基于学习进阶理论下的原始问题教学设计策略研究

卞志荣 刘 琦 薛丽娟

(江苏省天一中学，江苏 无锡 214101)



·教材与教法·

基于学习进阶理论下的原始问题教学设计策略研究

卞志荣 刘 琦 薛丽娟

(江苏省天一中学，江苏 无锡 214101)

学习进阶不同于“内容进阶”,它要求我们更加关注学习时的思考方式以及怎样思考．由于进阶的非自发性,教师在教学设计时必须分析学生学习这一主题时的进阶起点和进阶目标,寻找适合学生学习进阶的最佳途径,设计利于学习进阶的有效活动,实现系统构建知识上的进阶和思维更快更好地发展．

学习进阶； 原始问题； 教学设计； 进阶策略； 思维发展

2005年由美国国家研究委员会(NRC)提出的“学习进阶”理论已成为国际科学教育领域研究的热点之一,越来越受世界各国教育界的广泛关注．该理论基于标准的科学评估体系,必须考虑学生的理解是如何发展的以及各学段学生应分别获取哪些科学知识和能力，并将学习进阶定义为“学习进阶是描述学生对于某个主题连续的、更加熟练的思维方式,这些思维方式能随着学生对某个主题的学习和探究依次发展．”

一般来讲,学习进阶是一组水平层次,这些层次描述了对一些科学概念理解的熟练程度．最高层级通常称作“高锚点”(upper anchor),它代表了我们期望学生学习达到的理解水平,通常它的确定可以依据课程标准和教学大纲．最低层级通常称作“低锚点”(lower ahchor)，它代表了学生进入课堂时已达到的理解水平．在“高锚点”和“低锚点”之间存在着“凌乱区间”．教学就是学生在教师的指导和帮助下,从最初的理解发展到科学理解,实现由“低锚点”向“高锚点” 转移．

1 学习进阶要求我们应关注学生学习时的不同思考方式

学习进阶的“阶”代表了学生不同的思考方式,而不是简单地是否获得了某个知识．换句话讲,在更高层级“阶”上的学生并不是比更低层级“阶”上的学生知道得更多,而是他们对内容的理解方式存在着差异．从“学习进阶”的理论出发,必须根据科学概念间的内在逻辑关系理清学科知识间的层次关系,构建层次清晰的知识结构;必须根据学生认知思维发展“进阶”的特点,构建基于学生视角的、清晰的“阶”．为此,教师要善于发现学生对学习主题的不同思考角度和方式,有针对性地设计问题的“阶”,促进学生思维更有效地发展．

下面通过学生对原始问题作答情况来分析学生的不同思考方式．

原始问题.一辆汽车陷入郊外的泥坑中,四周空无一人,只是在不远处有一颗大树,现在车内仅有一条足够长、足够结实的绳子．请问司机如何才能运用自己的力量把车从泥坑中拉出来?要求写出完整的解决方案．

本试题的测试对象是我校高一强化班的97位学生,其中男生64人,女生33人,回收的97份答卷情况是:说得通但不管是否行得通有较为完整的方案87人,无方案的有7人,均为女生．各种方案统计如下.

方案1： 用单股绳一端系在车前端,绳跨过树叉拉绳另一端．采用此方案有9位学生．

方案2： 用单股绳一端连在车前端,绳绕过树干,人在地上拉绳另一端．采用此方案有12位学生．

方案3： 用单股绳一端连在车前端,绳绕过树干,人坐在车上拉绳另一端．采用此方案有7位学生．

方案4： 把单股绳的一端拴在树干上,绳穿过车前的铁环或钩子,拉绳的另一端．采用此方案有8位学生．

方案5： 绳的一端系在车前端,绳绕过树干再回绕到车身,再绕过树干,再绕过车身,来回若干次,人拉绳的另一端．采用此方案有22位学生,全部都是男生．

方案6： 用单股绳一端系在车前端,另一端拴在树干上,人在绳的中点水平拉绳(有1人是向上拉,有1人是向下踩).采用此方案有13位学生,其中女生有3位．

方案7：把绳子一端拴在树干上,另一端系在车轮上,利用车轮转动时缠绳获得较大力来拉车.采用此方案有2位学生．

由以上统计可以看出,男生有方案的比例高于女生,无方案的比例女生明显高于男生,是否能说明男生善于观察生活,善于动脑筋、想办法解决实际问题;对于方案5竟然有22位学生且全部是男生,能否说明男生对于初中所学的简单机械内容留在大脑中的比较多,相反女生遗忘得比较快;但在方案6中男生和女生的比例比较接近,是否能说明男女生对现学知识的及时应用能力差不多．

