摘 要:基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論,在教學(xué)過程中教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知和思維水平,結(jié)合學(xué)科的邏輯特點(diǎn),設(shè)計(jì)“五層進(jìn)階式”教學(xué)模式的問題鏈模型,從原始問題到物理模型構(gòu)建,從單一知識(shí)到大單元知識(shí),從知識(shí)傳授到能力和思維培養(yǎng),最后達(dá)成情境的遷移能力,讓學(xué)生真正達(dá)成課程標(biāo)準(zhǔn)要求的學(xué)業(yè)質(zhì)量5級(jí)水平.
關(guān)鍵詞:學(xué)習(xí)進(jìn)階;問題鏈;平拋運(yùn)動(dòng);教學(xué)模式
中圖分類號(hào):G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B???? 文章編號(hào):1008-4134(2021)13-0028-04
基金項(xiàng)目:2020年浙江省桐鄉(xiāng)市教育科學(xué)規(guī)劃立項(xiàng)課題“‘牛頓運(yùn)動(dòng)定律中核心概念支撐及學(xué)習(xí)進(jìn)階的探查與轉(zhuǎn)變”(項(xiàng)目編號(hào):2020tb015).
作者簡介:黃文?。?981-),男,湖北荊州人,本科,中學(xué)高級(jí)教師,研究方向:新教材教學(xué)及浙江省新高考命題.
在高中物理學(xué)習(xí)中,重要的不是會(huì)做多少難題,而是學(xué)會(huì)提出問題——提出飽含科學(xué)思維水平的高質(zhì)量問題.學(xué)習(xí)進(jìn)階理論將科學(xué)解釋分為“初錨”“終錨”以及反映不同認(rèn)知水平,通過“初錨、終錨”的中間水平的“階”,一步一個(gè)臺(tái)階地“進(jìn)階”去解決問題,各個(gè)“階”以問題的形式呈現(xiàn),與學(xué)生的淺層次與深層次的思維活動(dòng)連接起來,搭建出符合學(xué)生認(rèn)知水平的“最近發(fā)展區(qū)”,從而精準(zhǔn)地、有效地促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維水平的發(fā)展.本文以“平拋運(yùn)動(dòng)”的新課教學(xué)為例,探討基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的“五層進(jìn)階式”教學(xué)模式的高中物理問題鏈的設(shè)計(jì).
1 “平拋運(yùn)動(dòng)”學(xué)習(xí)進(jìn)階的目標(biāo)與路徑規(guī)劃
1.1 平拋運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)的進(jìn)階起點(diǎn)——初錨
1.1.1 平拋運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)進(jìn)階的“初錨”
依照課程標(biāo)準(zhǔn)(2020年修訂)學(xué)業(yè)質(zhì)量1級(jí)水平要求,學(xué)生能初步了解所學(xué)的物理概念和規(guī)律,知道得出結(jié)論需要科學(xué)推理,知道質(zhì)疑和創(chuàng)新的重要性.在“平拋運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)過程中,不同水平的問題鏈設(shè)計(jì)起點(diǎn)可以從“扔飛鏢”或者“扔沙包”這樣的簡單又有趣的生活情境出發(fā),這樣既可以讓學(xué)生感受物理并不遙遠(yuǎn),抹平物理與學(xué)生心理上的鴻溝,又能理解原始問題所需的物理知識(shí),貼近學(xué)生初始的理解水平,從而讓教師能夠設(shè)計(jì)各個(gè)“階”需要的物理知識(shí).
1.1.2 平拋運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)的進(jìn)階終點(diǎn)——終錨
學(xué)業(yè)質(zhì)量5級(jí)水平是要求學(xué)生能綜合應(yīng)用所學(xué)的物理知識(shí)靈活解決實(shí)際問題;能從多個(gè)視角審視檢驗(yàn)結(jié)論,解決物理問題具有一定的新穎性.在平拋運(yùn)動(dòng)的教學(xué)過程中,問題鏈的最高層次應(yīng)該是能夠培養(yǎng)學(xué)生不僅可以將新情境中綜合性物理問題拆解、推理和重構(gòu),并對結(jié)論提出解釋或質(zhì)疑的能力.例如,在體育賽事中關(guān)于平拋運(yùn)動(dòng)問題的討論,或者是斜拋運(yùn)動(dòng)模型等,側(cè)重于考查學(xué)生對綜合性物理問題全面的思考及對證據(jù)合理性的判斷能力.
