馮亞儒

關(guān)鍵詞：學習進階;物理建模;平拋運動

中圖分類號：G633.7 ? ?文獻標識碼：B ? ?文章編號：1009-010X（2019）20/23-0116-04

一、基于物理建模的學習進階的可行性

“學習進階”近年來一直是教育領域的研究熱點，美國國家理事會（NRC）在2007年給出了“學習進階”的一般性定義：“對學生在一個時間跨度內(nèi)學習和探究某一主題時，依次進階、逐級深化的思維方式的描述?！睂W習進階理論指出，應將學生的認知發(fā)展過程切分為多個能級，以分析學生現(xiàn)有的知識能力水平（低錨點），并以大多數(shù)學生的認知為基礎，設置問題情境，統(tǒng)一進階起點。在能夠提升學生思維發(fā)展的凌亂區(qū)間內(nèi)，教師應多角度思考進階變量，設置中間節(jié)點，以幫助學生提升認知水平。并選取合適的測評工具，準確測評學生動態(tài)發(fā)展的層級，進而達到進階目標，獲得科學概念（高錨點）。

學習進階描述的是學生思維方式的提升，并不存在內(nèi)容層面的正確或錯誤，學生給出的答案或者外部行為表現(xiàn)只是學生所處的知識能力層級的一種體現(xiàn)。皮亞杰的“認知學習”理論、維果茨基“最近發(fā)展區(qū)”的理論、奧蘇貝爾“有意義學習”的理論均給學習進階提供了強有力的理論依撐。縱觀整個進階過程的發(fā)展，不難發(fā)現(xiàn)它的發(fā)展需要借助物理模型的構(gòu)建，學習進階的發(fā)展過程有時也是物理模型不斷完善的過程。例如判斷學生是否達到某一進階節(jié)點，可以通過學生心智模型的表征結(jié)果來實現(xiàn)，進階目標的達成過程也是科學物理模型構(gòu)建完成的過程。

學習進階模式強調(diào)教師要充分了解學生的前認知，并逐級提升學生的核心概念和關(guān)鍵能力。同時目標設置明確，鼓勵其尋找進階起點到進階目標的最優(yōu)路徑，由此使進階終點的達成過程更加高效。

建模教學已經(jīng)在物理學科中得到了廣泛的應用，模型通過建立屬性間最簡單的聯(lián)系，可使學生直觀理解知識的本質(zhì)，化抽象為具體，由復雜變簡單，進而使獲得知識的過程更加高效，如質(zhì)點模型，波爾模型，單擺模型等。模型是物理學的核心內(nèi)容，建模的過程植根于物理情境中。通過物理模型的構(gòu)建，可提高學生的抽象思維能力和建構(gòu)模型的能力。

“物理建模教學”是美國物理學家 David Hestenes 首先提出的一種教學模式，包括：1.暴露心智模型;2.表征模型;3.驗證模型;4.評估模型;5.修正模型;6.應用模型六個環(huán)節(jié)。由這些環(huán)節(jié)可以看出物理建模的過程具有層級特征，即各個環(huán)節(jié)逐級遞進，前一環(huán)節(jié)是后一環(huán)節(jié)的進階起點，后一環(huán)節(jié)是前一環(huán)節(jié)的提升，心智模型表征、驗證、評估、修正的過程也就是學習進階的過程。

學習進階理論邏輯清晰但抽象，物理模型具象但零散，將學習進階理論與物理模型相結(jié)合，取長補短，珠聯(lián)璧合，能夠幫助學生更清晰、更有層次地建立起知識體系，學習的針對性也變得更強，思路也更清晰，進而達到思維、能力的穩(wěn)步提升。建模教學的進階起點是建構(gòu)該模型所必需的知識和關(guān)鍵能力，進階目標是建構(gòu)能夠表征特定客觀事實的科學模型。明確進階起點，選取模型建構(gòu)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)為進階節(jié)點，進而初步形成科學模型，然后對模型進行完善與拓展，最終形成完整的科學模型。

詳見“基于建模的學習進階流程圖”。

以平拋運動為例，依照這一流程對物理建模下的學習進階展開具體說明。

二、基于物理建模的學習進階指導教學設計——以平拋運動為例

（一）平拋運動的進階分析

1.進階目標分析

參照《普通高中物理課程標準（2017年版）》，本節(jié)將進階目標設置為會用運動合成與分解的方法分析平拋運動，體會將復雜運動分解為簡單運動的物理思想，能分析生產(chǎn)生活中的拋體運動。

2.進階起點分析

平拋運動是人教版高中必修二第五章曲線運動的第二節(jié)，學生在前一節(jié)曲線運動中已經(jīng)對平拋運動的軌跡——曲線以及合運動、分運動有了初步的認識，并且在生活中也接觸過平拋運動，但關(guān)于“平拋運動”的標準定義和基本規(guī)律并沒有專門學習過。高中階段的學生，正處于形象思維向邏輯思維轉(zhuǎn)變的過程，邏輯思維內(nèi)隱而抽象，因此更需要感性材料的支持。雖然在之前簡單學習了運動的合成與分解，但針對具體的運動該如何進行合成與分解沒有進行過感性訓練。所以本節(jié)課的學習就是在學生前概念的基礎上，深化學生對曲線運動的認識，進而提升其解決實際問題的能力。

在學習拋體運動之前，學生已經(jīng)掌握了曲線運動的相關(guān)知識，大部分學生知道當物體所受合力的方向與它的速度方向不在同一條直線上時，物體做曲線運動，并且曲線運動可以通過建立直角坐標系來將速度進行分解。因此教師可以通過設置一個能夠體現(xiàn)曲線運動條件的情境來統(tǒng)一進階起點，然后開展平拋運動的學習。

