基于学习进阶理论的物理教学设计*
——以“重力势能”教学为例

(西北师范大学教育学院,甘肃 兰州 730070)

1 引言

初中阶段学生已经对重力势能有了定性的认识,重力势能是学生学习机械能守恒定律的基础。高中阶段在重力势能的教学中,教师应该关注重力势能概念的演变、学生思维的发展。学习进阶的理论是根据学生学习情况、教学内容以及教学目标确定最近发展区,划分出不同的学习阶段,通过对每一学习阶段的描述,呈现需要学习的知识和所要达到的思维水平。依据学习进阶理论进行教学设计,知识之间的内在联系更加紧密，有利于教师根据学生的实际水平设计符合学生思维发展的教学过程。笔者在学习进阶理论的引领下,对重力势能的教学进行设计。

2 学习进阶理论

美国国家研究理事会(NRC)将学习进阶定义为:学习进阶是对学生连贯且逐渐深入的思维方式的假定描述,在一个适当的时间跨度下,学生在学习和探究某一重要的知识或者实践领域时,其思维方式逐渐进阶[1]。

学习进阶理论强调学生对某一主题的概念学习需要分阶段(或者学段)进行,每一阶段对该概念的学习都是在前一阶段的基础上进行加深或延展。学习进阶是对“应该为学生设定怎样的学习路径”这一问题的探索，其描述的学习路径是学生在学习某一主题的概念时,思维所遵循的连贯的、由简单到复杂的轨迹。这条轨迹由一系列相互关联的、存在前后顺序的概念组成,为学生提供学习图景。指出先学什么、后学什么,先学的知识成为后续学习知识的基础[2]。

3 基于学习进阶理论的“重力势能”教学设计

王较过、赵萍萍认为由于年龄和认知能力发展水平的限制,中学生对核心概念的学习不可能一步到位,必须经历一个循序渐进,由浅入深,逐步深化的过程,这个过程不但表现为核心概念的学习进阶,而且是可持续学习的基础。高中生在初中时已经学习过重力势能的概念,但是不够深入,需要进一步学习。然而,概念的学习并非线性的,学生需要不断地在新情景中重温概念,以深化对概念进一步的理解[3]。

3.1 教材分析

重力势能是学习机械能守恒定律、应用能量观点解决物理问题的基础，因此重力势能的教学是本章的重点。物体由于被举高而具有重力势能,物体在被举高的过程中重力做功,重力做功的过程就是重力势能变化的过程；然后通过分析，总结重力做功与路径无关的特点；构建重力势能的概念，推导出重力势能的表达式；进一步讨论重力势能具有相对性，重力势能为物体与地球系统所共有。

3.2 学情分析

高一学生在初中阶段已经对重力势能有定性的认识，随着学生知识的增长、思维的发展,高中生对重力势能的认识将由定性上升到定量，在对重力做功与路径无关的特点的认识基础上，推导出重力势能的表达式。学生应用能量观点分析、解决物理问题存在很大困难,主要表现在对研究对象的选择和物理过程的具体分析上。

还有学者对二语习得中影响语言迁移的社会因素进行大量的研究，找到影响语言迁移的因素，即年龄、性别、文化水平、社会地位、民族等因素都会影响语言迁移的发生。

3.3 进阶目标

《普通高中物理课程标准(2017年版)》对重力势能的教学基本要求是：理解重力势能。知道重力势能的变化与重力做功的关系[4]。学习本节内容后，学生要能理解重力势能的概念、重力势能的表达式,会计算物体的重力势能,知道重力势能的变化与重力做功的关系。

3.4 进阶起点

《义务教育物理课程标准(2011年版)》对重力势能的教学要求是：知道势能。通过实验,了解动能和势能的相互转化。举例说明机械能和其他形式能量的相互转化[5]。因此,高一学生在学习重力势能之前，已经知道：受到重力的物体被举高后所具有的能叫做重力势能。物体质量越大,位置越高,它做功的本领就越大,物体具有的重力势能就越大。在教学中要引导学生利用做功的一般表达式W=Flcosα，推导出重力势能的表达式。

3.5 进阶层次划分与主要教学活动设计

进阶第一层次——探究重力势能与哪些因素有关？

在透明的容器内装上细沙。

图1

实验二:用大小不同的两个钢球从同一高度释放,观察两个钢球落在细沙中的深度。

实验现象:在实验一中,钢球释放高度越大,钢球落在细沙中的深度越大;在实验二中,质量大的钢球落在细沙中的深度大。

结论:重力势能与物体的质量和高度有关,质量越大、高度越高,重力势能就越大。

进阶第二层次——探究重力做功与什么因素有关？

质量为m的小球,从高度为h1的位置A,运动到高度为h2的B处,在以下三种情景中重力对小球各做了多少功(如图1、图2、图3)？

图2

图3

情景一:重力做功WG=mgh=mgh1-mgh2。

情景二:重力做功WG=mgLcosθ=mgh=mgh1-mgh2。

情景三:重力做功WG=mgΔh1+mgΔh2+mgΔh3+…=mgh=mgh1-mgh2。

结论:重力做功只与物体的初末位置有关,而与运动路径无关。重力对小球做的功WG=mgh=mgh1-mgh2。

进阶第三层次——建立重力势能的概念。

在进阶第一、二层次的基础上,根据“功是能量变化的量度”可知“mgh”必然是一种能量,且是与物体质量和位置相关的能量,物理学中把这种能量叫做重力势能(物体所受重力与所处高度的乘积),用EP表示,即EP=mgh。

说明:① 重力势能的单位:焦耳(J);② 重力势能是标量;③ 重力做功与重力势能的关系:重力做的功等于物体重力势能变化量的负值(用EP1、EP2分别表示物体初、末状态的重力势能),则WG=-(EP2-EP1)。

进阶第四层次——重力势能的相对性和系统性。

高度具有相对性，重力势能与高度有关,因此,重力势能具有相对性。所选参考平面(参考平面的选取是任意的,通常选取地面为参考平面)不同时,同一物体的重力势能不同。重力势能与重力有关,重力是地球与物体之间的相互作用,因此重力势能是物体与地球组成的系统共有的,而不是地球上某一物体单独具有的能量。

4 结论

基于学习进阶的理论对重力势能的教学设计,将知识进行细化,

知识之间的逻辑性更强,将重力势能的教学过程划分为四个进阶层次,层层递进,逐步进阶,引导学生建立重力势能的科学知识。基于学习进阶的理论进行教学设计,可以推广到其他物理知识的教学设计中。

[1] 郭玉英,姚建欣.基于核心素养学习进阶的科学教学设计[J].课程·教材·教法,2016，(11):64-67.

[2] 刘晟,刘恩山.学习进阶:关注学生认知发展和生活经验[J].教育学报,2012，(2):81-87.

[3] 王较过,赵萍萍.概念图在中学物理核心概念学习进阶的应用[J].中学物理教学参考,2015，(11):2-6.

[4] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准(2017年版)[M].北京:人民教育出版社,2018:15.

[5] 中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准(2011年版)[M].北京:北京师范大学出版社,2012:21.