1.2 “平拋運(yùn)動(dòng)”學(xué)習(xí)進(jìn)階層級(jí)的設(shè)計(jì)與規(guī)劃
平拋運(yùn)動(dòng)是人教版2019年版新教材“第五章拋體運(yùn)動(dòng)”的核心內(nèi)容,是曲線運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要運(yùn)動(dòng)模型.研究平拋運(yùn)動(dòng)需要掌握曲線運(yùn)動(dòng)的條件及會(huì)判斷曲線運(yùn)動(dòng)物體的速度方向,掌握利用運(yùn)動(dòng)的合成與分解的規(guī)律來研究平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律.其中間的進(jìn)階層級(jí)跨度比較大,對中間水平或現(xiàn)有知識(shí)儲(chǔ)備的高中學(xué)生而言是有一定難度的.
因此,平拋運(yùn)動(dòng)的問題鏈設(shè)計(jì)需要確定合適的層級(jí),層級(jí)之間的跨度要遵守“最近發(fā)展區(qū)”的相關(guān)理論.問題鏈的“階”的梯度設(shè)置要適當(dāng):梯度高了,違背學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律,這樣的“階”毫無意義;而梯度太小,又失去了“階”的作用,不能構(gòu)成有效的問題鏈.參照課程標(biāo)準(zhǔn)中學(xué)業(yè)質(zhì)量水平5個(gè)等級(jí)的劃分,本課例的問題鏈設(shè)計(jì)中,其每一個(gè)層級(jí)大致對應(yīng)著課程標(biāo)準(zhǔn)中的每一個(gè)水平等級(jí).
1.3 基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的“平拋運(yùn)動(dòng)”問題鏈設(shè)計(jì)模型
基于進(jìn)階理論的“五層進(jìn)階式”教學(xué)模式的問題鏈設(shè)計(jì)如圖1所示,依據(jù)以上對平拋運(yùn)動(dòng)的學(xué)習(xí)進(jìn)階目標(biāo)分析與重難點(diǎn)的層級(jí)規(guī)劃,問題鏈的層級(jí)、進(jìn)階水平、表現(xiàn)期望的設(shè)計(jì)見表1.
2 學(xué)習(xí)進(jìn)階視域下的教學(xué)實(shí)踐與對策
2.1 進(jìn)階1(經(jīng)驗(yàn)層級(jí))——基于實(shí)際情境的原始問題
原始問題:把物體拋出去后,其運(yùn)動(dòng)軌跡是什么樣的?它的速度如何變化?物體在運(yùn)動(dòng)過程中其受力與速度的關(guān)系是怎樣的?
設(shè)計(jì)意圖:這是一個(gè)包含很多干擾因素的生活化場景的問題,問題本身具有開放性.每個(gè)同學(xué)的生活經(jīng)歷不同,得出的答案就會(huì)不同.將生活場景中的物體的運(yùn)動(dòng)與曲線運(yùn)動(dòng)知識(shí)建立聯(lián)系,將進(jìn)階的“初錨”與解決問題的先行知識(shí)起點(diǎn)統(tǒng)一起來,這對降低進(jìn)階起點(diǎn)的難度是有益的.
2.2 進(jìn)階2(映射層級(jí))——從原始的問題向物理問題的進(jìn)階
將一個(gè)包含很多干擾因素的開放性問題純化為物理問題,需要一定的物理起始條件,學(xué)生將物理現(xiàn)象向物理問題轉(zhuǎn)化的過程中,就是排除干擾因素、提煉物理模型的過程.