那么,学生为什么会设计出这些不同方案呢?他们是如何思考的呢?现分析如下:绝大部分学生审题还是比较认真的,能抓住问题中只有大树和一条足够长、足够结实的绳子,树可以拴绳,可以缠绳,有树枝可以作为支点等;绳可以拉物体,也可以缠物体等基本用途,结合初高中物理所学知识和大脑中已有认知，例如，(1) 有力作用就能拉动物体; (2) 力不够大,在汽车上多绕几圈,力就能变大几倍; (3) 力太小应用动滑轮能放大对物体的作用力; (4) 利用合力与分力的大小关系,分力可以大于合力等,尽管方案1、2、3、4有力作用在车上,实际就是人直接拉车,那肯定拉不动,说明学生在设计方案时考虑问题不够全面,缺乏生活经验,一般小汽车大约也要有1.3t左右,靠一个普通人直接从泥坑中拉上来是不可能的;而方案5看似绳子绕过车子很多圈,其实拉力并没有得到放大,当然也拉不动车;只有方案6才是可行性方案,而方案5是否可能呢?

后来我们又呈现了相对应的物理习题让学生定时练习,再来看看学生的作答情况．

图1

习题.为了把陷在泥坑里的小轿车拉出来,司机用一条结实的绳子把小轿车拴在一棵大树上(俯视图如图1),开始时车与树相距12m,然后在绳的中点用400N的力沿与绳垂直的方向拉绳,中点被匀速拉过60cm．假设绳子的伸长量可以不计,求小轿车受到的拉力的大小．

当堂测试后收回答卷共96份,只有3人做错,正确率为96.9%．这是否能说明我们的学生做习题比较擅长,而对实际问题的分析、解答能力明显不足．出现这种现象是不是我们的教学导致的、是不是应试教育带来的必然结果呢?在全社会都呼吁培养学生创新能力的时候,我们作为教育工作者该做些什么?深层次的教育改革要求我们的教学不能再惟考施教,应着力学生的能力发展,跳出课本,走出课堂,联系实际,大家也应呼吁高考应加大对原始问题的考查力度．

2 学习进阶要求我们应关注学生学习时怎样思考

学习进阶理论认为要关注学生怎样思考,不仅仅是关注将某一个知识主题按照知识的逻辑结构分成不同的等级,更重要的是要关注学生的“错误思考”,因为这更能有效地刻画学生在特定层级的思考方式,尤其是在“凌乱区间”,更能描述来自学生视角真实而有效的思维特征．教师只有知道学生在学习物理的5个阶段“事实、映射、关联、概念、整合”中物理概念和思维水平进阶的变化情况,才能设计出有利于学生进阶的内容、问题和活动形式．为此我们又呈现了一组原始问题和习题进行诊断性的了解,通过测评学生目前所处的学习阶段,思维发展的层级,有助于学情分析,教学手段优化,教学过程优化．

原始问题.在某市近郊公路上发生了一起交通事故,据目击者描述:一辆小汽车在平直公路上向东匀速行驶,一位游客正由南向北从斑马线上横穿马路,司机发现前方有危险,紧急刹车,仍将正在步行的游客撞伤,汽车最终停在某处．假如你是警察,能否根据现场留下的一系列痕迹,推算出肇事汽车是否超速行驶?你需要分析哪些数据?

由统计可知,学生对同一个问题的思考大不一样．

2.1 就加速度的获得大致有以下几种思考

(1) 由汽车性能参数查出刹车加速度a;

(2) 查出轮胎与路面的动摩擦因数,由a=μg求得;

(3) 用警车测试得到a;

(4) 用肇事汽车测出刹车加速度a．

表1

2.2 关于刹车时间的获得大致有以下几种思考

(1) 不查也不测就假设;

(2) 查监控录像记录获得;

(3) 通过测定行人的位移和估算行人速度求得；

(4) 车上掉落物件做平抛运动计算出．

2.3 方案设计存在的主要问题

(1) 绝大部分学生没有考虑驾驶员的反应时间,说明物理过程分析不详或实际生活经验不够丰富．

(2) 交通肇事的判定人命关天,不能误判,不仅要严肃、且要精确计算而不能估算．像假设行人速度1m/s,假设刹车加速度等都是不科学的．

(3) 思考问题过于理想化、简单化,生搬硬套,只要能得到公式中的某个物理量,就不考虑是否符合实际,是否可以直接获得,如刹车时间,刹车加速度等.

