基于学习进阶理论的中学物理实验教学策略探析

师婕　杨晓辉

摘 要：本文以学习进阶为理论基础，通过对中学物理实验课堂的特点分析，从整体上把握物理实验教学，提出进阶策略，帮助学生顺利达成学习目标，达到进阶终点，实现核心素养的提升，以期为教师教学提供参考。

关键词：学习进阶；物理；实验教学；策略

中图分类号：G633.7  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2023）02-0106-04

学习进阶理论最早可以追溯到布鲁纳的“螺旋式课程”，强调逻辑的先后顺序，可分为横向进阶和纵向进阶，前者指以某一知识点的不同深度为主线，由浅入深地完成进阶，后者指学生对某一概念的理解以时间序列为轴完成进阶。这一概念自提出以来，得到了越来越多学者的关注。实验教学是中学物理教学中的重要组成部分，是用来提高学生对物理知识掌握程度的重要方法；学生也可以从物理实验操作探究的过程中提高探究能力。学习进阶更加注重学生在学习过程中实际知识和能力的发展状态的同时关注学生潜在的发展，指向更高层级的知识和能力的获得，这一点与实验教学的教学目标不谋而合。在新时代教育背景下，应该如何基于学习进阶的形式使得中学物理实验教学的教学效果更加显著是一些教育工作者值得深思的问题。因此，以培养学生在物理实验中的逻辑思维和科学探究能力为出发点，基于学习进阶理论，笔者提出了一些中学物理实验教学策略。

1 学习进阶理论概述

1.1 学习进阶的概念

“进阶”一词在古汉语中是台阶的意思，意为从低级到高级，也指在原来的基础上有较大程度的提高。美国国家研究理事会（NRC）将学习进阶（Learning Progressions）定义为在一个适当的时间跨度下，学生在学习和探究某一重要的知识或者实践领域时，其思维方式的逐渐进阶；Roseman（罗斯曼）等指出学习进阶反映了由小学阶段到高中阶段的学生发展规律；Stevens（斯蒂文斯）等将学习进阶定义为“学习进阶是一种方式，通过它可以使科学内容、教学和评价策略这三者更为一致和有组织，最终促使学生掌握核心概念”；我国学者范增认为学习进阶描述了学生从小学入学到高中毕业的过程中持续学习某一核心概念时所应遵循的典型学习路径，表现为围绕核心概念展开的、由小学延续到高中的一个“概念序列”；李雨阳认为学习进阶的概念是学生在学习某一部分知识或发展某一关键能力的过程中，对知识的理解日益深化，能力不断得到提高，思维方式日益复杂，并且在这一过程中是呈阶梯状发展，这种发展就是學习进阶。北京师范大学郭玉英团队在层级复杂度和知识整合等认知理论的基础上，通过大量的实证检验，提出了契合我国学生实际的科学概念理解发展的层级模型[1]。

时至今日，学习进阶仍然没有一个明确的概念界定，但是不同学者对于学习进阶的定义却有着相似之处，他们都认为学习进阶是学生在学习进程中认知水平的不断深化发展。那么笔者认为学习进阶是指在学生掌握某一知识的过程中，教师通过设置不同的进阶层次，层层递进，这些从浅入深的层级即为“阶”，就是通过多个“阶”，将同一个知识内容学习的起点和终点连接起来，形成一条循序渐进且认知不断发展的路。所以在应用学习进阶理论研究时有两个很重要的点，一是时间，二是知识内容。时间是不间断且不断向前进的，在这个过程中必须关注学生的发展，对知识内容的分析同样也很重要，学生认知发展水平要与学科知识特点相符合。

1.2 学习进阶的要素

在教学过程中采用学习进阶进行教学，必须事先设计好学习进阶的路径，也就是从学习进阶的起点到学习进阶的终点所要达到的水平层次，简单的理解，就是从低水平到高水平之间需要有不同的“阶”。学习进阶涉及很多水平的层级，绝不可能是一下子就能达到的，我们需要真正了解学生理解的障碍点，在这个点上帮助他们设置跳一跳所能够到的“台阶”。在这里由多个“台阶”将学习进阶的起点和终点联系起来，进而构成学习进阶的路径[2]。

