基于学习进阶理论的初中物理模型建构的教学实践与思考

陈晨 朱春阳子

摘   要：学习进阶通常用来描述学生对核心概念的理解随时间的推移连贯且逐渐深入的典型发展路径，以此促进课程、教学与评价的一致性。而物理建模是重要的教学内容，学生对模型的理解是逐步内化的。以“滑轮”模型的教学为例，基于学习进阶理论，设置四个发展水平，使学生能够建立起滑轮的模型，深刻理解其本质属性，达到较高的认知层次。同时说明学习进阶在物理建模教学中的应用，并提出三点建议，供广大教师参考借鉴。

关键词：学习进阶；物理模型建构；教学实践

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）4-0025-5

1    学习进阶理论的基本概述

1.1    学习进阶理论的基本内容

现阶段，科学教育界一般认为“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，学生学习和探究某一重要的知识或实践领域时，思维方式逐渐进阶。”［1］根据定义，学习进阶大致包含以下几个要素：（1）进阶变量：追踪学生对某一学科核心概念的阶段性发展；（2）水平层次：学习进阶发展路径的中间步骤；（3）学习表现：描述处于某个特定水平层次的学生能够达到的成就，包括各中间层次表现和目标表现；（4）评价：追踪学生的学习随时间推移的发展是否与假定的进阶一致。

學习进阶主要描述学生在学习过程中的思维发展情况，教师根据教学内容预先设置有梯度的发展水平，精心设计并组织教学，从而促进学生认知水平的提升。尤其当教师在讲授重难点知识时可以基于学习进阶的4个要素，根据预先设置的发展水平设计教学流程，在教学中让学生的认知水平不断进阶，物理思维不断提升，从而达到预期的教学效果。

1.2    学习进阶理论融入物理建模教学的意义

1.2.1    物理建模教学的特点对学习进阶理论的需求

物理模型是中学物理重要的教学内容，物理模型的学习需要学生有一个建模的过程，即从实际问题出发，在研究过程中抓住主要因素、忽略次要因素，最后抽象得到普遍适用的模型。物理建模对学生的思维要求较高，而通过物理模型的学习，学生的认知会逐步达到一个较高的水平。因此，教师在教学过程中，需要基于学生已有的认知水平，设置有梯度的发展水平，逐步提升促进学生认知的发展。学习进阶理论的实质就是按照学生的发展水平进行教学指导，科学设置发展水平，并在教学完成后进行评价，促进学生思维能力的提升。

1.2.2    初中生认知的差异性对学习进阶理论的需求

初中学生的认知差异性很大，思维水平层次分化严重，对于同一物理模型的学习，不同的学生有着不同的认知水平。在现今均衡分班的前提下，如何在既定教学目标下让每个学生都能有所收获，这就需要教师针对不同的学生提出不同的学习要求。教师可以根据学习进阶理论结合教学内容设置不同的发展水平，让不同的学生达到不同的发展水平，并努力争取提升水平层次，既能让学习能力较强的学生在认知发展上得到提升，同时也能兼顾到其他基础较薄弱的学生，真正做到因材施教。

1.2.3    物理模型学习的延续性对学习进阶理论的需求

此外，很多物理模型（如光线、滑轮、电路）会一直伴随学生从初中到高中的物理学习过程，对同一模型的学习会持续很长一段时间。这些内容在初中阶段难度要求较低，广度较浅，而到高中后难度要求增大，广度变宽，需要更加深入地进行学习研究。基于此，我们关注的不仅仅是学生在初中阶段的发展水平，更要关注高中的后续发展，因此在初中教学中做好初高中衔接尤为重要。学习进阶理论可以让教师在较长的时间跨度内对学生的认知层次进行分析，从而帮助其设计符合学生认知的课堂教学，提升学生的发展水平，让学生能够更加深入地理解物理模型的本质，建立合理的物理模型认知结构。

2    以“滑轮”教学为例的学习进阶教学实践

2.1    “滑轮”基本情况分析

2.1.1    教材分析

“滑轮”是苏科版物理九年级上册第十一章《简单机械和功》第二节的内容。这一节既是前一节“杠杆”的延续和迁移，同时也为后续“功”“功率”和“机械效率”的学习提供物理载体，具有承上启下的作用。本节主要围绕滑轮这一物理模型展开，教学内容包括滑轮的定义、类型、工作特点、本质等。教学的重点在于滑轮的类型及其工作特点，难点在于对滑轮本质的理解。此外，它还涉及高中刚体力学的相关知识，是初高中知识衔接的重要纽带和载体。而对于滑轮模型本身而言，需要学生通过杠杆模型过渡到滑轮，深刻理解滑轮模型的本质，并能够将其进行迁移拓展，构建起简单机械的知识体系和框架结构。

