基于“力与运动”观念的学习进阶教学实践研究

侯爱琴+邹志宇

摘 要：“力与运动”是多国科学课程内容中的核心概念。把“力与运动”牛顿运动定律这一章作为基于大概念的进阶教学实践活动内容，根据学生在“力与运动”这一核心概念处的认知障碍分布情况，在教学环节上提出基于学习进阶的改进，并进行基于学习进阶的教学实践。

关键词：力与运动；进阶；教学实践；大概念

一、研究设计

1.整体思路

常规教学：以学科课程标准、考试说明、人教版课本和教学参考书为主要备课依据，确定三维目标，为完成三维目标开展教学实践活动，并完成课后练习，最后参加检测。

基于学习进阶的教学研究设计：教师首先基于大概念的观念，确定本章知识的进阶关系，然后设计围绕核心概念的前测题（以了解学生的前有认知），分析确定学生学习认知中的台阶和迷思概念，进行教学设计，并设计相应的科学实践活动或教学环节，最后实施教学，通过后测，反思教学。

2.样本的选择

我们预设：我们高一共10个教学班，分为三个层次，1、2两个教学班是直升班，基础特别好，有部分学生已经提前学习了高中课程，所以此次教学实践没有选择该层次班级；3、4班是实验班，基础比较好，思维层次较好，本次选择4班为实验班，3班为对比班（但两个班不是同一任课教师）；5、6、7、8、9、10班为六个平行班，基础一般，思维层次一般，分属三位老师任教，本次选择6班、10班（同一位教师任课）作为实验班，其余5、7、8、9班作为对比班。

实际情况：对前测结果分析如表1，从前测中3班和4班、6班和10班的标准差、均分对比，可以看出：3班与4班没有明显差距，可以把3班选为对比班，4班选为实验班；6班和10班没有明显差距，选择6班为实验班，10班为对比班。（此为同一位任课教师，在前测和平时学业水平测试中两班均分、标准差分布基本处于同一层次）

二、基于大概念的牛顿运动定律这一章分析设计

1.整体预设

依据前测，明确学习进阶的“阶梯”。

经过对前测试题反馈的分析，确定在牛顿运动定律这一章，围绕“力与运动”这一大观念下的物理观念如下：

（1）物体在不受力或所受合力为零时，将保持匀速直线运动状态或静止状态；

（2）物体所受合外力不为零时，产生加速度；

（3）力的作用是相互的；

（4）运用牛顿运动定律研究物体受力与运动关系；

（5）力学单位制。

2.根据学习进阶需要，调整教学内容序列

3.根据学习进阶中学生迷失概念，重新整体设定章节的教学目标

把知识教学和能力教学作为两个核心要素，以“大观念教学”为核心，整体设定本章教学目标。

原课程标准中的目标要求：

知识目标：

（1）通过实验，探究加速度与物体质量、物体受力的关系；

（2）理解牛顿运动定律；

（3）用牛顿运动定律解释生活中的问题；

（4）通过实验认识超重和失重；

（5）认识力学单位制在物理学中的重要意义，知道国际单位制中的力学单位。

能力目标：

关于探究、认识、理解及其他能力培养均为隐性教学方式。

以大概念为核心的目标设定：

知识目标：

水平1：根据日常生活情境，归纳总结力与运动的关系；

水平2：利用已有的知识和科学推理方法，完成力和運动的逻辑推断；

水平3：根据受力情况，定性分析推断物体运动的变化趋势，或根据物体运动情况，分析推断受力情况；

水平4：确定力和运动的定量关系，并可以把推理过程和结果正确表达出来；

水平5：把“力与运动”纳入原有概念系统，面对各种真实情景，能有意识地从“力与运动”角度寻找关联，并分析、综合、解释、猜想、验证。

能力目标：

（1）探究、认识、理解；

（2）科学解释能力、科学推理能力的培养；

（3）从“运动与力”的关系角度思考问题的素养，采用显性教学方向；核心科学方法：控制变量法。

4.根据学习进阶理论，给学生搭建台阶，完成教学流程再造

5.围绕大概念教学，建立科学模型，完成概念进阶

6.教学环节对比

原教学设计：实验（伽利略理想斜面实验）：小球在U形斜槽中的运动。

设问：小球从某一高度沿斜面下滑时，有加速的现象，当小球到达斜面底端开始向上运动时，速度减小，小球最终所达到的高度将怎样？降低斜面的表面粗糙程度，小球所达到的高度将怎样变化？