（1）进阶起点。学生在学习新的知识之前，在头脑中已经存在一定的知识基础，称为前概念，那么在教学开始之前，以此作为教学的起点，前概念分为正确的前概念和错误的前概念，教师作为学生学习的引导者和合作者，要帮助学生改正错误的前概念，在正确的前概念上完成学习进阶，让学生在已有知识的基础上将自我潜力进一步发展，同时提高自己的科学素养。在实际教学过程中，进阶起点可以是本门学科的知识，也可以由相关学科相关内容构成，只要是教学内容的起点，都可以作为一次学习进阶的起点。

（2）进阶终点。进阶终点是学习者最终所要达到的目标，我们普遍理解的进阶终点是每一节课的教学目标，每一门课程的培养要求或以人们普遍的社会要求为终点。

（3）进阶维度。进阶维度理论上应该是逐级递升的，因为无论是知识的学习还是技能的掌握，人类的发展都是在进步与强化的，而进阶的维度则是我们每一个“阶”所在的水平层次，确定了进阶的维度，我们就能清楚地掌握学习进阶的路径，可以针对这个维度考虑采用何种教学方法，对于不同的知识而言，所采用的教学方法都是不尽相同的。因此进阶维度的确立是整个学习进阶中的重要组成部分，仅仅确立学习进阶的起点和终点只是了解其表面，真正完整的学习进阶是不能缺少学习进阶维度的，三者构成整体，相辅相成缺一不可。

（4）关键节点。关键节点是在学习进阶路径上存在多个相互关联的中间步骤或成就水平，在这里也称为障碍点。只有真正了解学生在每一次进阶过程中的障碍点，才能采取方法突破障碍，顺利进阶。

2 中学物理实验教学进阶策略

物理是一门以实验为基础的学科，很多物理规律都需要通过实验进行验证。实验教学可以激发学生的学习兴趣，促使学生积极主动地参与课堂。让学生亲自动手实验，不仅可以培养学生的动手操作能力，还可以培养学生观察思考，敏锐捕捉实验规律现象的能力和数据处理得出结论的能力。这个过程可以使学生的物理综合素质得到更好地培养和发展[3]。中学物理实验课程具有一定的目的性，因此教师需要“整体设计，分层实施，步步引导”，以此来达到教学目的。在物理实验教学中，教师要从课程标准的要求出发，立足于教学目标、教材分析和学情分析，基于学习进阶理论不断优化实验教学的流程，提高实验教学的质量和效率。通过对中学物理实验特点的分析，提出以下教学进阶策略。

2.1 巧设进阶路径，培养学生逻辑思维

进阶路径一：联系旧知—提出问题—动手实验—生活应用。

比如讲曲线运动时，对于曲线运动速度方向的特点，可以从学过的直线运动的速度方向入手，发现物体做直线运动时，速度方向与运动轨迹一致。物体做曲线运动时，速度方向又是怎样的呢？或者说：我们应该怎样确定曲线运动中任意时刻或任意位置的速度方向呢？提出问题后，进而通过实验来寻找答案。或者学生通过数学的学习，已经知道了圆的切线的概念，能否从数学的角度猜想出做曲线运动的物体的速度方向呢？通过链接旧知识，促进学生知识的迁移，一步一步引出新知识。物理学是一门实验科学，在某些抽象概念的形成过程中，很大程度上通过语言的讲解或分析并不能使学生印象深刻，那么动手实验也是进阶过程的一部分。接下来可以设计一个墨水滴在水平旋转的陀螺边缘上的小实验，学生通过亲自动手实验观察实验现象，进而推理得出结论。一方面加深了学生的印象，另一方面体现了物理科学思维的严谨性。速度方向是这节课的第一个“台阶”，通过实验结论的分析得出曲线运动的速度方向时刻在改变，那么它就是变速运动。既然是变速运动，也就意味着它的运动状态发生了变化，那么必然受到力的作用，也就是说合外力不为零。这里是一个障碍点：能否从速度方向时刻在改变得出加速度不为零，合力F也不为零？突破了这一关键点，就顺利到达第二个层级：物体做曲线运动的条件。提出问题：合外力在满足什么条件时物体才会做曲线运动呢？紧接着进行实验探究，让小球在斜面上某一高度由静止释放，小球沾上墨水，观察到小球在白纸上留下了一条直线印记，拿出一个条形磁铁放在小球运动方向的正前方，再次观察小球的运动情况；将条形磁铁放在运动方向的侧面，再次观察。根据实验现象学生试着分析解释得出结论：当合力的方向和它的速度方向不在同一直线上时，物体做曲线运动。最后再设计一个联系生活实际的解释题：运用所学知识为自行车前后轮安装挡泥板，至少要在什么范围内才能保证人和框内物品的洁净？此时学生的思维进阶已经到达了我们这节课所要求的进阶终点。反馈于生活使知识具有意义，不能让物理脱离实际。

