周栩君 邢紅軍

(首都師范大學物理系,北京 100048)

·教材與教法·

物理教學設(shè)計范式的比較研究
——以高中重力勢能教學設(shè)計為例

周栩君 邢紅軍

(首都師范大學物理系,北京 100048)

隨著教學設(shè)計理論的不斷發(fā)展,物理教學設(shè)計也逐漸形成了不同的設(shè)計范式．對不同物理教學設(shè)計范式展開比較研究,有助于透視設(shè)計范式背后的研究思路,從而開啟物理教學設(shè)計研究的新篇章．為此,以高中重力勢能教學設(shè)計為例,通過分析不同版本高中物理教材“重力勢能”的編寫,歸納重力勢能教學設(shè)計的設(shè)計范式,從而提出了物理教學設(shè)計的建議．

教學設(shè)計;設(shè)計范式;重力勢能;本質(zhì)式

教學設(shè)計理論自20世紀80年代引入國內(nèi),一直處于發(fā)展階段．至今已逐漸由原來單一的備教材、備學生、備教法向注重教學邏輯、注重學生學習心理轉(zhuǎn)變．物理教學設(shè)計作為教師教學準備的重要環(huán)節(jié),如何體現(xiàn)物理學的本質(zhì),彰顯教學邏輯,是每一位物理教師需要關(guān)注的問題．

物理教學設(shè)計在發(fā)展過程中,逐漸形成了不同的研究范式．由于每種研究范式背后都有獨特的研究取向與思維方式,因此,對不同物理教學設(shè)計范式展開探討,對于落實核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標,提高物理教學效果有著重要意義．

有鑒于此,本文結(jié)合重力勢能教學設(shè)計的比較分析,通過研究重力勢能表達式的引入方式,以期對物理教學設(shè)計的發(fā)展有所啟迪．

1 “重力勢能”教材編寫的設(shè)計比較

物理教學設(shè)計不是空中樓閣,而是建立在物理教材基礎(chǔ)之上．物理教材作為物理教學設(shè)計的“根基”,是物理教學設(shè)計的源泉．因此,對物理教學設(shè)計范式進行比較研究,就有必要首先展開教材編寫分析．為此,本文對各個版本的高中物理教材“重力勢能”編寫進行比較,以便從中窺見教學設(shè)計范式的特點．

(1) 人教版教材重力勢能推導分析.

人教版教材對于重力勢能的表述是“物體由于被舉高而具有重力勢能,它的質(zhì)量越大、所處位置越高,重力勢能就越大”,認為認識重力勢能應以重力做功為切入點．于是通過讓小球沿不同路徑由距離地面h1處運動至h2處(如圖1所示)分析得到,“物體運動時,重力對它做的功只跟它的起點和終點的位置有關(guān),而跟物體運動的路徑無關(guān)”,即mgh=mgh1-mgh2.mgh與重力做功相關(guān),并且隨m、h的增加而增加,與勢能基本特征一致,因此將物理量mgh叫做物體的重力勢能．[1]

圖1

教材中用大量篇幅證明“重力做功與路徑無關(guān)”,然后指出mgh是一個具有特殊意義的物理量,但mgh、mgh1、mgh2到底有何意義?特殊在哪里?教材并沒有展開論述,從而導致重力勢能的編寫留有可以研究的空間．

(2) 魯科版教材重力勢能推導分析.

魯科版教材首先定義“物體處于一定的高度而具有的能叫做重力勢能”,然后利用實驗探究影響小球勢能大小的因素,并得到“重力勢能的大小與物體的質(zhì)量和所處的高度有關(guān)．物體的質(zhì)量m越大,所處的高度h越大,重力勢能Ep就越大”的結(jié)論．隨后,教材直接把重力勢能表示為Ep=mgh.而重力做功與重力勢能之間的關(guān)系則在下一節(jié)進行討論．[2]

教材對于重力勢能表達式的推導缺乏邏輯說明,而是采用了直接定義方式,這可能導致學生對于重力勢能的理解片面與淺顯,無法真正理解mgh是什么,以及mgh、mgh1、mgh23者之間的關(guān)系．

(3) 滬科版教材重力勢能推導分析.