合理外推，理想斜面：如果斜面是光滑的，小球又当如何呢？

实验3：斜面小球实验

①减小对接U形槽的一侧斜面的倾角，观察小球的运动情况。设问：看到什么现象？什么原因？

②再次减小对接U形槽的一侧斜面的倾角，重复实验。设问：又看到什么现象？什么原因？

③把该侧斜面倾角降为零度，水平放置，重复上面实验。设问：通过观察，同学们想一想，如果右面的斜面变成了水平面，小球将怎样？

合理外推，理想斜面：如果水平面上没有任何阻力，小球又将怎样？追问：这个情况该如何描述？

伽利略观点：如果该侧斜面变成水平面，并且没有任何阻力，小球将达不到原来的高度，就应永远运动下去。

综合提升：力不是维持物体运动的原因。

大胆猜想，理想实验4：如果轨道无限长，存在着一个小球不受任何力（包括重力）的环境，小球是怎么一直运动下去的呢，沿直线还是水平面呢？

笛卡尔支持伽利略“力不是物体运动原因”的观点，并且还强调没有力作用时物体的运动情况。endprint

笛卡尔观点：如果没有其他原因，运动物体将继续以同一速度沿着一条直线运动并且一直运动下去。

综合提升：没有外力，物体沿直线运动。

过渡：这应该作为一个原理加以确立，并且是整个自然界的基础。

基于学习进阶的教学设计：伽利略的理想斜面实验

实验1：小球在铺上毛巾的U形斜槽中运动，观察小球的运动。

实验2：小球在铺上绸子的斜槽中运动，再观察小球的运动。

问题：比较两次小球的高度，原因是什么？

实验3：小球在没有铺任何材料（相对光滑）的斜槽中运动，预测小球能达到的高度与前两次比会怎样？

合理外推到理想状态：如果斜槽光滑，小球又将运动到哪个高度呢？

实验4：减小一侧斜面的倾角，在相同高度释放小球，注意观察。

发现：小球运动到距离出发点更远的位置处。

实验5：进一步减小斜面的倾角，同一高度释放小球，小球运动的距离就会进一步增加，达到的位置就会更远。

实验6：使倾角减小到零，轨道位于水平面上，从同一高度释放小球，观察小球运动。

问题：假如斜面足够长，假如斜面没有摩擦，小球将如何运动？

回顾整个实验过程：

梳理研究思路：

实验事实：小球从斜面滑下，会滑到与之对接的斜面上；如果斜面摩擦因数逐渐减小，小球滑上的高度会逐渐升高；

理论外推：如果斜面摩擦因数减为零，小球会滑到与释放点等高处。

实验：如果把斜面倾角减小，小球会走较长的路程到达相应高度；继续减小斜面倾角，小球会走更远的路程，到达相应高度。

理想外推：当斜面倾角越来越小，接近于零时，右侧斜面将成为水平面，在满足理想化条件即不受外力和无限远时，小球将运动到无限远，即，小球要保持原来的匀速运动状态，直到有外力迫使它改变这种状态。

说明：理想斜面实验只是得到牛顿第一定律的外因，牛顿第一定律成立的内因则是由惯性所决定的。

在初中斜面实验的设计上，没有加右侧斜面，在高中，随着学生思维能力的提高，处理复杂问题能力的增强，实验中加设了右侧实验，其实是引入了能量的思想。

本理想化的实验，并非局限于现象的展示与外线操作，而是调动“极限”这一逻辑思维方法的参与，引导学生体验从“有限”到“无限”变化的质变，从而以合乎逻辑的方式导出理想化条件，帮助学生跨越初中的思维迷失断点。

三、对本研究的思考

1.对“学习进阶”教学设计与教学实践的反思

（1）教学设计中，针对学生迷思概念设计的进阶辅助还需要加强。其实牛顿第一定律和牛顿第三定律中为增进学生学习的进阶已经设计了不同的教学环节，比如牛一律中运用演示实验层层逼近理想斜面实验，牛三律利用传感器来突破“相互作用力的大小与运动状态无关”，但教师在学习进阶的对比教学中，另外的对比班级很难完全抑制同样思想的诱导，总会不自觉地把相关观念传递给学生。

学生从原有的认知水平发展到课标要求和教学目标预设的认知水平之间需要经过真实的进阶过程。进阶的过程可分为几种类型：①通过澄清迷思概念实现学习进阶。例如牛顿第三定律，学生学习前有許多迷思概念，如两个质量不一样物体间的相互作用总感觉质量大的作用力大，两个形变不一样的物体间的相互作用感觉不易形变的作用力大，两个相互作用物体间感觉主动物体的作用力大等，通过教学设计与实践引导学生澄清这些迷思概念，才能实现学生学习的进阶。