进阶路径二：联系生活—思考问题—动手实验—得出结论。

在最开始的教学环节，教师可以设计为联系生活实际，对生活中现实存在的例子进行表述，比如在进行探究影响压力作用效果的因素实验中，通过联系学生熟知的杂技表演“胸口碎大石”来导入，学生发现自身已有的认知储备已不足以解释杂技的原理，进而引起他们想要进一步探究压强的欲望，在他们对知识思考的过程中，教师要帮助学生找到问题的主路线：压力的定义是什么？压力的作用效果是什么？影响压力作用效果的因素有哪些？这里的三个问题对应着三个层级，障碍点：压力和重力的区别，压力的作用效果是使物体发生形变。对于最后一个问题，当学生已经猜想得出初步答案之后，就可以顺利进入第三个维度：动手实验环节。教师给学生准备实验器材：小桌子，海绵，砝码。提出问题：如何能够观察到两个因素对压力作用效果的影响呢？学生想到转换法：观察海绵被压下的深浅。教师紧接着提问：探究压力的大小对压力作用效果的影响，该如何做呢？学生设计实验：控制受力面积不变，小桌桌腿朝下，一次不加砝码，一次加砝码，观察现象。教师提问：探究受力面积对压力作用效果的影响，又该如何做呢？学生：控制压力的大小不变，两次都加砝码，一次桌腿朝下，一次桌面朝下，观察现象。学生以小组为单位进行实验。在整个实验的过程中，通过教师一步一步地引导，最终学生得出结论，达到进阶终点。

进阶路径三：认知冲突—动手实验—联系生活—拓展应用。

比如讲力的合成实验时，可以先以“泗水取鼎”的小故事入手：秦王出征时发现河里有一个金鼎，于是他马上让几百名士兵向两边拉这个金鼎，几百名士兵用了九牛二虎之力没拉出来，最后绳子断了，是真的这个鼎重达几百名士兵都拉不动吗？产生认知冲突：合力不一定比分力大。紧接着从同一直线上二力的合成问题进阶到当两个力互成角度时，怎样求出它们的合力的大小和方向呢？由于矢量的运算法则对初学者来说是很难跨越的一个台阶，因此教材将验证实验变成了探究实验，让学生亲身经历规律得出的过程。将整个实验分解成若干个环节，使得每一步学生都能够得着。第一个环节是：在实验中如何显示力的作用效果？怎么使得两个分力的作用效果与合力的作用效果相同？学生回答：用橡皮筋的伸长量显示力的作用效果，两次实验使小圆环到达同一个位置O点。第二个环节：用什么方法确定两个分力以及合力的大小和方向？学生回答：弹簧测力计的示数表示力的大小，描出细绳的位置即为力的方向。第三个环节：怎样直观简洁地描述力的大小和方向并进行比较？学生回答：用力的图示。学生以小组为单位重复三次实验，得出“平行四边形定则”。

在这个实验中“等效替代”思想是一个关键点，也是一个障碍点，学生只有真正领悟了这一思想，才有可能真正理解“平行四边形定则”。所以教师要以生活中大量的实例来解释这一思想，比如一个人抬水和两个人抬水，一根绳吊着灯和三根绳吊着灯，作用效果是一样的。最后在得出結论后，提出问题：在此实验的基础上，能否探究“力的分解”规律。最终的拓展应用，不仅为下节课做了铺垫，也达到了思维的进阶目的。