物理問題:如圖2所示,在塑料瓶的底部插一根水平放置的細(xì)管,然后瓶中裝滿水,打開瓶口,水會(huì)從管口水平射出,在空中形成彎曲的細(xì)水柱,研究細(xì)水柱的軌跡.如果要調(diào)節(jié)細(xì)水柱射出點(diǎn)到落地點(diǎn)的距離,可以有哪些措施?
設(shè)計(jì)意圖:依據(jù)學(xué)業(yè)質(zhì)量2級(jí)水平的要求,利用學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn),在熟悉的問題情境中構(gòu)建簡單的物理模型,并解決問題.相比之下,構(gòu)造的理想模型更直接指向平拋運(yùn)動(dòng)的特征.本問題中,調(diào)節(jié)水柱落地點(diǎn)遠(yuǎn)近的問題的回答相對固定.
2.3 進(jìn)階3(關(guān)聯(lián)層級(jí))——從單一知識(shí)向單元知識(shí)進(jìn)階
依據(jù)學(xué)業(yè)質(zhì)量 3 級(jí)水平的要求,對綜合性問題進(jìn)行分析和推理,獲取結(jié)論并作出解釋.平拋運(yùn)動(dòng)的教學(xué)中,我們可以利用運(yùn)動(dòng)的合成和分解知識(shí),通過實(shí)驗(yàn)探究尋覓水平位移與豎直位移的關(guān)系、水平速度與豎直速度的關(guān)系,探究速度與位移之間的關(guān)聯(lián),將來還要結(jié)合多種運(yùn)動(dòng)、涉及功能關(guān)系并利用數(shù)學(xué)函數(shù)進(jìn)行討論等,做到從單一知識(shí)向單元知識(shí)進(jìn)階(考慮主要是新授課,下面進(jìn)階問題暫不涉及功能關(guān)系等比較復(fù)雜的情形),其設(shè)計(jì)的進(jìn)階問題如下.
進(jìn)階問題1:如圖3所示,在摩托車賽道上,水平路面的前方有一個(gè)壕溝,壕溝兩側(cè)高度差為0.8m,水平間距為5m.若忽略空氣阻力,取重力加速度g=10m/s2,摩托車水平飛出的速度至少要多大才能越過這個(gè)壕溝?摩托車剛好越過壕溝時(shí)速度方向與水平方向的夾角是多大?
設(shè)計(jì)意圖:層層推進(jìn),拾級(jí)而上.教師通過進(jìn)階問題1,利用運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立性去理解平拋運(yùn)動(dòng)在互相垂直的兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,從數(shù)學(xué)推理的角度上構(gòu)建平拋運(yùn)動(dòng)模型,從而使學(xué)生建立完善的平拋運(yùn)動(dòng)模型.使得學(xué)生對平拋運(yùn)動(dòng)的理解更加理性,知識(shí)體系趨于完善.
進(jìn)階問題2:2022年北京將迎來中國歷史上的第一次冬季奧運(yùn)會(huì).跳臺(tái)滑雪是冬奧會(huì)的傳統(tǒng)項(xiàng)目,其運(yùn)動(dòng)過程可以簡化成如圖4所示的模型.運(yùn)動(dòng)員從雪坡斜面頂端A點(diǎn)以不同的初速度水平飛出,分別落在斜面上B、C點(diǎn),AB=BC,落到B、C點(diǎn)對應(yīng)的起跳初速度分別為v1、v2,下落的時(shí)間分別為t1、t2,不計(jì)空氣阻力.
問題1:求兩次下落的時(shí)間之比.
問題2:求兩次落在斜面上時(shí)速度方向與斜面的夾角之比.
問題3:求兩次落在斜面上時(shí)速度的大小之比.
設(shè)計(jì)意圖:在進(jìn)階問題2中,初步建立起的科學(xué)模型放置到復(fù)雜的問題情境中,尋找速度方向與位移方向之間的聯(lián)系,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對知識(shí)的整合驗(yàn)證與運(yùn)用,有助于學(xué)生提高對復(fù)雜的平拋運(yùn)動(dòng)的判斷、分析和推理能力,進(jìn)而建立起平拋運(yùn)動(dòng)的完整模型,進(jìn)階實(shí)現(xiàn)能級(jí)提升.
