认知能量.通过对课标、教材以及学情进行分析，本文依据学习进阶理论提前预设4个进阶水平（见表1）.

3 基于学习进阶的“动能和势能”教学实践过程

3.1 进阶水平1：重视原有知识经验，感知能量

视频播放：电影《海啸》中海啸产生巨大破坏力的片段.

设计意图：通过这一令人震撼的画面，让学生感受到大自然巨大的能量威力，唤醒学生头脑中已有事实经验，形成初步能量认识，提高学生保护自然、敬畏自然的意识.

学生实验：利用小球、弹簧、橡皮筋及身边物品模拟大自然的各种力量将“房子”（纸盒）毁坏——移动、掀翻、变形.

学生进行实验后分析实验中流动的空气、滚动的球、压缩的弹簧、拉长的橡皮筋、举高的小球是否对“房子”做功.

设计意图：利用学生动手实验，在巩固原有知识“功包含两个必要因素”的同时，引导学生运用抽象思维，如果这些物体对“房子”做功，就说明这些物体具有能量，顺利引出能量的概念，这是学生第一次学习进阶实现的关键.

3.2 进阶水平2：建立动能和势能的概念

请学生分析流动的空气、滚动的球、压缩的弹簧、拉长的橡皮筋、举高的小球等物体具有能量的原因，并将能量进行分类.

归纳总结得出动能、重力势能和弹性势能的概念.

设计意图：利用分析归纳法将事实经验与科学术语之间建立简单联系，让学生明确什么是动能、重力势能和弹性势能，为更高水平的学习铺好阶梯.

3.3 进阶水平3：探究影响动能、重力势能和弹性势能的因素

实验一：探究物体动能大小与哪些因素有关.

多媒体播放飓风的视频后提出问题：狂风能撼动大樹，而微风只能摇动树叶，说明动能有大有小，动能大小与什么因素有关？

小组讨论得出：动能大小可能与质量、速度有关.

设计意图：利用生活实例让学生意识到不同物体的动能大小可能不同，接着提出问题引导学生思维进阶发展.

请学生利用斜面、钢球、木块等器材设计实验.在学生设计实验过程中，教师提出四个思考问题：

（1）怎么改变小球到达水平面的速度？

（2）怎样使质量不等的小球到达水平面时的速度相等？

（3）怎样判断小球动能大小？

（4）如何设计实验步骤？

学生分组完成实验探究后，教师请一个实验小组展示实验过程，一位学生进行实验，另一位学生讲解，其他学生适时补充，分享实验结论.

设计意图：教师通过问题串引导学生深入思考，与学生思维构建阶梯，使学生能顺利设计出实验方案.通过让学生经历基本科学探究，学会初步科学探究方法，培养学生相互合作的能力，实现由简单因果推理向机械推理的思维进阶.

交流：实验操作中发现的不足之处，并提出改进方法.

这时学生讨论非常积极热烈，完全把自己当成一个发明家.

有的说，在实验时小球的运动轨迹不是直线，有时无法准确撞击到木块.

讨论得出改进方法：用“带槽轨道”代替斜面.

有的说，实验中难以把握小球从同一高度滚下的准确初始位置 .

讨论得出改进方法：在斜面的一端竖直固定一把刻度尺.

有的说，木块的运动轨迹不是直线，不容易比较木块被推动的距离.

讨论得出改进方法：木块改为圆柱体，并让圆柱体在直轨道中运动，且轨道一侧标上刻度，直接读出圆柱体运动距离.

有的学生对“质量不同的两个小球从同一高度滚下到底端速度相同”会心生疑虑.

讨论得出改进方法：在小球运动的轨道上不同位置放置两个光电门，用计时器测出不同质量小球经过相同距离所用时间，从而获得并比较小球到斜面底端时的速度.

教师利用改进后的器材进行演示实验.

设计意图：“纸上得来终觉浅，觉知此事要躬行”.学生从教材或教辅书上学到的实验方案远没有亲身设计感受深刻.学生在操作中发现实验器材的不足，然后进一步改进实验，学生会有很高的成就感，强烈地激发学生创造思维，实现“科学探究”的教学价值.

实验二：探究物体重力势能大小与哪些因素有关.