2.1.2    学情分析

本节内容的教学对象是初三的学生，他们经过一年的物理学习，掌握了一些基本的物理知识、方法和思想，能够从物理学科的角度思考问题。但是，他们还处在较低的思维层次，依旧以形象思维为主，发展水平还有待提高。在学习滑轮前，他们刚刚学习完杠杆的相关知识，具有一定的知识储备，能够从杠杆过渡到滑轮，这也为我们的教学提供了一个认知起点，基于此可以设置思维的生长点。

2.2    发展水平的设置

鉴于上述分析，结合大量的教学实证，再根据学习进阶理论，笔者将学生发展水平大致分为4个层次（表1）。不同的学生在学习过程中所能达到的水平是不一样的。从水平1到水平4层次逐渐递增，对学生的要求也在不断变高。基于大量教学实证所构建的这4个发展水平，是可以反映学生思维能力的典型发展路径，同时为课堂教学的实施提供了重要的参考指标。教师据此进行教学设计，做到总体推进，因人而异。

2.3    基于发展水平的教学设计

基于上述构建的4个发展水平，笔者精心设计了4个教学环节，每个环节对应一个发展水平，通过课堂教学让学生认识滑轮，了解滑轮的工作特点，理解滑轮模型的本质内涵，为后续学习打下扎实的基础。同时，力求让不同层次的学生在课堂学习中都能有所收获，真正做到学习进阶。

环节一：巧设情境，问题引入

本环节设计了提升小桶的生活情境，根据此情境设置了两个问题，从而引出本节课的教学内容——滑轮。

问题1：人在低处，如何将小桶提升到高处？

问题2：如何将小桶提得更高？

问题1是为了帮助学生回忆之前学习的知识，学生容易想到利用杠杆将小桶提升，教师以此为本节课的认知原点。问题2则是在杠杆提升物体过程中出现问题的情况下而设计的。杠杆无法将物体持续提升，如何将桶提得更高，让学生思考使用其他机械，从而引出本节课的主题——滑轮。在解决第2个问题时，学生具备一定的生活经验，教师可以让学生直接回答或者提示学生升旗时的情境，从而引出滑轮模型，给出滑轮模型的图片（图1）。本环节对应水平1，让学生从杠杆过渡到滑轮，能够进行识别并知道它是一种简单机械。

环节二：任务驱动，初步体验

本环节主要为学生的操作体验，教师为学生提供实验器材，包括滑轮、细线、小桶等。通过任务驱动让学生设计不同的实验方案，利用一个滑轮提升物体，初步体验滑轮工作时的特点，最后进行总结和归纳（表2）。

任务1：设计不同的方案利用滑轮将小桶提升，画出设计方案。

任务2：根据设计的方案进行实验，初步体验。

任务3：结合体验总结归纳出不同方案中滑轮的工作特点。

任务1主要是激发学生的思维，对滑轮的使用进行思考，不同的学生会设计出不同的方案，有些方案中滑轮始终不动，有些方案中滑轮会和物体一起运动，教师可以引导学生根据设计方案对滑轮进行分类，从而引出定滑轮和动滑轮。

任务2需要学生自己动手操作，进行初步体验，感受不同方案之间的差异。

任务3则是在前两个任务的基础上对学生的归纳能力提出了要求。这里不需要学生作定量分析，只需学生谈谈自己的感受，以定性为主。例如，分别使用定滑轮和动滑轮时，自己用力的大小是否相同。

本环节对应水平2，相比于水平1，水平2需要学生有认知体验，因此通过具体的操作增加对滑轮的理性认知是一种较好的方式，同时也能够让学生更好地了解定滑轮和动滑轮的工作特点，符合学生的认知特点。

环节三：团队合作，实验探究

学生经过了初步体验后，已经对定滑轮和动滑轮的工作特点有一些定性的了解。因此，接下来就需要学生作定量分析。定量结论的得出需要学生进行小组合作，通过实验探究记录相关数据，从力和运动距离两个角度定量分析两类滑轮的工作特点，最后汇总得出相关的结论（表3）。实际教学中，教师可以按照4人一组进行分组，让每个小组对定滑轮、动滑轮的工作特点都进行探究，培养他们的探究能力和实验操作能力，根据记录的数据得出最后的结论，这样才能更好地理解滑轮的工作特点，并能够运用公式定量解决实际问题。

本环节对应水平3，这是一个较高的发展水平，需要学生对滑轮的工作特点进行定量分析。初中阶段最主要的定量分析方法就是实验探究，通过测量数据进行分析，既具科学性，同时又有很强的直观性，能够准确得出结论。学生以小组合作的方式进行实验探究，在提升自我探究能力的同时也培养了合作意识。当然，通过实验探究能够最大程度地让学生对定量的公式和结论有形象化认识，符合初中生的学习心理，加深对其的理解。