2.4 進(jìn)階4(系統(tǒng)層級(jí))——從傳授知識(shí)轉(zhuǎn)向高階思維的進(jìn)階
系統(tǒng)層級(jí)設(shè)計(jì)要求教師除了針對知識(shí)設(shè)計(jì)的問題鏈以外,還應(yīng)具備知識(shí)轉(zhuǎn)向智慧的意識(shí),教師對問題鏈的設(shè)計(jì)更應(yīng)具備培養(yǎng)學(xué)生解決未知問題的關(guān)鍵能力和訓(xùn)練學(xué)生的未來改造自然的高階思維的意識(shí).
進(jìn)階問題3:如圖5所示,一長木板傾斜固定放置,其傾角為53°.一彈性小球A,從與木板上端等高的位置處自由釋放(h=8m),小球落到木板上反彈時(shí)速度大小不變,碰撞后小球沿水平方向飛出,小球恰好落在木板的底端,不計(jì)空氣阻力,取g=10m/s2.
問題1:小球與木板碰撞后的飛行時(shí)間.
問題2:碰撞點(diǎn)到木板底端的距離.
設(shè)計(jì)意圖:通過幾何圖形尋找平拋運(yùn)動(dòng)的位移或速度的約束關(guān)系,從而找到問題的突破口.設(shè)計(jì)本問題的出發(fā)點(diǎn)是鍛煉學(xué)生結(jié)合數(shù)學(xué)知識(shí)解決問題的能力,對學(xué)生高階思維的訓(xùn)練起到一定的積極作用.
進(jìn)階問題4:圖6為兩個(gè)棒球均以20m/s的初速度大小被擊出后的軌跡示意圖(每一條軌跡都可視為以相等速度向相反方向做平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡拼接而成),其中A、B軌跡分別對應(yīng)初速度方向與水平面成60°角和30°角.假定空氣阻力不計(jì),g=10m/s2.
問題1:兩個(gè)棒球的飛行時(shí)間之比.
問題2:軌跡A、B最高點(diǎn)距離地面的高度之比.
問題3:軌跡A、B對應(yīng)棒球的水平射程之比.
設(shè)計(jì)意圖:在知識(shí)上使學(xué)生對平拋運(yùn)動(dòng)的模型理解更為深邃,能力上不僅學(xué)會(huì)處理平拋模型,還了解斜拋運(yùn)動(dòng)的處理思路,達(dá)到知識(shí)能力的進(jìn)階,這個(gè)構(gòu)建過程不僅是知識(shí)的拓展,更是學(xué)生科學(xué)思維能力和核心素養(yǎng)水平的提升.
2.5 進(jìn)階5(整合層級(jí))——從解決物理問題向?qū)嶋H情境遷移
經(jīng)歷了水平1到水平4的問題鏈,學(xué)生從經(jīng)驗(yàn)出發(fā),經(jīng)歷去情境化、搭建理想模型、使知識(shí)大單元化、逐漸指向關(guān)鍵能力和高階思維培養(yǎng)等層層進(jìn)階問題.但僅僅這樣,思維水平或核心素養(yǎng)的能力仍未達(dá)到進(jìn)階問題鏈設(shè)計(jì)的“終錨”.學(xué)生利用之前系列問題習(xí)得的方法與策略,將解決問題的能力在未知的新的實(shí)際情境中展現(xiàn),這樣學(xué)業(yè)質(zhì)量水平才能達(dá)到學(xué)業(yè)水平5.
