基于“学习进阶”的物理概念教学

柯晓露

摘 要：以“学习进阶”为理论依据，遵循学生的思维发展路径，制定“学习进阶”的起点、终点和节点，围绕学科核心概念建构物理概念。以“超重与失重”为例展示物理概念的教学过程，引导学生通过“加速度”概念的深化学习，进一步掌握学科核心概念“运动和相互作用”，培养学生的科学素养。并以此出发探讨中学物理概念教学。

关键词：学习进阶；概念教学；超重与失重

引言

教育部在2018年1月份公布了高中课程标准（2017版），这意味着新一轮的高中课程标准改革的正式实施。学生学科核心素养的培养是本次课程改革的关键环节。在物理教学领域，整合与发展是培养学生学科核心素养的重要方法。通过整合建构物理学科的概念体系，通过发展使学生随着学习进阶实现学科素养的进阶发展[ 1 ]。

1 学习进阶理论描述

从1980年起，人们在研究概念转变时，尝试将时间拉长，并对概念转变的模式整合，从而建构概念认知模型，这就是学习进阶研究的内容。学习进阶理论在美国教育界最先兴起，2012年，美国发布的《K-12科学教育框架：实践、通用概念及核心概念》使用“学习进阶”制定学生在各学段的学习目标。学习进阶是学生学习或者探究知识时，其思维方式的连续不断精致化发展的路径描述。学习进阶在围绕“核心概念”建构时，刻画学生不同层级的知识和能力，在深入探究的学习中实现学科素养的发展。学习进阶有以下的水平层级，不同的层级代表学生对科学概念的掌握程度：（1）低锚点，进阶的起点，即学生学习的前概念；（2）高锚点，进阶的终点，即学生要掌握的科学概念；（3）进阶节点，学生在达到进阶终点前的重要理解步骤[ 2 ]。

“学习进阶”实现以学生为本的教育理念，教师的教围绕学生的学进行，通过测试学生所处的进阶节点来调整教学方式和策略，这样的教学策略是高效的。

2 围绕学科核心概念建构物理概念

对客观事物的本质属性抽象概括称为科学概念，是学生学科素养的重要组成部分。科学概念分为4个层次，按思维水平层级从高到低依次为层次1“学科核心概念”、层次2“主题核心概念”、层次3“重要概念”、层次4“基础概念”，层次3“重要概念”又分为两个亚层次，“基本概念”和“关系概念”[ 3 ]。

学科的核心概念是学科结构的主干部分，在“学习进阶”理论中，应围绕学科核心概念建构物理概念，这样的学习逻辑严密成系统，能有效培养学生的学科素养，建立学科体系。

下面以普通高中物理课程标准（2017版）中“必修1”里的“相互作用与运动定律”主题下的“超重与失重”为例，谈谈基于“学习进阶”的物理概念教学。

3 以“超重与失重”为例的“学习进阶”教学

在利用“学习进阶”理论进行教学时，学生是否按照进阶假设进行学习的验证可通过测试和访谈来进行。

3.1 概念的界定

在“超重与失重”学习中，所要围绕的学科核心概念为“运动与相互作用”，这个学科核心概念涉及的领域非常广泛，即有力学领域，也有电磁学领域等。在层次1下的层次2主题核心概念为“力与运动的关系”，这是层次3基本概念“加速度”与“力”关联的建构。在“超重与失重”教学中，通过对概念之间的关联，提高学生对基本概念“加速度”和主题核心概念“力與运动”的理解水平，从而更深入掌握学科核心概念“运动与相互作用”。

在概念关联建构中，属于层次4“基础概念”，即影响建构的知识要素有质点、位置、参考系、时间、时刻、标量和矢量等。

3.2 “学习进阶”的终点

“超重与失重”在普通高中物理课程标准（2017版）内容要求中的1.2.3的描述为“通过实验，探究物体运动的加速度与物体受力、物体质量的关系。理解牛顿运动定律，能用牛顿运动定律解释生产生活中的有关现象、解决有关问题。通过实验，认识超重和失重现象。”新课标强调了建模的重要性，在“超重与失重”中，通过建模使学生更深入理解和掌握“加速度”这个基本概念。

在“超重与失重”中，学生通过建构模型加深对“加速度”这个科学概念的理解，如果没有引入加速度的概念，就无法定量描述机械运动和相互作用之间的关系，无法解释相关物理现象。要建构的模型为：物体在竖直运动中，当加速度向上时，物体的视重（物体对悬挂物的拉力或对支持物的压力）大于重力，产生超重现象，当加速度向下时，物体的视重小于重力，产生失重现象，当物体的加速度正好等于重力加速度时，视重为零，称为完全失重。