讲述《狼牙山五壮士》的故事，然后提出问题：你觉得怎样才能使石块更具杀伤力？

学生思考与交流后得出：重力势能可能与高度和质量有关.

利用如图2所示自制实验器材进行演示：同一钩码从不同高度落下，比较木塞被撞击后在玻璃管中移动的距离;再让不同质量钩码从同一高度落下，比较木塞被撞击后在玻璃管中移动的距离.

设计意图：与动能相比，学生对重力势能的理解有一定难度.因此本环节巧妙创设情境、通过问题启发学生积极开展思维活动，驱使学生有目的地积极探索.通过此次探究过程，不仅让学生认识到重力势能大小与质量和高度有关，也纠正学生错误的认知——只有运动的物体具有能量.实验中再次利用控制变量法和转换法等科学研究方法，为学生下一步自主探究铺好阶梯.

实验三：探究物体的弹性势能大小与哪些因素有关.

让学生利用小时候玩过的弓箭、弹弓或身边的弹簧、橡皮筋、尺子、橡皮等自主探究影响弹性势能大小的因素.

设计意图：从观察、分析演示实验到在教师指导下进行实验探究，再到教师放手让学生完全自主探究，逐步实现实验能力水平方面的进阶.

3.4 进阶水平4：整合与应用

（1）分析海啸具有什么能量，为什么破坏性这么强？

（2）物体具有能量可以对外做功，但事物总是有正反两面，有些有益，有些有害.

请通过讨论交流的方式利用今天所学知识，为公共安全设计一句警示语.

（3）探究发条小车的原理.

玩一玩：让小车动起来，比一比谁能让小车跑得更远.

猜一猜：拉动车上的线，小车具有什么能？

想一想：能量发生怎样的变化？小车还可以进行怎样的改进？

设计意图：学生通过解决具体问题，整合应用相关物理知识，发展学生核心素养，巩固进阶成果，同时也为下一节“机械能及其转化”的学习做好铺垫.

4 有关基于学习进阶教学设计的思考

4.1 教学设计要尊重学生原有认知和经验

心理学家奥苏贝尔有句名言：“如果我不得不把全部教育心理学还原为一条原理的话，我将会说影响学习的唯一的最重要的因素是学生已知的内容.弄清这一点后，再进行相应的教学.”这告诉我们，教师在教学设计之前，要先通过问卷调查、访谈、查阅资料等方式了解学生实际所处的进阶水平，从而确定进阶起点.

4.2 教学设计中要构建基于学习者视角的“阶”

俗话说，教学要让学生“跳一跳，摘得到”.这就要求教师的教学设计要符合维果茨基“最近发展区”理论，在进阶起点与进阶终点之间架设基于学习者视角的“阶”，这个“阶”代表学生的不同思考方式，而不是简单的是否获得某个知识.

4.3 基于学习进阶的教学设计，有利于学生物理核心素养的发展

物理核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力.这一素养是学生在长期的连续的学习过程中逐渐形成的，这与学习进阶的含义一致.因此，我们可以应用学习进阶规划核心素养的发展，首先将核心素养的形成过程分成几个大的“阶”，然后在每一节物理课中再搭建层层小“阶”，寻找适合学生的最佳学习路径，帮助学生拾“阶”而上，提高学生的物理核心素养.

参考文献：

[1]翟小铭，郭玉英，李敏.构建学习进阶：本质问题与教学实践策略[J].教育科学， 2015， 31（02）： 47-51.

[2]黄芳.美国《科学教育框架》的特点及启示[J].教育研究，2012，33（08）：143-148.

[3]刘晟，刘恩山.学习进阶：关注学生认知发展和生活经验[J].教育学报，2012，08（02）：81-87.

[4]郭玉英，姚建欣.基于核心素养学习进阶的科学教学设计[J].课程·教材·教法， 2016， 36（11）： 64-70.

[5]吕含吟，邵韬.如何应用“学习进阶”改进高中物理教学设计[J].中学物理，2016，34（03）：68-69.

[6]魏昕.中学物理能量学习进阶研究[M].南宁：广西教育出版社，2016.

[7]郭玉英.中学物理教学设计[M].北京：高等教育出版社，2016.

[8]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.

（收稿日期：2021-07-18）