基于学习进阶的教学设计

(西北师范大学教育学院,甘肃 兰州 730070)

基于学习进阶的教学设计

吴宏伟焦振兰王玥

(西北师范大学教育学院,甘肃 兰州 730070)

笔者基于学习进阶的理论研究,对人教版高中物理必修2“动能与动能定理”一课进行教学设计。在学生原有认知的基础上,遵循学生思维发展的过程,将“动能与动能定理”的学习过程进行细化,逐渐进阶、层层递进,最终在教师的引导下，使学生建构关于“动能与动能定理”的科学知识。

学习进阶;教学设计;动能;动能定理

1 引言

在初中阶段学生已经对动能有了定性的认识,“动能与动能定理”作为高中物理教学的重点之一,是学生必须掌握的知识,也是学生后续学习物理的基础。

在“动能与动能定理”的教学中,教师应该关注动能概念的演变和学生思维的发展。学习进阶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,来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时,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指引下,设计了“动能与动能定理”教学。

2 学习进阶理论概述

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,先学的知识成为后学知识的基础[2]。

3基于学习进阶理论的“动能与动能定理”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[3]。高中生在初中时已经学习过动能的概念,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,学生需要不断在新情景中重温概念,以深化对概念进一步的理解。

3.1 教材分析

动能定理是功能关系的重要体现,是解决动力学问题的重要原理之一,是高考考查的热点内容,因此学好动能定理对每个学生都很重要。

3.2 学情分析

高一学生学习“动能与动能定理”之前已经对动能有定性的认识。随着学生知识的增长、思维的发展、概念的演变,高中相对初中对动能的认识由定性到定量,在恒力做功与速度变化相关的基础上，推导出动能定理。学生对于分析、综合和解决实际问题存在一定困难,主要表现在研究对象的选择和物理过程的分析,以及用能的观点来分析物理问题等。

3.3 进阶目标

《普通高中物理课程标准(实验)》对“动能与动能定理”的教学基本要求是：通过实验,探究恒力做功与物体动能变化的关系；理解动能和动能定理。用动能定理解释生活和生产中的现象[4]；学习本节内容后，学生应理解动能的定义,知道动能的表达式,会计算物体的动能,理解动能定理及其推导过程,会应用动能定理解决具体问题。

3.4 进阶起点

《义务教育物理课程标准(2011年版)》对动能的教学要求是：知道动能；通过实验,了解动能和势能的相互转化[5]。因此,高一学生在学习“动能与动能定理”之前，已经知道：物体由于运动具有的能叫做动能。质量相同的物体,运动的速度越大,它具有的动能就越大;运动速度相同的物体,质量越大,它具有的动能就越大。在外力做功与速度变化有关的基础上,引导学生进一步学习外力做功与速度变化间存在的定量关系。

3.5 进阶层次划分与主要教学活动设计

3.5.1 进阶第一层次：探究动能的表达式

问题1:如图1所示,光滑水平面上有一质量为m的物块在恒力F作用下沿光滑水平面运动的位移为x,物块的初末速度分别为v0和v,求力F对物块做了多少功？

图1

学生解答:力F对物块做的功W=Fx。

教师引导学生对物块进行受力分析,确定物块的运动过程。

师:力F产生的加速度是多大？

师:物体做怎样的运动？

生:做初速度为v0、加速度为a的匀变速直线运动。

师:如何用v0和v表示位移x？

说明:(1) 动能的单位:焦耳(J);(2) 动能是状态量，与运动物体某一时刻或某一位置相对应;(3) 动能是标量，只有大小。

3.5.2 进阶第二层次：总结动能定理

3.5.3 进阶第三层次：讨论动能定理,理解其物理意义

(1) 通过练习，使学生明确W=ΔEK中W的意义

练习1:在问题1中,当m=1kg、F=2N、x=2m时,求力F对物块做了多少功？

练习2:当水平面粗糙,动摩擦因数μ=0.1,其他条件相同时,求合力对物块做了多少功？

学生进行计算并完成表1，由表1可知,W=ΔEK中的W指外力所做的总功。

表1 做功与动能关系(单位:J)

(2) 理解动能定理

① 对标量性的认识:动能定理中各项均为标量,因此单纯改变速度方向不影响物体动能的大小，如匀速圆周运动。

② 对状态与过程关系的理解:动能定理表示过程量与状态量变化的关系,即力的空间积累效应使物体的动能发生改变,并与动能的变化量相等。

③ 动能定理中所说的外力,既可以是重力、弹力、摩擦力,也可以是其他力。

(3) 明确动能定理的适用范围

① 既适用于恒力做功过程，也适用于变力做功过程。

② 动能定理的研究对象既可以是单个物体,也可以是多个物体所组成的系统。

③ 动能定理的研究过程既可以是单个过程，也可以是多个过程。

3.5.4 进阶第四层次——应用动能定理解决实际问题

问题2：如图2所示,长为l、倾角为α的光滑斜面上,有一质量为m的滑块从静止开始下滑,求滑块运动到斜面底端时速度v的大小。

图2

图3

3.5.5 设计思路

在学生原有的基础上,遵循学生思维的发展,将“动能与动能定理”的教学进行细化。通过创设物理情景,形成科学问题;实施科学探究,建立物理规律;讨论物理规律,理解物理意义;应用物理规律,解决实际问题。让学生掌握“动能与动能定理”。

4 结语

基于学习进阶的理论对“动能与动能定理”的教学设计,将知识进行细化,知识之间的逻辑性更强,将“动能与动能定理”的教学过程划分为四个进阶层次,层层递进,引导学生构建“动能与动能定理”的科学知识。依据学习进阶的理论对教学设计进行指引,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(实验)[M].北京:人民教育出版社,2003:17.

[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.

本文系甘肃省“十三五”教育科学规划课题“核心素养视域下中学物理低成本创新实验开发与应用研究”(编号：GS[2017]GHB1978)的阶段性成果。——以“动能与动能定理”的教学为例