滬科版教材首先定義“物體由于被舉高而具有的能量叫做重力勢能”,并以重錘打樁為例,說明“重錘的質(zhì)量越大,上升的高度越高,樁就被打得越深,這表明,重錘的重力勢能跟它的質(zhì)量和高度有關(guān)”．隨后,設(shè)定一個物理情境,讓重錘從離地面高度h1處自由下落至h2處,位移Δh=h1-h2,重力做功為W=GΔh=mg(h1-h2),即W=mgh1-mgh2.然后就認為mgh跟物體的質(zhì)量和離地面的高度有關(guān),從而將其定義為重力勢能Ep=mgh．[3]

與魯科版相比,滬科版教材在定義重力勢能之前研究了重力做功,但與人教版又有所不同．雖然都以重力做功為切入點進行研究,但是卻沒有證明“重力做功與路徑無關(guān)”,并在得到W=mgh1-mgh2之后直接定義了重力勢能．

教材中提到,“W=mgh1-mgh2是一個很重要的關(guān)系式”,但是在討論其物理意義時,并沒有深入分析,而僅僅由“重力勢能跟它的質(zhì)量和高度有關(guān)”得出重力勢能表達式．這樣對于關(guān)系式左右兩邊的物理量缺乏清晰的闡述與比較,會導致學生對于重力勢能的認識存在盲點與誤區(qū)．

(4) 粵教版教材重力勢能推導分析.

粵教版教材先定義“物體所處位置的高度決定的能量稱為重力勢能”,從定性角度討論重力勢能與物體質(zhì)量和高度有關(guān),隨后探尋定量關(guān)系．將物體勻速舉高,需要向物體施加一個向上的力,且力與重力等大反向．根據(jù)功能關(guān)系,這個力對物體做的功,等于物體增加的重力勢能,若選擇初始位置令其勢能為0,那么質(zhì)量為m,離地面高度為h的物體相對于地面的重力勢能Ep=mgh.[4]

粵教版教材重力勢能的提出,與以上3種教材的引入方式均不相同．教材沒有提及重力做功,而是由重力的平衡力做功入手,“根據(jù)功能關(guān)系,向上的力對物體做的功,等于物體增加的重力勢能”．這樣的處理手法仍然會導致學生先入為主地將重力勢能理解為重力做功,而非重力勢能．顯然,如此引入容易造成學生的知識混亂及概念模糊．

綜上所述,眾多教材在推導重力勢能表達式時雖然采用了不同方式,但這些方式普遍存在邏輯漏洞及環(huán)節(jié)缺失,很難從本質(zhì)上解釋為什么將重力勢能表達式定義為Ep=mgh．因此,如何恰當引入并建立重力勢能的表達式就成了亟待解決的問題．

2 不同教學設(shè)計范式的比較研究

為了更深入地研究物理教學設(shè)計范式,筆者對中國知網(wǎng)1995—2016年有關(guān)重力勢能教學設(shè)計的文章進行分析,提取出每篇文章的研究范式,并進一步分析每種研究范式的優(yōu)缺點,以期對教學設(shè)計有所啟示．

1995年至2016年,中國知網(wǎng)上“重力勢能”教學設(shè)計文章共47篇,如圖2所示.

圖2

由圖2可知,從2009年開始,重力勢能的教學設(shè)計文章明顯增多．細究之下,卻發(fā)現(xiàn)大多數(shù)文章并未觸及重力勢能教學設(shè)計的核心,致使問題依然未能得到有效解決．表面看來,這個問題只是一個具體物理教學設(shè)計問題,但在大量文章的背后,卻折射出了物理教學設(shè)計范式問題．因此,對于這一問題展開深入研究,就具有方法論層面的特殊意義,并有助于中學物理教學設(shè)計的健康發(fā)展．為此,筆者在對47篇文獻深入研究的基礎(chǔ)上,梳理出如下教學設(shè)計范式展開研究．

2.1 “傳統(tǒng)式教學設(shè)計”設(shè)計范式

研究發(fā)現(xiàn),高達85.1%的“傳統(tǒng)式”重力勢能教學設(shè)計文章,是基于教材內(nèi)容進行設(shè)計的,這類設(shè)計更多的是一種教學經(jīng)驗的總結(jié)與概括．設(shè)計范式如下.