3.建模起點分析

通過之前的學習，學生已經(jīng)初步建立起曲線運動的軌跡模型，但對具體運動情境下的曲線運動模型尚不清楚，即建立的曲線運動模型不完善。

4.進階層級的分析

結(jié)合教材的內(nèi)容編排、學習進階理論以及建模知識，可將平拋運動的進階層級具體劃分為四個層面：（1）節(jié)點一：建構(gòu)一般的平拋運動子模型，明確平拋運動的定義和特征，一級進階。（2）節(jié)點二：建構(gòu)直角坐標系下的平拋運動子模型，知道用運動的合成與分解來研究平拋運動，科學模型初步建構(gòu)。（3）節(jié)點三：建構(gòu)平拋運動的完整模型，解決實際生活中的平拋運動問題。（4）節(jié)點四：模型拓展，建構(gòu)斜拋運動模型，了解斜拋運動的特征和處理思路，達到進階目標。

（二）基于物理建模的平拋運動學習進階教學過程

1.前測

設計說明：設置診斷性問題，多為選擇填空題，放在課前幾分鐘來完成。意在考察學生對曲線運動以及運動的合成與分解的掌握情況，了解不同學生的知識和能力水平，以便設置合適的進階起點，使大多數(shù)學生都能跟得上接下來平拋運動的學習。

2.統(tǒng)一進階起點和建模起點

創(chuàng)設情境：

投籃時，籃球脫手后的運動軌跡如何？速度如何變化？是否受到力的作用？速度方向與合力方向如何？

設計說明：將之前學習的曲線運動知識與將要學習的拋體知識建立聯(lián)系;將進階起點、建模起點統(tǒng)一起來，幫助學生建立學習平拋運動所必需的知識儲備。

3.進階過程一

建構(gòu)一般的平拋運動子模型，明確平拋運動的定義和特征，一級進階。

教師舉出生活中平拋運動的實例，提問拋出物體的運動軌跡。

學生回答：曲線運動。

曲線運動的條件：合力方向與速度方向不在同一條直線上，教師所舉的例子里物體的初速度和合力有什么共同特點，二者關(guān)系如何？

學生總結(jié)出平拋運動的特征：初速度水平，合力僅為豎直方向上的重力。

教師規(guī)范平拋運動的定義。

設計說明：學生通過回憶生活中的實例，找出共同點，進而總結(jié)出平拋運動的特征及定義，然后從具象層級提升至抽象層級，如此可鍛煉學生歸納表達的能力。事實上，學生找規(guī)律的過程就是建模的過程。教師規(guī)范平拋運動定義的過程，既是進階起點統(tǒng)一后的提升，又是下一進階節(jié)點的起點。

4.進階過程二

建構(gòu)直角坐標系下的平拋運動子模型，知道用運動的合成與分解來研究平拋運動，科學模型初步建構(gòu)。

小組探究：將平拋運動在直角坐標系下進行分解，然后分析質(zhì)點水平、豎直方向上的速度、位移如何。

在水平方向上，質(zhì)點保持初速度不變做勻速運動，vx=v0;x=v0t;

在豎直方向上，質(zhì)點由于受到重力，做初速度為零的勻加速直線運動，vy=gt，y=■gt2.

設計說明：教師提供建構(gòu)直角坐標系下平拋運動子模型的思路，然后學生利用之前學習的運動的合成與分解的知識對模型進行分析，這是心智模型的又一次外顯。隨后教師對心智模型進行規(guī)范，最終初步建構(gòu)科學模型。

對一般平拋運動的模型進行優(yōu)化，使平拋運動的特點更清晰，平拋運動的知識體系更完善，以此幫助學生利用所學的運動的合成與分解來研究平拋運動，掌握合成與分解的科學方法。

5.進階過程三

建構(gòu)平拋運動的完整模型，解決實際生活中的平拋運動問題。

設計說明：將初步建立起的科學模型放置到復雜的問題情境中，對知識進行整合驗證與運用，進而建立起平拋運動的完整模型，進階能級提升。

6.進階過程四

模型的拓展，建構(gòu)斜拋運動模型，了解斜拋運動的特征和處理思路，達到進階目標。

思考：如果質(zhì)點的拋出速度不是水平方向，而是斜向上或斜向下，運動軌跡如何？速度、位移如何？

小組討論分析。

設計意圖：學生自主探究尋找規(guī)律，這不僅是平拋模型至斜拋模型的拓展，更是學生思維能力的提升。

三、啟示與建議

1.在對某一章節(jié)進行設計時，教師要充分了解學生的認知基礎，設置適合大多數(shù)學生的進階起點，并幫助所有學生達到這一水平。明確進階目標，了解進階起點到進階目標的過程是由淺及深的，然后預想進階起點到進階目標的最優(yōu)路徑。

2.多角度考慮設計進階變量。進階目標應是圍繞核心概念和關(guān)鍵能力設置的，因此僅考量知識的本體維度或能力維度的進階變量，都是不符合物理核心素養(yǎng)要求的。即我們要多層次地設計進階變量，促進學生全方位發(fā)展。

3.進階節(jié)點的劃分要與教師能力、知識特點、學生基礎、設施條件聯(lián)系起來，要符合實際情況。由木桶定律可知，任何因素的缺失都會導致教學的不足。

4.開發(fā)評價新形式。對于學生心智模型或進階層級的測評，不應僅限于問答或試題的形式，這些測評方式已經(jīng)不能滿足新形勢下對學生知識與能力的要求，因此亟需開發(fā)多形式多維度準確測評學生層級的新手段。

參考文獻：

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[3]翟小銘，郭玉英，項宇軒.物理建模教學例析——以“靜電現(xiàn)象的應用”教學為例[J].物理教師，2015，36，（7）：32.