基于核心素养发展的学习进阶教学

张婷

［摘 要］基于核心素养发展的学习进阶教学，需要准确地对教材和学情进行分析，在此基础上设计相应的教学流程；创设实验情境，促进学生形成物理观念，培养学生的科学思维能力；引导学生应用物理知识解决实际问题，提升学生的科学探究能力；开展问卷调查，对教学效果进行分析。文章以“全反射”教学为例进行分析探讨。

［关键词］学习进阶；核心素养；全反射；教学设计

［中图分类号］    G633.7        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）11-0060-04

学习进阶（Learning Progressions，简称LPs）也称学习进程，是对学生在一个时间跨度内学习或研究某一个主题时，依次进阶、逐级深化的思维方式的描述，也指学生在一段时间内学习某一核心概念时所遵循的思维发展路径［1］。北京师范大学的郭玉英教授及其团队提出了更为具体的学习进阶层级模型［2］（如图1），给一线教师的物理教学提出了指导性建议，也为学生对某一个核心概念的学习提供了详细的路径。本文以人教版物理选择性必修第一册第四章第二节“全反射”为例，遵循学生的认知规律并结合物理学科的特点，利用学习进阶理论开展实际教学，提升学生的物理学科核心素养。

一、教材分析

“全反射”是对折射定律的进一步理解和应用，本节的重点是理解全反射的概念和掌握发生全反射的条件，要求学生通过实验情境建构全反射的物理模型，能对全反射的实验现象进行分析和推理，具备科学解释全反射棱镜和光纤通信的能力。

二、學情分析

学生前面已经学过折射定律、反射定律，了解了光在均匀介质中是沿直线传播的，具备学习全反射概念的基础和能力，即使如此，由于全反射具有特殊性和复杂性以及学生对其有不同的认知，因此本节课的内容对学生来说还是比较困难的，具体体现在以下几个方面。

（1）生活中遇到全反射的光现象很常见，但学生对其背后隐藏的道理难以理解，所以学生对本节内容比较陌生，需要通过演示实验、学生实验、课后小实验等发现发生全反射的条件，再上升为理论，最后达到应用的目的。

（2）现阶段，学生的思维尚处于形象思维和感性思维阶段，需要向抽象思维和理性思维发展，教师要根据学生的认知规律，打破“光在均匀介质中沿直线传播”的思维惯性，提供更多的实验器材，精心设计教学内容，降低学习难度，以此帮助学生跨越概念理解的“台阶”。

（3）学生实验操作的意愿很强，但正确操作实验器材的能力比较薄弱，对观察到的实验现象和得出的实验数据不能准确地形成合理的结论，并且对于科学探究的过程和结果也不能进行科学解释。教师需要提供相对容易操作的实验器材，制订切实可行的科学探究方案，引导学生处理和分析实验数据，并养成对探究结果进行交流和反思的习惯。

三、教学目标

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》对“全反射”的内容要求是：知道光的全反射现象及其产生的条件；初步了解光纤的工作原理、光纤技术在生产生活中的应用［3］。

四、基于学习进阶层级模型的设计流程

按照学习进阶理论的五个发展层级制订“全反射”的教学方案，通过让学生参与一系列实验探究活动，培养学生的科学思维能力，具体设计流程如表１所示。

五、基于学习进阶层级模型的教学过程

（一） 层级1：经验

教师在学生面前展示水流导光实验（如图2），并利用流出的水（呈绿色）做平抛运动的轨迹，让学生观察到绿色激光顺着平抛运动轨迹传播为曲线的现象，再引导学生近距离观察实验现象（如图3）。

师：同学们，你们还记得光沿直线传播的条件吗？

生：同种均匀介质。

师：你们看，这是一个透明的玻璃缸，老师在缸里放了一些清水，现在打开缸外面的绿色激光笔，可以看到什么现象呢？

生：光在水中沿直线传播。

师：那有没有可能光在同种均匀介质中走弯路呢？

学生（纷纷摇头，意见统一）。

师：接下来打开水缸上面的活塞，仔细观察，出现什么现象？（如图2）

生：啊？弯了？

师：这是什么原因呢？光为什么会走弯路呀？请同学们近距离观察一下。（如图3）

生：哦？还是直线，是反射？

师：我们看到的光其实并没有走弯路，只是在水和空气的界面上不断地反射，好像被牢牢地困在水中，出不来，这是为什么呢？看来光在水和空气之间的传播还发生了我们不知道的现象。

设计意图：通过粗看实验和近看实验，创设悬疑，激发学生对全反射概念的好奇，暗示了全反射产生的条件，为后面深入研究全反射做好铺垫。新的物理概念对学生来说是陌生的，往往需要借助以往所学的知识或者生活经验来理解，在教学过程中教师可以创设与以往的知识和经验相矛盾的实验，激发学生的学习兴趣［4］。

（二）层级2：映射

利用光从水射向空气和光从空气射向水的两组对比实验（如图4），构建全反射概念与实验条件的映射关系，在实验过程中形成与全反射概念相关的特征。

师：在光从水射向空气的实验中。随着入射角的增加，反射光线和折射光线的亮度发生了什么变化？对应的能量怎么变化？

生：反射光线越来越亮，反射光的能量逐渐增强，折射光线越来越暗，折射光的能量逐渐减弱。

师：当折射角等于90°时，折射光完全消失，此时反射光的能量等于入射光的能量，这种现象就叫作全反射。

师（继续提问）：光从空气射向水，能不能发生全反射呢？

生（提出猜想）：根据折射定律，光从空气射向水时，入射角大于折射角，很可能入射角先到达90°，所以不能发生全反射。

演示实验（验证猜想）：当光从空气射向水时，证明学生的猜想是正确的。

设计意图：通过两个对比实验，使学生认识到全反射现象发生与不同介质的折射率有一定的关系，让学生对新概念由好奇转向研究，并在新的实验情境中进行合理猜想，最后对猜想进行推理和论证。