为了比较学生在解决原始问题与习题的思维差别,我们在这之后又让学生练习了相对应的物理习题.

习题.如图2所示,在某市近郊,一辆小汽车在平直公路上向东匀速行驶,一位游客正由南向北从斑马线上横穿马路,司机在A处发现前方有危险(游客在D处),经0.7s作出反应,紧急刹车,仍将正步行至B处的游客撞伤,该汽车仍保持匀减速直线运动在C处停下,为了判断汽车司机是否超速行驶,警方派一警车(和汽车行驶条件相同)以法定最高速度vm=14m/s,行驶在同一路段,由于事前有思想准备, 司机在肇事汽车的起始制动点A紧急刹车,经14.0m后停下来,现测得AB=17.5m，BC=14.0m，BD=2.6m,试问肇事汽车的初速度是多大?有无超速?

图2

好多学生见到该题都有恍然大悟之感收回试卷共93份,解答的正确率达到68.5%,还是远高于原始问题的正确率,具体情况如表2.

可以看出，学生知识进阶好于思维进阶,这为我们今后的教学指明了努力和改进的方向．

表2

3 学习进阶要求我们优化构建学习进阶的方法和途径

构建学习进阶的方法和途径有许多,在实际教学中我们可以根据学生对问题的解答情况来构建学习进阶是一种行之有效的途径．通过分析统计大量学生对某一个问题或某一类问题的作答情况,从中发现学生思维方式的缺陷和凌乱,或对某一个知识概念、方法的理解透彻程度,来确定下一阶段学习需要进的“阶”．由于“阶”的确立是非常复杂的,比较理想的办法是通过开放性的问题来测试学生,它能比较真实地反映学生的想法．

而原始问题是自然界及社会生活、生产中未被抽象加工的典型现象．它具有客观真实性、生态性、隐蔽性和迁移性、开放性的特点,非常适合了解学生概念理解和方法应用的思维层级．

例如,在学习“静摩擦力”时,核心概念是静摩擦力的方向，书上短短一句话：总是沿着接触面,并且跟相对运动趋势的方向相反，然而学生真正理解此概念,顺利实现学习进阶存在两大思维障碍,其一是相对运动趋势方向的判断;其二是静摩擦力发生在相对静止的物体之间,不管对地是运动还是静止．为此,教学中为了了解学生对静摩擦力概念的理解程度,我们让学生分析解决一组生活类原始问题.

图3

原始问题1.如图3所示,A是主动轮,B是从动轮,它们通过不打滑的皮带传动,轮的转动方向见图3．P、Q分别是两轮边缘上的点．则关于P、Q所受的摩擦力的判断正确的是

(A)P所受的是静摩擦力,方向向上.

(B)P所受的是滑动摩擦力,方向向下.

(C)Q所受的是静摩擦力,方向向下.

(D)Q所受的是滑动摩擦力,方向向上.

设计意图:通过较为简单的试题呈现形式——有序的“阶”项选择题,这里的“阶”我们认为有两个,一个是P和Q处所受摩擦力是静摩擦还是滑动摩擦;另一个是“滑动摩擦与静摩擦”判断方法的不同．通过学生的回答来捕捉各种可能的答案,然后我们可以根据答案来推断学生思维遇到的困难,判断其所处的学习进阶层次: (1) 一部分学生对主动轮和从动轮的区别模糊; (2) 对静摩擦力和滑动摩擦力的产生条件认识不足,认为运动的物体受滑动摩擦,静止的物体受静摩擦; (3) 即便认识到P、Q处受到的是静摩擦,也无法判断相对运动趋势方向等．

根据上述原始问题作答情况的分析,我们知道学生对静摩擦力概念理解的思维层级还不高,为此我们又设计了以下较为类似的问题让学生讨论交流,以便更有效地实现这一概念的学习进阶．

原始问题2.请分析人骑自行车前进时前后轮所受的摩擦力方向．

原始问题3.若人推着自行车前进时前后轮所受的摩擦力方向怎样?

原始问题4.试分析人走路时前后脚受到地面的摩擦力方向．

原始问题5.家用轿车一般是前驱,你能分析出汽车正常行驶中前后轮受到摩擦力的方向吗?