（2）对物理概念、规律理解的深入程度、综合程度实现学习进阶。例如牛顿第三定律，学生虽然在初中学习过作用力与反作用力的关系，但是基于物体与平衡状态理解，到了高中通过学习理解了物体处于非平衡状态作用力与反作用力关系仍成立；初中主要学习物体之间的作用力与反作用力关系，到了高中通过学习理解了物体内部不同部分之间的作用力与反作用力关系；初中主要学习弹力的作用力与反作用力关系，到了高中通过学习理解了磁力（引力与斥力）、摩擦力的作用力与反作用力关系等，理解更全面、更深入了。②对相关物理概念的关联性理解、知识结构发展实现学习的进阶。学生在初中学习牛顿第一定律和第三定律相对比较孤立，不明白两个规律间的关系。到高中后学生学习了牛顿的三个定律，实现了从整体上理解牛顿运动定律的体系。打好了牛顿运动定律的基础，以后的曲线运动、万有引力与天体运动、功与能、冲量与动量等问题便能顺利发展起来。③应用物体概念、规律解决实际问题实现学生能力发展的进阶。

（3）教学实践生成的问题，没有相应的预设进阶方法。在牛顿第二定律的进阶教学中，有很多需要进阶的辅助，但是受内容限制，理论无法一一讲清楚，如小桶及螺钉的质量要远小于被拉小车的质量时才能把小桶及螺钉的重力大小当作对小车的拉力，这个问题要等到学生学习牛顿第二定律、会解决连接体问题后才能明白。甚至平衡摩擦力，在实际操作中学生不平衡或不会平衡等实际操作的问题凸显出来，这也是因为设计前测试题时没有涉及相关题目，导致教师对学生的前认知没有准备。

2.对大概念教学的体会

牛顿运动定律相关知识均在“力与运动”这一大概念之下，这一章紧紧围绕着“力与运动”这根主线通过进阶实现牛顿力学体系的理论构建。牛顿第一定律定性说明力与运动关系，建立了力与惯性概念，确立了惯性参考系；牛顿第二定律定量说明力与运动状态变化的关系；牛顿第三定律则定量说明了物体间及物体内各部分间的相互作用关系。有了牛顿三个定律，人们便开启了认知惯性系中动力学规律的大门。所以英国诗人A.Pope这样赞誉牛顿：“大自然和自然定律都在黑暗中躲藏，上帝说，让牛顿来吧！于是一切都有了光明。”因此，大概念是教学进阶和学生学习进阶的核心主线。

实践“大概念”学习进阶，有利于学生在更大空间和更长周期内掌握物理学的研究方法和科学精神，有利于学生形成方法论和世界观。比如本章蕴含了丰富的物理科学方法，包括理想实验的方法、整体法与隔离法、控制变量法、图像法与化曲为直、极限分析法等。这些方法植根于物理科学，但可以在更广泛的自然科学甚至社会科学的研究中都能应用。比如其中的整体法与隔离法，其实也是我们认识客观世界的方法，比如我们想研究城市的雾霾，一定是既可以选择城市整体状况研究，也关注某些局部，所以这是一种思维的方法。在实际教学中因为整体法与隔离法需要转换研究对象，所以很多学生都分不清质量问题或者受力问题，但如果能从整体与局部的大观念入手，尤其解决两个物体加速度不同时所受外力问题，选用F合=m1a1+m2a2，可以使得思维更为深刻，解决问题的方法更为简单，过程更为简洁。

参考文献：

[1]翟小铭，郭玉英.构建学习进阶：本质问题与教学实践策略[J].教育科学，2015（2）.

[2]翟小铭，郭玉英.物理建模教学例析[J].物理教师，2015（7）.

[3]翟小铭，郭玉英.科学建模能力评述：内涵、模型及测评[J].教育学报，2015（6）：75-82，106.

[4]翟小铭，郭玉英.美国科学建模教育研究三十年概述及启示[J].全球教育展望，2015（12）：81-95.

[5]陈佩莹，中学物理课程中“力与运动”主题的核心概念进阶研究[D].北京师范大学，2013.

注：本论文为教育部人文社科类规划课题“基于科学概念学习进阶的教学设计模型研究”的阶段性成果，课题批准号：13YJA880022。

编辑 赵飞飞endprint