文章開篇通過回憶初中教材知識,定義物體由于被舉高而具有的能為重力勢能,并從實驗角度得到重力勢能與m、h的定性關(guān)系,而后由“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”出發(fā),從分析不同力做功使重力勢能變化的角度,定量推導重力勢能的表達式．結(jié)果發(fā)現(xiàn),只有重力做功才會導致重力勢能發(fā)生變化,進而研究重力做功的特點．通過研究,發(fā)現(xiàn)重力做功與物體運動路徑無關(guān),即WG=mgh=mgh1-mgh2,說明mgh是一個具有特殊意義的物理量,而該物理量具有的兩個特征恰與重力勢能的基本特征一致,因此定義重力勢能Ep=mgh．

文獻檢索發(fā)現(xiàn),這類教學設(shè)計范式幾乎沒有采用直接定義方式得到重力勢能表達式的,說明中學物理教師對于部分教材中的直接定義法并不認同,而認為重力勢能的表達式需要推導,但推導過程卻與教材如出一轍．由此可見,教材是教師進行教學設(shè)計的首選,這樣的教學設(shè)計基本上就是教材編寫思路的再現(xiàn)．由于這類教學設(shè)計范式并未對“重力勢能”建立提出合理建議,從而導致重力勢能教學問題并未得到解決．

2.2 “框架式教學設(shè)計”設(shè)計范式

“框架式”設(shè)計范式首先將“相互作用物體憑借位置而具有的能”定義為勢能,并從勢能的定義推理出重力勢能與重力、相對位置有關(guān),認為重力也由相對位置決定,從而歸納出重力勢能只與相對位置有關(guān),表征為勢能的“基本特征一”．

根據(jù)“物體在力的作用下能量發(fā)生了變化,這個力對物體一定做了功”,歸納出重力做功可以決定重力勢能的變化,從而得到重力做正功,勢能減少;重力做負功,勢能增大．表征為勢能的“基本特征二”．

進一步,根據(jù)勢能由位置確定,推理出勢能的變化也只由位置確定,由此猜想重力做功與路徑無關(guān),最終得到WG=mgh=mgh1-mgh2,表征為勢能的“基本特征三”．

最后,對等式右邊的mgh之差進行分析,發(fā)現(xiàn)其符合上述3個基本特征,于是將重力勢能定義為Ep=mgh．[5]

“框架式”設(shè)計范式致力于揭示重力勢能的基本特征以及重力做功量化重力勢能的條件,與傳統(tǒng)教學設(shè)計相比較,文章框架更清晰,更容易把握主題．“框架式設(shè)計范式”雖然看起來更加全面與具體,但是依舊存在問題．(1) 從重力做功與路徑無關(guān)到重力勢能,兩者之間仍然存在邏輯漏洞; (2) 對于WG=mgh=mgh1-mgh2的理解不到位,沒有從本質(zhì)上解釋mgh、mgh1、mgh2的物理意義是什么?具有什么樣的內(nèi)涵?因此,“框架式”設(shè)計范式依然未能解決重力勢能教學存在的問題．

2.3 “概念式教學設(shè)計”設(shè)計范式

“概念式”設(shè)計范式通過提出“功的計算常常能夠為能量的定量表達及能量的轉(zhuǎn)化提供分析的基礎(chǔ)”觀點,認為做功的過程就是能量轉(zhuǎn)化的過程,以及功是能量轉(zhuǎn)化的量度．然后,從實驗角度探究得到重力勢能的大小與物體的高度和物體的質(zhì)量或重力有關(guān)．

在此基礎(chǔ)上,對物理概念——“變化量”的具體含義進行說明,對矢量和標量的變化量進行介紹、區(qū)分,并說明功和能都是標量,兩者滿足代數(shù)運算法則,并得到結(jié)論:“凡是同一個標量物理量的兩個值之差就表示這個物理量的變化”．

最后,由重力做功入手,得到WG=mgh=mgh1-mgh2．鑒于重力做功要量度某一種能的變化,而變化就是同一物理量的兩個值之差,而等式右邊恰好是兩個值之差,并且形式均為mgh,所以mgh表示一種能量．由于重力勢能與m、h有關(guān),所以重力勢能定義為Ep=mgh．[6]

“概念式”設(shè)計范式教學設(shè)計最大的不同點在于,在分析重力做功WG=mgh=mgh1-mgh2之前,討論了“變化量”的具體含義,即“凡是同一個標量物理量的兩個值之差就表示這個物理量的變化”．由此可以發(fā)現(xiàn)等式右邊為兩項之差且兩項形式相同,均為mgh,所以該項有特殊的物理意義．雖然這類教學設(shè)計對于mgh展開了討論,但是仍然沒有從本質(zhì)上解釋h、h1、h2、mgh、mgh1、mgh2到底表示什么?具有什么樣的意義?此外,將mgh直接定義為能量的說法也過于籠統(tǒng),沒有能夠真正揭示mgh的物理本質(zhì)．