知識(shí)體系整合:壘球練習(xí)機(jī)是一個(gè)很好的輔助練習(xí)者練球的工具.圖7為練球機(jī)的實(shí)物圖,圖8為圖7的簡化示意圖.設(shè)球桌面ABCD的AB邊長為L1,BC邊長為L2,球網(wǎng)JK位于桌面的正中間,網(wǎng)高為h.發(fā)球機(jī)簡化為EF,其中E點(diǎn)固定在AB邊的中點(diǎn),F(xiàn)點(diǎn)為壘球發(fā)射點(diǎn),EF 始終保持豎直于AB,高度為H(可調(diào)).壘球看成質(zhì)點(diǎn),每次均從F點(diǎn)水平發(fā)射,發(fā)射方向可以在水平面內(nèi)任意調(diào)整.不計(jì)空氣阻力和周圍環(huán)境對壘球運(yùn)動(dòng)的影響,若球擦網(wǎng)而過時(shí)不計(jì)球和網(wǎng)之間的相互作用,不考慮壘球的旋轉(zhuǎn).
問題1:要讓壘球能越過球網(wǎng),求最小發(fā)射速率.
問題2:壘球的發(fā)射速率超過多少時(shí),壘球一定會(huì)落在邊界CD之外.
問題3:調(diào)整H和h的高度,若球以垂直于AB邊的方向發(fā)射能夠擦網(wǎng)而過后直接落到CD邊上,是否能適當(dāng)調(diào)整發(fā)射方向,只要是落在CD邊界上的球一定是擦網(wǎng)而過.
設(shè)計(jì)意圖:新情境問題側(cè)重于考查從具體的情境剝離干擾因素,建構(gòu)平拋運(yùn)動(dòng)模型,并綜合考慮各種約束因素的綜合分析問題的能力.高中生很多都有在游樂場游戲中獲取經(jīng)驗(yàn)的類似經(jīng)歷.解決這個(gè)問題的核心思維方式和策略與平拋運(yùn)動(dòng)模型,并沒有什么區(qū)別,但實(shí)際上,壘球機(jī)還涉及游戲規(guī)則和部分空間幾何知識(shí).完成這樣對科學(xué)思維水平有很高要求的新情境問題,才能表明學(xué)生達(dá)到學(xué)業(yè)水平5,到達(dá)預(yù)期進(jìn)階的終點(diǎn).
3 進(jìn)階難點(diǎn)的突破與核心素養(yǎng)的發(fā)展
問題鏈設(shè)計(jì)的中心工作,應(yīng)該是時(shí)時(shí)刻刻指向知識(shí)的重難點(diǎn),真真切切地立足于方法策略的持續(xù)生成,全力為解決學(xué)生存在的思維障礙設(shè)計(jì)“真問題”.
3.1 克服經(jīng)驗(yàn)思維,促進(jìn)科學(xué)思維發(fā)展
平拋運(yùn)動(dòng)是學(xué)生們接觸的第一個(gè)曲線運(yùn)動(dòng)模型,與直線運(yùn)動(dòng)的處理方法有很大的不同,因此平拋運(yùn)動(dòng)的教學(xué)重難點(diǎn)是克服直線運(yùn)動(dòng)教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)思維,幫助學(xué)生們在心理上接受并運(yùn)用運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立性和等時(shí)性來學(xué)習(xí)處理平拋運(yùn)動(dòng)問題.
在面對二維的平拋運(yùn)動(dòng)問題時(shí),學(xué)生們往往會(huì)依據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)作出判斷,為了打破學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)思維,可以通過“觀察傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行猜想并作出假設(shè)—通過實(shí)驗(yàn)主動(dòng)探究、分析實(shí)驗(yàn)中存在的誤差—得出規(guī)律”,利用科學(xué)探究過程培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力,進(jìn)而提升學(xué)生的邏輯思維能力,讓學(xué)生在探究中逐漸形成實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度,最終促進(jìn)學(xué)生的物理科學(xué)思維水平的提升.
3.2 關(guān)鍵概念理解,促進(jìn)迷思概念轉(zhuǎn)變
在平拋運(yùn)動(dòng)的教學(xué)中,各個(gè)不同的進(jìn)階層級(jí)中都有對應(yīng)的學(xué)生普遍表現(xiàn)出來的迷思概念,教師通過多角度考慮設(shè)計(jì)進(jìn)階變量,幫助學(xué)生扭轉(zhuǎn)迷思概念.
