学习进阶视角下的科学推理能力提升策略

文/ 广州市铁一中学 任诗雨

2017 版《普通高中物理课程标准》指出“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素，其学业水平4 要求学生“能对综合性物理问题进行分析和推理，获得结论并作出解释；能恰当使用证据证明物理结论”。对科学思维的考查历来是高考的重点，《中国高考评价体系》中的“四层”考查内容中，学科素养所包含的“科学思维“”中要求学生“能够根据对问题情境的分析，运用实证数据分析事物的内部结构和问题的内在联系，以抽象的概念来反映客观事物的本质特征和内在联系”。因此，发展学生科学思维是高中物理的重要课程目标，在复习备考中我们要非常重视。

一、学习进阶理论简介及其效用分析

2007 年美国国家研究理事会将学习进阶定义为“对学生在一个时间跨度内学习和探究某一主题时，依次进阶、逐级深化的思维方式的描述”，学习进阶理论认为学习是一种不断递进发展的过程，学生对必备知识和关键技能的掌握需要经历许多不同层次的中间水平，而教学实践对其起着关键作用。采用学习进阶理论来设计专题复习教学，从学生的基础知识和基本技能出发，逐步设置更高难度的任务和问题，为学生搭建进步的阶梯，激发学生的思考热情，让学生举一反三，显然可以帮助学生主动发展科学推理能力。下面以“板块模型中的动量与能量专题复习”为例，简要讨论一下以学习进阶模型来发展学生的科学推理能力的教学策略。

二、进阶分析

1.进阶起点分析。 学生在高三经过一轮复习后，对能量和动量的相关基础知识和方法进行了一次全面的回顾，但是很多学生掌握得比较零散，知识点之间联系得不够紧密，不成系统。比如，有的学生在分析解决满足动量守恒定律的板块模型问题时，知道运用动量守恒定律去分析，却不能将功能关系与其结合起来解决问题，而采用了牛顿定律和运动学的知识，导致解题过程繁琐，耗时耗力，甚至有的同学在思考该类问题时，仅仅局限于牛顿定律和运动学知识，对复杂过程的分析往往无能为力。

2.进阶目标设定。 能量与动量结合的分析方法实际上是对知识和方法的整合应用，通过此专题的复习，学生应该熟练掌握动量与能量结合的观点去分析和解决实际问题，科学推理能力得到提升。

3.进阶变量分析。 为了让学生熟练掌握动量与能量结合的观点去分析和解决实际问题，需要将知识与能力融合，从学生易着手分析的具体情境为起点，从学生的已有认识出发，逐渐将情境复杂化，深化对知识的理解和应用，因此可以将问题情境的复杂程度作为进阶变量来设置进阶点（如下表所示）。

进阶变量 预设目标“一静一动”情境回顾动量与能量的相关基础知识和基本方法“两动”情境学会分析当木板和滑块具有同向或反向速度的情境下的运动过程“板遇障碍物停下”情境学会讨论木板离障碍物处在不同距离条件下被阻停后物块的运动情况“板遇障碍物反弹”情境学会分析木板离障碍物处在不同距离条件下被反弹后系统的运动情况“板遇障碍物多次反弹”情境学会深入分析木板被障碍物多次反弹过程中系统的动量和能量情况

三、专题复习过程

1.驱动任务： 质量为3kg 的平直木板M 置于光滑的水平面上，可视为质点的质量为1kg 的小物块m以初速度v0=4m/s 从左端冲上木板M，物块与木板的滑动摩擦因数μ=0.5，重力加速度g=10m/s2，若木板长度L=1.5m，试求：物块能否从木板上滑落？当物块和木板相对静止时，木板的位移为多少？物块的位移为多少？

2.进阶任务1：质量为3kg 的平直木板M 在光滑的水平面上以v=2m/s 向右运动，可视为质点的质量为1kg 的小物块m 以初速度v0=4m/s 从左端冲上木板M，物块与木板的滑动摩擦因数μ=0.5，重力加速度g=10m/s2，若木板长度L=1.5m，试求：

（1）物块能否从木板上滑落？

（2）若木板初始速度v 向左，物块能否从木板上滑落？

3.进阶任务2：在驱动任务中，如果初始时在木板的右边相距距离为x 处设置一制动装置，木板遇到制动装置时立即停止运动，则：

（1）当x=0.3m 时，物块能否从木板上滑落？

（2）当x>0.3m 时，物块能否从木板上滑落？

（3）当x<0.3m 时，物块能否从木板上滑落？x 为何值时，物块一定能从木板上滑落？

4.进阶任务3：在进阶任务2 中，若初始时在木板的右边相距距离为x 处设置的是弹性挡板，木板与弹性挡板相碰后立即被原速反弹回去，则：（1）当x≥0.3m 时，物块是否会从木板上滑落？（2）要使木板与挡板只碰一次，x 的值应该设在什么范围？

5.进阶任务4：如果木板的质量M=1kg，物块的质量m=3kg，木板足够长，其他条件不变，如果初始时在木板的右边设置一弹性挡板，木板与弹性挡板相碰后立即被原速反弹回去，且木板与挡板碰前已经达到共同速度，物块最终相对于木板的总路程为多少？

四、学习进阶视角下的科学推理能力提升策略

1.确定进阶的载体。 载体可以是某个单独的知识点，也可以是某个知识单元或者复习专题，还可以是某种解决问题的方法。

2.确定进阶起点和目标。 首先要分析学生原有的知识基础和能力水平，学生现阶段学习的主要问题在哪里，再据此整合相关知识与技能，并设置科学推理能力的进阶节点和目标。

3.确定进阶变量。 进阶变量设定要注意内容和能力的融合，可以与知识的复杂程度相关联，也可以解决问题的技能和方法关联，还可以与问题情境的复杂程度关联，比如利用带电粒子在磁场中的运动为主题提升学生的科学推理能力时，进阶变量可以根据磁场的范围条件来设计：无边界磁场、单边界磁场、双边界磁场、三角形边界磁场、四边形边界磁场、圆形边界磁场。进阶变量的确定其实就是在整体规划学生的学习轨迹，学习轨迹一般涉及几个进阶层级，以层级间为主、层级内为辅，需规划多个学习阶段。让学生在知识和技能在不断深化的过程中，逐步提高科学推理能力。

4.设定进阶任务。 首先需要设定进阶的驱动任务，驱动任务要能激发学生学习兴趣和动机、联系学生的生活经验和原有认识、处于学生的最近发展区、对后续学习的启发性，在驱动任务的基础上，依据进阶变量，创设具体的进阶任务，引导学生逐渐深入开展学习，最后通过对应的课后练习，巩固所学知识和方法，提高教学的实效性。

四、总结和展望

学生科学推理能力的提升不是一蹴而就的。在教学过程中，教师需要根据教学内容，采用合适的教学策略设计教学，学习进阶理论显然可以帮助我们达成这一目标。