环节四：追根溯源，探寻本质

在完成前3个环节后，学生基本上对滑轮的工作特点有了一个比较清晰的认识，能够运用相关结论解决问题，但对于两类滑轮呈现出来的不同特点其背后蕴含的物理原理并不清楚。因此，设计此环节的目的就是让学生知道滑轮背后的物理原理，理解滑轮模型的本质。具体设计如下：

情境：利用一根杠杆（图2）将小桶提升一定的高度，但提升高度有限。

问题1：一根杠杆转动范围有限，不更改器材的条件下如何将小桶继续提升？

问题2：两根杠杆可以将小桶提升得更高，那如何使它转动得更连续、更流畅呢？

问题3：如果杠杆数量无穷多，想象一下此时的杠杆变成了什么？

问题4：结合上述讨论，分析定滑轮和动滑轮的工作原理是什么？

本环节主要通过实验演示并进行演绎推理，最终让学生知道滑轮和杠杆的内在关联，理解滑轮的本质内涵。环节伊始，再次回到课上的第一个情境——杠杆提升小桶，同样的问题即杠杆提升高度有限，但此时要求学生不能改变器材如何操作继续提升小桶。学生在这里需要进行思考，教师可以让学生进行小组讨论，发散思维，引导学生在原有的基础上垂直增加一根杠杆（图3），之前一根用完后再用另一根去接。从一根杠杆到两根杠杆对学生而言是一个质的变化，需要学生能够在新情境下进行知识的迁移应用，而后稍加引导学生就能够想出由两根變成多根（图4）。通过数量的增加使杠杆模型自然过渡到滑轮模型，揭示出滑轮就是由无数根杠杆组成的，而这其中也渗透了极限的物理思想。学生若能够理解滑轮的本质，那么对滑轮工作原理的解释便顺理成章。本环节对应的是水平4，也是最高的发展水平，不仅要求学生能够掌握滑轮的工作特点，更是要对杠杆和滑轮的关联理解深刻，并能够进行知识的迁移应用。

3    学习进阶理论融入物理建模教学的实施建议

3.1    基于认知原点，建构发展水平

教师在建构发展水平时，首先应该关注学生的认知原点，这也是发展水平建构的基础。在物理建模教学中，都会有一个认知原点，通常来说往往是前一个知识点或者相关联的内容。例如，滑轮模型的认知原点就是杠杆模型，利用杠杆模型引出滑轮模型。通过认知原点学生才能进行思维生长。除了认知原点，发展水平的设置还要从学生认知水平的角度考虑，再结合具体的教学内容，每个发展水平的差异不易过大，要循序渐进，有一定的梯度。对于物理模型建构的教学，教师通常从识别、理解、应用、迁移等几个层级进行发展水平的设置，这也是根据物理模型的学习要求，从大量教学实证中总结出来的，符合初中学生的学习心理，具有一定的代表性。

3.2     教学层层递进，思维螺旋上升

在具体教学中，教师要从学生的认知原点出发，在教学过程中层层递进、环环相扣。通过课前的教学设计引导学生不断提升自己的发展水平，使物理思维得到锻炼和提升。教学流程要根据设置的发展水平进行设计，每个环节前后都应该具有很强的一致性和逻辑性。以文中的“滑轮”为例，本节课共设计了4个环节，从情境引入到初步体验，再到实验探究，最后到本质探索，往往后一个环节是前一个环节的延续和提升，4个环节是对应学生思维增长方向的，学生在过程中思维是螺旋上升的。经历这样的学习过程，学生在初中阶段就能养成较好的物理思维品质，对其高中的物理学习也可以打下扎实的知识基础和思维能力。

3.3    注重课堂引导，关注因材施教

在课堂教学中，学生是学习的主体。教师要基于学生的主体性注重教学方法的选取，让学生成为学习的主体。物理模型的教学，重在学生思考、体验、探究以及评价，教师要在学生遇到问题时启发、引导、提示。在这种教学模式下，学生独立思考的时间变多了，相互评价的能力提升了，他们的物理思维会更加活跃，发展水平层次也就会不断提升。当然，不是所有的学生都能达到最高发展水平，学生的学习能力是有差别的。这就要求教师在课堂教学中要关注每一个学生，关注学生能够达到的水平层次，鼓励他们在原有水平的基础上向上努力，培养良好的学习品格，促进自身的发展。

参考文献：

［1］郑曼瑶，张军朋.“学习进阶”的研究及其在物理教学中的应用［J］.物理通报，2014（12）：2-5，6.

［2］王力.基于“学习进阶”的问题加工方式探讨——以“滑轮”教学为例［J］.物理之友，2020，36（10）：22-24.

［3］陈晨，蒋新.构建物理模型 培养科学素养——研析2019年江苏省13市中考杠杆问题［J］.物理教师，2021，42（2）：49-52.（栏目编辑    刘   荣）