（三）层级3：关联

引导学生构建具体关系。教学中，教师可以让学生通过分组实验，自主探讨全反射产生的条件。

学生实验：进行两组对比实验，记录并分析实验数据（如表2），尝试从得到的数据中总结物理规律，得出全反射的产生条件。

师：结合上面的实验，为什么有时能看到全反射，有时又看不到全反射呢？请同学们结合教材上的表格（表格中列举的是生活中常见材料的折射率），讨论一下发生全反射需要哪些条件。

生1：需要两种不同的介质。

生2：要让光从光密介质射向光疏介质。

生3：要让光从折射率大的介质射向折射率小的介质。

师：光从光密介质射向光疏介质就一定会发生全反射吗？

生4：不一定，还要看角度，入射的角度也有要求。

设计意图：通过不同的实验情境加深学生对全反射概念的认知；通过抽丝剥茧分析引导，让学生抓住全反射条件的本质，再结合亲身经历的实验，领悟全反射的条件，让全反射概念不再抽象和空洞。

（四）层级4：系统

组织学生寻找本质关系。教学中，教师可以引导学生推导光发生全反射的临界角公式。

启发学生利用光路可逆思想，如图5所示，由全反射与折射率的定义计算光由水射向空气中发生全反射时的临界角，当入射角为[θ1=90°]时，折射角[θ2]即为临界角C，再根据折射定律：

[n=sinθ1sinθ2]       ①

得到公式：

[sin C=1n]        ②

引导学生亲自动手计算几种介质的临界角并分析其大小与折射率[n]的关系，得出结论：不同的介质，由于折射率不同，临界角也是不同的，介质的折射率越大，发生全反射的临界角越小。

设计意图：利用折射定律理论推导出临界角公式，既促进了学生对临界角公式的理解，也为进一步抽象出临界角概念奠定了基础。

设计学生活动的目的是为了让学生主动参与课堂教学活动，让学生成为课堂主人，同时增加学生自主探究临界角公式的感性体验，这样设计的教学流程，符合学生的认知规律，为学生系统认识全反射概念提供了路径。

（五）层级5：整合

按照学习进阶层级模型，需要学生对物理概念进行整合应用，通过创设实际遇到的问题，引导学生应用所学知识和规律解决问题，提升学生理论联系实际的能力。

1.回到最初的悬疑实验——光在水中为什么走了弯路？

在教学过程中，为了掌握学生对全反射的理解情况，教师引导学生回到最初的悬疑实验——光在水中为什么走了弯路？引导学生应用所学知识解决实际问题，从而培养学生解决实际问题的能力。

师：为什么最开始的实验中水流可以导光呢？

生1：水就是光密介质，空气就是光疏介质。

生2：还要满足光在水中的入射角大于或者等于临界角。

师：光在水和空气界面不断发生全反射，那么有没有可能利用全反射把光引导到需要的地方？

生：有可能。

师：但是水流不好控制，有没有什么替代的物质？

生：玻璃？

师：普通的玻璃易碎，因此，可以用一种特殊的有机玻璃制成导光物体——光纤。

设计意图：通过水流导光实验，让学生深刻感受发生全反射的条件，同时构建情境化问题：水流不好控制，有没有什么替代的物质？激发学生的好奇心，让学生产生学习的需要和动力，积极寻找现实生活中的全反射模型（如图6），为光纤通信的应用埋下伏笔。

2. 光纤通信

生活中由于光的传播速度快，可以把声音信号等数据转换成光信号传播出去，但是光的传播容易受到障碍物的阻碍而不能顺利到达接收器，把这一生活中常见的问题放进课堂教学中，要求学生利用所学的全反射知识解决实际问题。

在全反射教学中，学生通过教师提供的实验装置（如图7）感受光在光纤（有机玻璃）中发生全反射，传播声音信号，进而感受全反射在生产生活中的应用，加强学生对“物理知识改变生活”的感悟。

六、教学效果分析

以学习进阶的发展层级为路径开展教学后，发现学生更容易对教学内容感兴趣，课堂教学中学生参与交流的行为达到了教师预想的目的。为了进一步研究学生掌握课堂知识的情况，在教学结束后，笔者向全班50名学生发放调查问卷，回收有效问卷50份，统计分析结果如表3所示。

问卷调查结果表明，大部分学生对本节课的知识内容已经了解，并且能熟练操作实验仪器，对课后作业——光纤技术的原理，少部分学生认为了解得还不够深入。可见，大部分学生在学习进阶教学实践中，理解了全反射知识，提升了实验操作能力，提高了学习兴趣。

学习进阶理论要求教师在课前主动了解学生的认知水平，在课中能及时有效地了解学生认识科学概念的不同阶段和不同程度，明确应该在哪些方面进行教学。学习进阶理论是一座连接学生思维水平和课堂教学实践的桥梁，教师应以学习进阶理论层级模型为指导，遵循学生的认知规律，精心创设情境，科学组织教学过程，从而促进学生物理学科核心素养的发展。

［   参   考   文   献   ］

［1］  杨凯，李成金.学习进阶在教学中的应用［J］.教师，2019（5）：63-64.

［2］  何春生，郭玉英.基于学习进阶的课堂教学设计与实践：以“功”为例［J］.物理教师，2016（10）：23-26，31.

［3］  中華人民共和国教育部.普通高中物理课程标准：2017年版2020年修订［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［4］  郭庆.基于学习进阶理论的探究实验教学研究［J］.物理教学探讨，2020（10）：21-24.

（责任编辑 易志毅）