2.4 “本質(zhì)式教學設(shè)計”設(shè)計范式

“本質(zhì)式”設(shè)計范式,在教學設(shè)計上的特色就是對mgh=mgh1-mgh2中的各個物理量進行了詮釋,這是該設(shè)計范式異于其他范式的最大區(qū)別．

本質(zhì)式設(shè)計范式首先從數(shù)學式中看出端倪,認為在h=h1-h2表達式中，h是真實發(fā)生的,是小球沿重力方向運動的位移,而表達式右邊的h1-h2(包括h1、h2)都不是小球真實發(fā)生的位移,h1、h2均是假設(shè)發(fā)生的,這就為重力勢能教學設(shè)計的展開選取了正確的方向．

進一步,從物理學的角度考量,若等式兩邊同時乘以mg,即mgh=mgh1-mgh2，表達式左邊的mgh就是重力做的功,是真實發(fā)生的．而表達式右邊并非真實發(fā)生的過程,但它的差值在數(shù)值上等于重力做的功,在量綱上與功的量綱一致,所以mgh=mgh1-mgh2不僅僅是數(shù)學上的等式,更是一個物理等式．mgh1-mgh2并非真實做的功,而是一個虛擬的做功,它具有潛在的做功本領(lǐng)．因此,可以將它看作一種能量．由于這種能量由重力產(chǎn)生,所以定義為重力勢能．[7]

“本質(zhì)式”設(shè)計范式的切入點是獨具慧眼的．在大學物理層面,重力勢能的引入并不存在任何問題．考慮到高中生的物理認知水平,高中物理教學中重力勢能的引入就不能采用大學物理的思路而須另辟蹊徑．需要降低教學難度,并采用一種既能夠讓高中生理解與接受,同時又符合重力勢能本質(zhì)的教學設(shè)計,這樣的教學設(shè)計才能被稱為好的教學設(shè)計．

由是觀之,“本質(zhì)式”設(shè)計范式從“真實”位移與“虛擬”位移出發(fā),進而過渡到“真實”做功與“虛擬”做功,從而揭開了mgh與mgh1-mgh2的神秘面紗．具體而言,mgh=mgh1-mgh2不僅滿足數(shù)量上的關(guān)系,更重要的是在量綱上保持一致,從而由數(shù)學等式轉(zhuǎn)化成為物理等式．由于左邊是真實存在的功,右邊的差值只具有做功的本領(lǐng),但不是真實做的功,因此右邊的兩項之差只能是能量,從而定義重力勢能的概念．這種由數(shù)學到物理、由真實到虛擬的研究思路才能揭示物理本質(zhì),使該問題得到真正解決．

3 啟示與建議

(1) 物理教學設(shè)計要“凸顯”物理本質(zhì).

科斯根為思考理想教師特征提供了一個框架,從而提出了洋蔥模型．[8]最外層到最里層分別是環(huán)境、行為、能力、信念、職業(yè)身份、使命,在模型中,里圈與外圈因素是相互影響的．科斯根還提到“洋蔥模型中的各個因素類似于原子核中的電子,越是外層的因素越不穩(wěn)定,越容易改變和塑造,越是里層的因素越穩(wěn)定,越難于培養(yǎng)”．其實,洋蔥模型也同樣適用于物理教學設(shè)計,因為物理教學設(shè)計的最終目的是以科學的方式講清楚知識最核心的物理本質(zhì)．所以,物理本質(zhì)就是洋蔥模型的芯,一切教學邏輯、教學活動都要圍繞物理本質(zhì)展開,只有揭示物理本質(zhì)的教學設(shè)計才能取得好的教學效果．因此,教學設(shè)計要圍繞物理本質(zhì)而展開．

本質(zhì)式教學設(shè)計之所以與眾不同,是因為作者的研究視角不一樣,看待問題的思維方式也不相同．對于重力勢能的教學設(shè)計,大多數(shù)教師在備課中往往強調(diào)“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”以及“相對位置”,雖沒有科學性錯誤,但卻不是本節(jié)課的核心與焦點,真正的物理本質(zhì)存在于等式mgh=mgh1-mgh2中．左邊是真實發(fā)生,也就是重力做功,對應的是“過程”．右邊是虛擬發(fā)生,對應的是“狀態(tài)”．進一步從數(shù)值和量綱兩個方面考慮,由于數(shù)值相等,那么右邊的物理量與功的屬性完全一致,所以只能是具有做功的本領(lǐng),也就是能量．顯然,只有厘清問題的物理本質(zhì),才能算得上是彰顯物理本質(zhì)的教學設(shè)計．

(2) 教學設(shè)計要注重教學邏輯的詮釋.

