蔣培旺 徐平川 楊 歡 代利紅

(西華師范大學物理與空間科學學院 四川 南充 637009)

1 引言

學習進階是對學生連貫且逐漸深入的思維方式的假定描述，一般表現(xiàn)為圍繞著核心概念展開的一系列由簡單到復(fù)雜、相互關(guān)聯(lián)的概念序列，是對“應(yīng)為學生設(shè)定怎樣的學習路徑”這一核心問題的探索[1].

北師大郭玉英帶領(lǐng)的團隊構(gòu)建了中學物理學科中相關(guān)核心概念及關(guān)鍵能力的學習進階，將理論構(gòu)建與實際研究相結(jié)合[2].國內(nèi)外學者對“力與運動”“運動與相互作用的關(guān)系”進行了學習進階研究[3]，構(gòu)建了相關(guān)核心概念的進階框架.

目前學習進階的研究內(nèi)容從核心概念轉(zhuǎn)向基本概念和基本規(guī)律.牛頓運動定律是整個經(jīng)典力學的基礎(chǔ)，在各個國家的中學物理教學中占有很大篇幅，是教學中的重難點.

本文通過分析從小學到高中的課程標準，總結(jié)各個階段常見的迷思概念和科學概念，制定了各水平的進階目標.進階終點的設(shè)定從物理發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律和動力出發(fā)，注重過程性評價，為學生的終身發(fā)展奠定基礎(chǔ).

2 “牛頓運動定律”的進階框架設(shè)計

2.1 基于課程標準的分析

《義務(wù)教育小學科學課程標準》《義務(wù)教育物理課程標準(2011年版)》和《普通高中物理課程標準(2017年版)》對學生不同階段學習“牛頓運動定律”提出了最基本的要求.小學階段，要求學生能描述常見運動的形式和特征.初中階段，要求學生了解伽利略物理實驗，初步形成物理極限思想，構(gòu)建慣性的初步概念，初步理解牛頓運動定律.高中階段，強調(diào)基于學生已有的經(jīng)驗，要求學生進一步認識伽利略等人的探索歷程，從對力與運動的關(guān)系的定性認識，到理解加速度和力、質(zhì)量的定量關(guān)系，形成對牛頓定律相關(guān)知識的物理觀念、科學思維方法和科學探究意識[4].

2.2 牛頓運動定律的進階框架構(gòu)建

牛頓運動定律相關(guān)概念在中學階段具有跨度大、靈活性強的特點，根據(jù)皮亞杰“認知發(fā)展階段理論”“布魯姆教育目標分類”相關(guān)理論，考慮到學生認識結(jié)構(gòu)發(fā)展水平，針對學生在不同學習階段呈現(xiàn)的概念理解水平的描述，可以將牛頓運動定律的學習進階分為5個水平，如表1所示.

3 學習進階與物理課堂教學

小學生的思維大多停留在水平1層次，初中學習可以達到水平2層次甚至是水平3層次，高中學習過牛頓第三定律的學生應(yīng)該能到達水平4層次，但仍有部分學生只能到達第2、第3水平層次.大學學生經(jīng)過學習可以達到水平5層次.學生對“牛頓運動定律”的學習不是一蹴而就的，在學習過程中難免會產(chǎn)生迷思概念，學習進階實際上就是，實現(xiàn)迷思概念與科學概念之間的轉(zhuǎn)變，將概念轉(zhuǎn)變的研究時間拉長并對概念模型進行整合[5].因此教師應(yīng)以學習進階為參考，從學生現(xiàn)有的認知結(jié)構(gòu)出發(fā)，設(shè)置一系列的進階節(jié)點，按照層級結(jié)構(gòu)，一步步地達到進階終點.

以高中教科版牛頓第一定律為例，根據(jù)對課程標準和表1的分析，進階節(jié)點設(shè)置為：對力與運動的初步認識，由亞里士多德、伽利略等人的觀點建立極限思想，構(gòu)建牛頓第一定律的模型，形成物理觀念以及掌握慣性在生活中的應(yīng)用.具體的進階過程可做如下設(shè)計：

(1)創(chuàng)設(shè)物理情境，形成力和運動初步的認識

學生從“冰壺”“車輛行駛”“足球在草地運動”等生活現(xiàn)象中獲得事實經(jīng)驗，回顧舊知.

(2)設(shè)置具體的問題情境或者實驗，搭建“腳手架”

運動的物體之所以會停下來，是由于物體受到了摩擦力的緣故.通過伽利略設(shè)計的理想斜面實驗，初步形成極限思想，建立運動和力相互關(guān)系的基礎(chǔ)線索.

(3)構(gòu)建物理模型

學生基于生活經(jīng)驗，容易產(chǎn)生力是維持物體運動的原因、速度越大所受力越大等迷思概念.教學中要基于物理發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律和動力，結(jié)合眾多學者對力與運動的探索的物理學史，使學生經(jīng)歷知識的獲得過程[6].由笛卡爾對于運動的表述以及牛頓對于力與運動的總結(jié)，建立牛頓運動定律的物理模型.

(4)形成物理觀念

通過對牛頓第一定律的理解，培養(yǎng)學生的物理觀念，建立科學的時空觀、運動觀、相互作用觀.讓學生透過事物的表象看本質(zhì)，實現(xiàn)慣性、相互作用、運動等物理知識的遷移，提升學生解決問題的能力.

4 學習進階與評價

通過牛頓運動定律在實際問題中的應(yīng)用，整合相關(guān)物理知識，鞏固進階成果.目前國內(nèi)所開發(fā)的測試題更多的是注重評價是否達到教學目標，忽略了學生在學習進階中存在的困難.筆者根據(jù)FCI,FMCE,歷年中考、高考物理試題等，使用多項選擇測試題對學生在概念的理解程度方面進行考察.例如以下題目：

【題目】某女士對一只大箱子在水平方向上施加一個恒定不變的作用力，大箱子在水平面上以恒定的速度v0運動.關(guān)于這位女士施加的水平作用力，下列說法正確的是( )

A．大小大于箱子的重力

B．大小小于箱子的重力

C．大小等于箱子在運動中受到的總阻力

D．大小大于箱子在運動中受到的總阻力

E．既大于箱子的重力也大于箱子在運動中受到的總阻力

當學生選擇選項A或E時，反映學生對“牛頓運動定律”的理解還處于水平1層次，錯誤的認為“重力會阻止物體運動”；選項B或D反映學生處于水平2層次，認為“推力大于重力物體才能運動”“此時的阻力只有摩擦力”；選項C反映學生處于水平3，4階段，學生理解“勻速運動的物體合外力為零”.

5 結(jié)束語

學習進階的構(gòu)建是一個理論與實踐交替的過程，通過構(gòu)建學習進階，指導教學實踐，在教學實踐中構(gòu)建更符合學生學習的學習進階.本文通過對課程標準、教材、學生認知水平的分析，設(shè)計了牛頓運動定律這一核心概念的學習進階框架，提出了相對應(yīng)的教學建議，希望能為物理教學提供建議和參考.