4 学习进阶要求我们灵活设计有效教学活动

学习进阶并非是一种自发发展的过程,要求我们在教学时,应积极寻找最佳的教学序列并精心设计教学活动,以促进进阶的发生．由于学习进阶的路径并非唯一,在学习进阶过程中多种进阶路径的出现都有可能,关键是有效度、达成度如何．在构建学习进阶的课堂教学过程中,要紧紧围绕思维进阶这个主旋律,依托层次清晰的知识逻辑结构,科学系统地搭建基于学生视角的、清晰的“阶”,激发情感进阶,引发问题进阶,驱动思维进阶,促进能力进阶,实现学习的有效进阶．

在高一新授课学习“弹力”时,为了观察刚体的微小形变,绝大部分教师都做了普通高中课程标准实验教科书必修1(人教版)第56页“问题与练习1”扁玻璃瓶实验,而且都是千篇一律的做法:向瓶扁的方向用力压瓶可观察到透明细管中水面明显上升,从而说明玻璃瓶发生了微小形变,匆匆实验,草草而过．而笔者在做此实验时,将它精心设计成系列原始问题让学生自主探究解决,有效地实现了实验和思维的积极进阶．其流程如下.

第1步,手举装有透明细管的扁玻璃瓶,让学生观察瓶的特征,猜想细管的作用.

第2步,教师向瓶扁的方向用力压瓶,让学生观察,说出看到的现象.

第3步,提出问题:为什么细管中水位上升?让学生思考并回答.

第4步,交流结果:大部分学生认为是玻璃瓶发生形变造成细管中水位上升,但有学生持不同看法,认为是手的温度高于瓶中水的温度,热胀冷缩现象造成细管中水位上升.

第5步,会不会是热胀冷缩现象起主要作用呢?如果不是,你有什么方法加以证明呢?

有学生很快拿出了方案:换用比手温高的热水做同样的实验,仍然可以看到细管中的水位上升,笔者按此学生的方法换用热水进行实验,果然如此,从而排除了由于热胀冷缩现象导致水位上升的结论．

但可能是由于学生生活经验的不够丰富,或者是不能把学过的数学知识很快迁移到具体问题中,没有学生想到第2种更加简便的方案即向瓶子长的方向用力压瓶子,瓶子截面积就变大(因为周长一定时以圆的面积最大),管中水位下降,立即排除了热胀冷缩所致．

这样的教学设计不仅让学生看到了物体的“微小形变”,更重要的是通过问题的拓展,较好地促进了学生知识有效学习的同时,拓宽丰富了学生科学探究的思路和用实验处理问题的思维能力的有效进阶．

再如,笔者在讲解这样一道习题时,趁势提出了系列原始问题让学生进行讨论,不仅使学生对习题的处理方法的进阶更加牢固,还使得学生通过习题得到的结论及时应用于实际生活而尝到了成功的喜悦,实现了知识、能力和情感的有效进阶．

习题.如图4所示,晾晒衣服的绳子长为L,两端分别固定在两根竖直杆上的A、B两点,若两杆之间的距离为d,且绳子的质量及绳与衣架挂钩间摩擦均忽略不计,衣服处于静止状态,求绳中张力．

图4 图5

原始问题1.若一阵恒定的风吹来,衣服受到水平向右的恒力而发生滑动,并在新的位置保持静止.则绳的张力如何变化?

原始问题2.若晒衣服的绳子离地面比较低,现要晾晒一件长大衣就会碰到地面,你有什么办法解决这一问题?在你提出的方案中绳子张力与原来比较会不会发生变化?

可见,通过问题由浅入深的渐进式学习,学生的思维能力有了明显的进阶．

最后,需要提醒大家注意的是，学习进阶不同于内容进阶．“内容进阶”是指学生学习特定的、有序的学习内容,而学习进阶是指学生如何思考这些内容的思考过程和思考方式．低端的教学设计更多的是关注教学内容的进阶,而高端的教学设计应该是在设计教学内容的同时,更加关注学生对此问题思考的层级,关注学生对主题学习进阶的“低锚点”在哪里,“高锚点”是什么,通过你的教学在每一个环节中使大部分学生达到什么层级,从而预设层次分明的“阶”,最大限度地实现学生学习的有效进阶．

1 (美)Alica C.Alonzo,翟小铭.学习进阶:描述学生思维发展的有效方式[J].物理教师,2015(11):73-76.

2 曹会,牛振华.巧设实验主线 凸显学习的“有效进阶” [J].中学物理教学参考,2016(8):24-28.

3 吕含吟,邵韬.如何应用“学习进阶”改进高中物理教学设计[J].中学物理,2016(3):68-69.

4 卞志荣,方洪. 加强原始问题教学 提升学生思维品质[J].物理教师,2016(4):6-9.

本文为无锡市教育科学“十二五”规划重点课题“高中物理原始问题教学与实践研究”(课题批准号:C/B/2013/002)阶段性研究成果.

2016-11-30)