基于学习路径的物理规律教学策略

摘 要：北师大张春莉教授提出学生已有的知识经验、学生的思维过程、学生对知识的表征方式是构成学习路径的三个核心要素。在以学为中心的教学背景下，特别是在物理规律课教学中，笔者试着从学习路径的三个核心要素谈规律教学的策略，同时想与教师一起针对学生的学习路径找到相应的教学路径，从而实施有效的教学。

关键词：学习路径；知识经验；知识表征；图式表征

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）9-0011-5

所谓“学习路径”，就是指在某学段，为达到一定的学习目标，教师基于认知心理学理论，根据学习起点、载体、方法、氛围等要素采取一定的教学策略，从而使学生形成一系列生理和心理活动的轨迹。物理概念是基石，物理规律是中心。基于学生学习路径的物理规律教学对物理规律形成的学习提出了更高的要求，教师应该引导学生从多个角度审视物理规律，体会物理规律的建立和发展过程，感悟其中的创新思维和科学研究方法，培养学生的创新意识和科学研究能力。

1 以获取学生的知识经验为起点

学生已有的知识经验是一切学习活动的基础，也是对个体行为和当前认知活动的先导。因此，在物理规律课教学过程中，教师不能无视学生已有的知识经验，而应该把它作为学习原有的知识经验。针对某一具体规律的教学，教师可以通过调查问卷、访谈、面批、课堂反馈、作业批改、教师经验预测等方式获取学生的已有知识经验。例如，在“超重与失重”的规律课教学中，通过以上方式，教师可以了解到学生已有的知识经验：

①学生对力的定义、力的产生有较大程度了解，能对物体进行受力分析以及求合力；

②知道力与运动的关系，并能运用牛顿第二定律求物体的加速度；

③知道在地球的同一地方，重力加速度是不变的；

④知道物体重力的大小可以通过弹簧称测量，也知道弹簧称测力的原理；

⑤对弹簧秤示数和重力认识有误区：认为弹簧称的示数就是物体重力的大小；

⑥对超重和失重认识有误区：总认为超重就是物体重力增加，失重就是物体重力减小。

通过上述获取学生已有的力的定义、力与运动关系、弹簧秤示数与重力误区认识及生活中的超重、失重模型误区认识，这在“超重与失重”物理学习活动中有着很重要的作用，教师要尊重上述知识基础和生活经验。首先是感受超重、失重的现象，然后是探究超重、失重的成因，结合牛顿第二定律和牛顿第三定律得出超重、失重的规律，最后通过各种生活现象对超重、失重知识的应用达到能解决实际问题的程度。

当然，在一般的规律教学中也是如此，教师在组织学生概括出本节规律特点前，要根据学生的已有认知及其初步概括能力，调整教学预设，再次分析引导直到学生得出比较完整的规律，这就是规律形成过程，是比较曲折的甚至是离散的。然后，教师指导学生对规律进行比较系统的定义，这并不意味着规律就真正地被掌握了，还需要学生通过问题解决的方式不断地强化、活化。图1是基于学生已有知识经验的规律教学的一般流程图。

2 以发展规律学习的思维过程为主线

如果说学生已有的知识和经验是学习路径的起点，那么发展学生的思维过程就是连接路径起点和终点的桥梁。而物理规律反映的是物理概念之间的联系，是压缩了的知识链。因此，我们的教学并不是急于把这些前人获得的结论直接端给学生，如爱因斯坦所说：“对真理的探求比对真理的占有更可贵”。

2.1 依据规律学习的思维过程确定教学过程

规律的学习，必须以思维的过程为主线从而确定教学过程，切不可在学生毫无认识或认识不足的情况下“搬出来”，不加分析地“灌”給学生。例如，在简谐运动的规律课教学中，教师如果没有对简谐运动的物理过程进行全面细致的分析，而是直接根据书本案例模型就贸然给出公式F=-kx，那么，学生会将该规律理解成再一次复习胡克定律F=kx。

当然，在该规律课教学中，思维过程的主线首先是引导学生观察和分析弹簧振子在一次全振动过程中回复力F、速度v、加速度a以及位移x 等物理量的变化情况，并找出最基本的规律来；然后通过分析比较，学生将会发现F与v的方向相反时，它们大小此增彼减，关系复杂；还可以发现F与a方向始终相同，大小同增同减，关系简单；最后再看F与x，两者方向始终相反，大小又成正比，所以它们之间的关系，最能准确而简明地反映简谐振动中力与运动的基本规律。基于这样的学习思维过程主线，确定教学过程，学生对于简谐振动的规律 F=-kx就不仅知其然，而且也知其所以然了。

2.2 根据规律学习的思维难度搭建教学支架

在规律的学习中，不同的规律背后隐藏的物理量间的联系是很难挖掘的。这时候教师可以尝试根据学习的思维难度搭建教学支架，即通过分析与综合，揭示规律背后的隐含条件；抽象与概括使规律简化；归纳与演绎，通过实验演示归纳及理论的演绎两种方式，发现不同事物背后所遵守的共同的特征；最后通过比较与类比，发现事物的同中之异和异中之同。如图2所示。

2.3 通过问题链引发深度思维

所谓“问题链”，是指教师为了实现一定的教学目标，根据学生的已有知识或经验，针对学生学习过程中将要产生或可能产生的困惑，将教材知识转换成为层次鲜明、具有系统性的一连串的教学问题，这些教学问题是一组有中心、有序列、相对独立而又相互关联的问题。