2.2 合理设置关键节点，突破学生思维障碍

教师在备课阶段就要重点关注学生的学情，基于学情了解学生在这堂课中的障碍点，预设可能存在的状况，教师只有准确的诊断出“阶”与“阶”之间会存在哪些障碍点，才能有针对性地搭建“踏脚石”，帮助学生顺利进阶，并且在学习进阶中实现核心素养的提升[4]。比如在平面镜成像这节课中，学生容易遇到障碍。

障碍一：平面镜所成的像是否真实存在？虛像的知识需要补充，能在光屏上接到的像是实像，不能在光屏上成的像是虚像。在没有学习虛像的概念前，做本实验的这步只需要提醒学生在玻璃板的物体所在一侧能观察到蜡烛的像，而在玻璃板的另一侧却观察不到像，就认为平面镜成的像是虚像。

障碍二：错误前概念。根據大量的生活经验，对于平面镜成像学生不难理解，但对于成像的特点存在错误的前概念，这样的前概念学生经过学习后仍然容易落入惯性思维的误区，原有的经验认知难以被打破。比如有的学生认为物体远离平面镜时像会变小，反之物体靠近平面镜时像会变大。

障碍三：等效替代思想。“如何探究像与物是否等大”应该怎样比较虛像与物的大小？学生回答：找一个跟镜前物体完全相同的物体与像比较大小；怎样才能同时观察到像与替身物？把平面镜改为白玻璃。这样设计使学生的思维变得灵活，掌握实验的基本思想方法，实现学习进阶。

2.3 充分利用数字资源，完善学生的思维进阶

比如在演示光的折射实验时，实验现象不明显，那么教师可以在实验过程中或者实验之后进一步借助GeoGebra软件模拟光的折射实验，如图1图2所示，用GeoGebra软件画出光的反射和折射图，可以对传统实验进行补充，使实验现象更加直观化，动态演示光的折射，让学生对光的折射有进一步深入的认识。学生在所呈现的课件中，能够清晰入射角、反射角及折射角的关系，并通过拉动滑动条，不断改变入射角的角度，观察反射角、折射角与偏转角的大小关系。在得到实验结论的基础上，通过数字资源使学生的思维进阶更为完整，使头脑中的知识体系更加完善。在信息化的时代，还有很多新兴的数字资源，教师要有终身学习的理念，合理使用一些技术来辅助教学，这样不仅可以在一定程度上提高教学效率，还可以助力学生完成学习进阶。

3 结语

学习进阶反映学生在学习过程中的思维进程，在课堂中教师不仅要扮演好引导者的角色，更要基于课程标准，以培养学生的核心素养为目标，为学生的发展提供切实可行的“踏脚点”[5]。对于难度比较大的进阶跨度，教师还可以适当设置一些小台阶，作为过渡环节，采用针对性的教学策略，确保学生顺利跨越每一个台阶，最终达到教学目标，即进阶终点。在物理教学中，实验课占据了至关重要的地位，因此教师必须对实验教学加以重视，更好地发挥出实验教学的价值，促使学生的物理学习能力得到全面发展。本文将学习进阶理论与中学物理实验教学相结合，帮助学生实现思维进阶，使学生科学思维与科学探究能力得到整合发展。同时也为物理实验教学效果的提高提供了一种可行的方法，为今后的教学提供有意义的参考。

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参考文献：

〔1〕王洛，王永成.基于学习进阶的“平抛运动”概念教学设计[J].中学物理（高中版），2022，40（07）：50-53.

〔2〕王湫涵.基于学习进阶理论的初中物理教学研究[D].哈尔滨：哈尔滨师范大学，2022.

〔3〕雷军杰.初中物理实验教学策略探析[J].学周刊，2022，19（19）：53-55.

〔4〕胡志丹.基于学习进阶的物理实验教学设计——以“探究平面镜成像特点”为例[J].中学物理，2022，40（18）：49-52.

〔5〕李雨阳.核心素养视角下学习进阶理论在高中物理教学中的应用[D].哈尔滨：哈尔滨师范大学，2022.