3.3 “学习进阶”的起点

在学习“超重与失重”前，通过分析学生的认知水平可以知道，学生有以下的前概念，也就是“学习进阶”的起点如下：

（1）学生已学过“重力”和“弹力”的概念，经历质点运动的建构过程，对“机械运动”和“相互作用”概念有了一定层次的掌握。

（2）学生已学过牛顿三大定律，理解加速度和受力、质量之间的关系。

（3）学生混淆视重与实重之间的关系，有认为超重和失重就是物体自重增加和减少的错误观念。

（4）学生可能会把超重、失重与运动方向即速度方向联系起来。

在教学之前，可对学生进行一个前测，掌握学生的认知水平，从而更有效地进行教学。

3.4 “学习进阶”的节点

在“超重与失重”的教学建模中，应按学生的思维发展进行建模，让学生亲身体验建模过程。在学生的思维发展过程中，有几个关键的理解步骤，也就是“学习进阶”的节点，教师应清晰认识到这几个节点，引导学生的思维路径顺利走到最后的终点。学生在参与建模的过程中，可以真正使知识内化。

3.4.1 节点一：超重与失重不是物体自重的改变

在这里，可以设置如下情境：

情境1：把纸带对折挂上钩码，只用一只手能否把纸带拉断？

情境2：把一条橡皮筋套在手指上，挂上钩码，上下运动，感受手指的受力。

情境3：在体重计上站起、下蹲，观察示数变化。

在情境1中，大部分学生基于前概念建立起拉力等于重力的模型，如图1所示，会回答一只手是不能拉断纸带的。这时通过实验引起学生的认知冲突，学生原有知识不能解释实验现象时，必须修改模型。

在情境2和情境3中，学生同样会建构如图1的模型，通过手指受力感受钩码所受的拉力的改变和观察体重计示数的变化，给学生提供定性直觉理解的机会，这是一种类比架桥的策略。

通过实验和引导，学生建构起如下模型：物体自重不变，在向上或向下运动过程中，拉力或支持力会产生变化，引起超重或失重。

3.4.2 节点二：超重和失重与物体的运动方向，即速度方向无关。

进一步分析情境3，观察体重计的示数变化。

教师提问，在什么情况下会引起超重或失重？大部分学生会把超重和失重与物体运动方向，即下蹲或站起联系起来。学生通过实验观察回答问题时将会互相冲突，有些人回答下蹲示数变大超重，站起示数变小失重，有些人回答下蹲示数变小失重，站起示数变大超重等等。学生会建构如图2的物理模型：

最后，学生通过认知冲突了解到，超重和失重与运动方向，即速度方向无关。以上的模型建构存在问题，必须修改。很显然，用速度方向无法解释超重和失重。

3.4.3 节点三：超重和失重的产生条件为物体在竖直方向上运动的加速度a的改变。

引入影响因素加速度a应非常慎重，应按照学生的思维路径引导引入。教师可设置如下情境：

情境4：坐电梯的时候，电梯在上升和下降过程中感受超重和失重。

在情境4中，教师用拉力传感器提升下降重物模拟坐电梯。如图3所示：

学生通过传感器产生的图象，发现了超重和失重的产生条件为物体在竖直方向上的加速度a。并引入牛顿第二定律，最后建构了科学模型（图4）。

通过对“超重与失重”的学习，学生对基本概念“加速度”有了更进一步的掌握。通过解释“超重和失重”現象，对“加速度”概念的意义进行了进一步的建构，促进了“加速度”概念内涵的深化和外延的拓展，并对“力”和“加速度”这两个概念的关联做了进一步的建构。从而使学生更深入掌握主题核心概念“力与运动”和学科核心概念“运动和相互作用”，培养了学生的学科素养，达到了教学的目的。

4 反思和建议

在实际教学中，有如下的教学建议：（1）为确定学生的认知水平，有必要要求学生进行定型推理和口头解释，阐明自己的观点；（2）某些概念的理解和突破难以用口授的教学方式来解决，在关键节点上，必须在设定的情境中，以多次质疑的方式来解决；（3）学生应参与到概念定型模型的建构中来。

通过课例可以看出，利用“学习进阶”理论进行概念教学，能顺应学生的思维发展，对建构物理模型，掌握学科核心概念，培养学生的学科素养有较大的作用，从而达到了物理学科的教学目的。

在物理教学中，应从课标和书本内容中提取所要教授的“重要概念”，并围绕“学科核心概念”进行教学。从学生的认知水平出发。分析“学习进阶”的起点、节点和终点，从而使学生的认知沿思维路径展开，建构科学模型。

参考文献：

[1]郭玉英，姚建欣，张静.整合与发展——科学课程中概念体系的建构及其学习进阶[J].课程.教材.教法，2013，33（2）：44-49.

[2]陈小红，罗琬华.构建物理概念习得的学习进阶[J].中学物理教学参考，2014，43（8）：8-11.

[3]张玉峰，郭玉英.科学概念层次分析：价值、变量与模型[J].物理教师，2015，36（11）：2-10.