超重、失重是物理必修1的教学内容，在学习了牛顿三大定律之后，是对物体受力与运动之间关系规律课最精彩的教学，其学习的过程有利于学生复习巩固牛顿三大定律的内容，同时进一步掌握分析物体受力与运动关系的基本方法，在力学体系发展中属于对抽象的力与运动通过具体的牛顿定律进行再解释的学习过程。在情景引入时，为激发学生兴趣，引起学生背后隐藏的前认知，如超重就是重力增大了吗？是速度增加引起的吗？和加速度有关系吗？可以设计如下问题链进行落实。

问题1：电梯从一楼到五楼的运动情况是怎样的？

问题2：体重计的读数与自己的实际体重是什么关系？

问题3：出现这种情况的原因是什么？

问题4：超重状态下的物体，运动速度一定变大吗？

问题5：失重状态下的物体是因为物体没有受到重力的作用吗？

上述设计目的皆在促进思维的深度性，其中设计问题1的目的是让学生根据实际情况，判断电梯的速度与加速度间的关系；问题2的目的是通过现象观察体重竟然会“变”，制造思维上的认知冲突；问题3的目的是追问，迫使学生深入分析引起“体重”变化的原因；问题4的目的是根据学生的前概念出发，速度大就超重，指出学生思维上的误区；问题5的目的是在搞清楚问题4后，进一步分析超重、失重的条件及本质，进而掌握力与运动之间关系的处理方法。

3 以优化规律知识表征为目的

表征是认知心理学的概念，它是指知识或信息以什么样的形式储存于大脑之中，代表了外部世界与有机体内部之间的标定关系，是人类认识事物的一种方式。常见的表征形式有命题、图式以及表象。同一事物，其表征的方式不同，对它的加工也不相同。例如，学习困难的学生往往是物理规律知识表征不完善，如对机械能守恒规律的理解中，是其他力做功导致机械能不守恒，其他力指什么力？重力、弹簧弹力、电场力还是合外力？

3.1 形成规律网络图式表征

图式表征往往组合了概念、命题和表象，一般认为，图式表征是指围绕某个主题组织起来的知识网络。认知心理学家表示，现在想不起来的事，以后可能会突然想起来，小时候做过的某些事，到老了还十分清晰。信息没有被遗忘，就显得网络图式表征尤为重要。图3所示的知识网络展示了机械能（动能、势能）与功及动能定理之间的相互关系，这样的表述使知识的呈现与表述富有结构，容易理解与记忆。

3.2 重视不同规律图式辨析

学生学会表征规律的图式，但是还不够，因为很多物理知识是高度浓缩了物理规律之间的内在联系，教师要重视不同规律间的图式，通过联系、组合、辨析，使学生熟悉这些图式，遇到习题时才会自觉地进行思维。图4是牛顿第二定律的辨析图式，蕴含的信息量是十分丰富的，教师需要对该图式的主要功能与作用进行解读，使学生获得知识框图所隐含的意义，从视觉模式获得命题表征。

3.3 通过规律运用习得程序与规范

掌握网络图式和辨析图式，是掌握规律的基础。但在处理、解决实际物理问题中，有许多学生很怕做题、畏惧做题，究其原因，是学生没有掌握运用规律的程序及规范。

例题1 如图5所示，某冰壶比赛中，运动员将静止于O点的冰壶沿直线OB用水平恒力F推到A点放手，最后冰壶停在B点。已知冰面的动摩擦因数为μ，冰壶质量为m，OA=x，AB=L。求冰壶在A点的速率vA？

使用动能定理解题的规范程序：

①确定研究对象（冰壶）及撷取运动过程（AB过程）；

②受力分析（明确各个力是否做功，做正功还是做负功，进而明确合外力做的功）；

③运动分析（分析始、末态的动能）；

④根据动能定理列方程；

⑤對结果表达要用题中条件表示（还有有效数字问题、单位问题等）。

3.4 通过规律应用习得选用规律

当然，掌握程序与规范，是解题的基本保障。但随着对知识的不断深入学习，解决规律的策略将会变多，如何根据对规律的应用来选用规律，优化解题过程，是老师必须要正视的问题。例如，牛顿运动定律和动能定理，高一学生常常是学了动能定理，忘了牛顿运动定律，复习了牛顿运动定律，又忘了动能定理。故需要在规律教学中，通过对规律的应用选用规律，来帮助学生较好地理解两大力学体系的支柱规律，为学生进一步学习指明思路，快速在两者中加以选择。

表1为基于两大规律的内在特点比较。

对于上述两大规律，基于学生已有的知识经验分析有：对牛顿运动定律从情感角度有先入为主的思想、知识的烙印比较深、使用也日益熟练，其缺点在于分析运动过细、解决问题繁琐、计算方程多、计算容易出错；但对这突如其来的“动能定理”从情感和习惯上都难以接受，但动能定理的优势在于不必考虑过程中的运动性质和状态变化等细节，只需考虑始末状态的动能就行，适用范围更广、方程简洁、计算效率高，其缺点是对于运动过程中涉及到加速度a和时间t没办法解决，需要借助牛顿运动定律的帮助。

参考文献：

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