教學的邏輯順序是至關(guān)重要的．先講什么,后講什么,都應當有一定的依據(jù)．而這個依據(jù)就是學生的學習心理,遵從由簡單到復雜,由直觀到抽象的教學原則．

重力勢能是一個抽象的物理量,無論是教師的教學過程、還是學生的學習過程,都是教學的重點與難點．所以,嚴密的教學邏輯就尤為關(guān)鍵．遺憾的是,無論是教材還是物理教學設(shè)計,都在教學邏輯層面存在或多或少的問題．尤其是經(jīng)由重力做功與路徑無關(guān)從而引入重力勢能這一邏輯關(guān)系,其過程往往不盡如人意．因此,就可能會導致學生學習時容易出現(xiàn)概念模糊不清的狀況,從而無法真正理解并掌握重力勢能建立的依據(jù)．

因此,只有在教學設(shè)計時注重教學邏輯的展開,才能將知識引入層層遞進,進而水到渠成地展現(xiàn)物理本質(zhì)．

(3) 教學設(shè)計應超越教材的局限.

我國傳統(tǒng)物理備課的“教材分析”、“教案撰寫”強調(diào)經(jīng)驗的繼承,強調(diào)對物理教材的感知和把握,但其固有的封閉性在相當程度上造成了“閉門造車”傾向．[9]

對比研究不難發(fā)現(xiàn),很多中學物理教師在進行教學設(shè)計時,依據(jù)的“模板”主要是教材,而教學設(shè)計往往就是教材細化過程．教材編寫雖然力求完備,但終究不能做到盡善盡美．有些教學環(huán)節(jié)的銜接存在邏輯漏洞,有些理論推導過程存在盲點．若完全依據(jù)教材進行教學設(shè)計,就會使這些邏輯漏洞、推證盲點成為學生知識體系中的潛在問題．

對比研究不難發(fā)現(xiàn),撰寫論文的教師主要分為3類,中學物理教師、中學物理教研員、物理教學論工作者．由于學術(shù)背景不同,會導致研究風格迥異．研究表明,大部分中學教師與教研員在教學設(shè)計時往往沿用教材邏輯,只有少數(shù)中學教師及教研員會對本節(jié)課的邏輯順序進行重新修正或重新設(shè)計;而物理教學論工作者對于問題的敏感度與洞察力要更高、更精準一些,在進行教學邏輯的安排與教學設(shè)計過程中,會有效地依據(jù)物理教學論的理論,對教學內(nèi)容進行創(chuàng)新性設(shè)計,從而達到最佳的教學效果．

1 人民教育出版社,課程教材研究所,物理課程教材研究開發(fā)中心.物理·必修2[M].北京:人民教育出版社,2010：63-65.

2 山東科學技術(shù)出版社,中學物理教材編寫組.物理·必修2[M].濟南:山東科學技術(shù)出版社,2005：27-28.

3 束炳如,何潤偉.物理·必修2[M].上海:上?？萍冀逃霭嫔?2007：57-58.

4 廣東基礎(chǔ)教育課程資源研究開發(fā)中心,物理教材編寫組.物理·必修2[M].廣州:廣東教育出版社,2005：67.

5 陳金苗.探究重力勢能表達式中存在的問題與解決對策[J].中學物理教學參考,2014,46(6)：13-15.

6 柏露枝.重力勢能和動能概念的邏輯性教學——以人教版教材為例[J].物理教師,2016,37(5)：12-13.

7 邢紅軍,胡揚洋. 高中物理“重力勢能”教學的高端備課[J].湖南中學物理,2016,9(41)：41-42.

8 陳琦,劉儒德.教育心理學[M].北京:高等教育出版社,2005:537-538.

9 鄧鑄. 問題解決的表征態(tài)理論與實證研究[D]. 南京:南京師范大學,2002:33.

2017-04-19)