例如,將物體水平拋出,根據(jù)其規(guī)律可以推導(dǎo)物體運(yùn)動(dòng)的速度方向與位移的方向之間是有關(guān)系的,不過很多同學(xué)在學(xué)習(xí)時(shí),往往沒有意識(shí)到這一點(diǎn).為此,教師可以設(shè)計(jì)以下場景:第一,不同速度平拋的物體都落在水平面上;第二,不同速度平拋的物體都落在斜面上;第三,不同的物體一個(gè)落在斜面上,一個(gè)落在水平面上.
能回答出問題1的同學(xué),一定會(huì)認(rèn)為“初速度不同的平拋物體,其終點(diǎn)速度肯定不同”這個(gè)觀點(diǎn)的正確性;繼續(xù)看問題2,他會(huì)繼續(xù)按照問題1的規(guī)律來判斷,這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的答案.這就說明該學(xué)生的關(guān)鍵概念出現(xiàn)了偏差,這時(shí)再講授位移的方向和速度方向之間的關(guān)系,效果就會(huì)好很多.然后,再拋出問題3,這時(shí)學(xué)生就會(huì)考慮位移的方向是否一樣,從而去找速度的方向關(guān)系.至此,順利突破關(guān)鍵概念,促進(jìn)學(xué)生迷思概念的轉(zhuǎn)變.
教師預(yù)設(shè)的問題、學(xué)生學(xué)習(xí)過程中隨時(shí)可能產(chǎn)生的新問題(生成性問題)都應(yīng)該是問題鏈中的一環(huán),這樣持續(xù)用力推動(dòng)新老問題的聯(lián)系,有效地推進(jìn)學(xué)生自主構(gòu)建物理模型,最終形成物理觀念.進(jìn)階目標(biāo)應(yīng)是圍繞關(guān)鍵能力和核心思維設(shè)置的,問題鏈的設(shè)計(jì)要多層次地設(shè)計(jì)進(jìn)階變量,而不僅僅是為了達(dá)到上級(jí)部門學(xué)業(yè)考核的知識(shí)維度的進(jìn)階要求.
3.3 科學(xué)思維構(gòu)建,促進(jìn)核心素養(yǎng)形成
通過逐級(jí)進(jìn)階的學(xué)習(xí),學(xué)生構(gòu)建了平拋運(yùn)動(dòng)模型實(shí)現(xiàn)了物理觀念的提升,能夠運(yùn)用運(yùn)動(dòng)分解的方法,處理一般的平拋運(yùn)動(dòng)問題.教師可以通過創(chuàng)設(shè)不同的實(shí)際情境,通過逐級(jí)進(jìn)階幫助學(xué)生更好地整合科學(xué)概念,促進(jìn)學(xué)生物理觀念和科學(xué)思維的形成.通過貼近生活的體育比賽,如排球、網(wǎng)球等,排除干擾背景因素,提煉物理模型,結(jié)合比賽規(guī)則建立處理問題的思路,論證計(jì)算結(jié)果是否合理,甚至在將來學(xué)習(xí)能量、動(dòng)量之后需要綜合考慮的復(fù)雜局面.
4 結(jié)束語
在整個(gè)平拋運(yùn)動(dòng)的學(xué)習(xí)過程中,從學(xué)生已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)出發(fā),運(yùn)用進(jìn)階理論設(shè)計(jì)“五層進(jìn)階式”教學(xué)模式的問題鏈,形成環(huán)環(huán)相扣的問題,達(dá)成對概念逐“階”的建構(gòu),在解決問題鏈的過程中學(xué)生的科學(xué)思維能力得到逐漸提升.通過構(gòu)建學(xué)習(xí)進(jìn)階,較好地呈現(xiàn)概念的發(fā)展進(jìn)程,這樣既符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律,也可以促進(jìn)科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展.實(shí)踐證明,通過學(xué)習(xí)進(jìn)階下的問題鏈教學(xué),深化了學(xué)生的運(yùn)動(dòng)觀念、科學(xué)思維及科學(xué)探究能力,促進(jìn)了學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展.
參考文獻(xiàn):
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(收稿日期:2021-05-05)