学习进阶视角下的物理教学设计——以“浮力单元”教学为例

吴志明

物理概念和规律的学习是一个循序渐进的过程，需要建立起关联知识之间的相互联系，有一个逐步理解、深化和完善的历程。但在日常教学中，有些教师和学生往往只注重某一概念或规律自身单独的建构，缺乏统筹规划与设计，缺乏知识点之间的相互联系与整合，致使物理学习出现碎片化现象。应用学习进阶理论进行教学的大单元设计，能够提升教学设计的站位，有利于学生构建起结构化的知识体系，促进学生物理学科核心素养的形成与发展。本文从学习进阶的视角出发，结合具体教学案例，探讨物理概念的教学设计思路和实践应用。

一、学习进阶理论要义简述

近年来学习进阶理论越来越受到国内外教育界的关注，成为科学教育研究领域的热点之一。美国国家研究理事会（NRC）在2007 年发布的《让科学走进学校：K-8 年级科学学习的学与教》中将学习进阶定义为“随着时间的不断增加，学生对某一学习主题的思考和认识不断丰富、精致和深入的一种过程”［1］。国内不少学者结合本土实际开展学习进阶理论的研究与应用，取得了令人瞩目的阶段性成果。学习进阶是学生在各学段学习同一主题概念时所遵循的连贯的、典型的学习路径的描述，一般呈现为围绕核心概念展开的一系列由简单到复杂、相互关联的概念序列。［2］

科学教育内容是以一系列核心概念为基本框架的理论体系，涵盖了重要的概念、原理、观点等基本理解和解释。规划和实施中小学科学课程，需遵循由浅入深、由现象到本质、连续且螺旋上升的基本原则。学习进阶理论认为，学生对核心概念的学习需要经历一段较长的时间才能正真理解，才能逐步建立起核心概念之间的相互联系，建构出连贯、系统的知识架构。学生从刚接触某一概念或规律，到真正掌握其内涵与本质，再到能够灵活运用，这期间要经历许多不同的中间水平。这些中间水平，我们称之为“阶”。“阶”代表着学生学习进程中的不同思维方式和学习层级，或者说学习的短期目标。学习进阶的起点是学生学习前已有的对核心概念的粗浅经验和零碎事实，学习进阶的终点就是学习目标，是我们期望学生能够达到的对核心概念的理解水平。在学习进阶的起点与终点之间，需要教师为学习目标的达成设计清晰可循的路线导航图，提供学生认知发展的有效路径，并且在认知发展的关键处提供可靠的脚踏点和支撑点，这是学习进阶理论应用于教学实际的要义所在。

二、“浮力单元”的学习进阶设计

“浮力单元”包括浮力、物体的浮与沉以及综合实践活动三课时内容，以大单元来设计教学，能够改变浮力知识点的碎片化教学现象，实现教学设计与进阶目标的有效对接。

1.进阶分析。

（1）进阶起点分析

经过小学科学课程学习以及日常生活中的观察体验，学生对于浮力相关知识已具有一些零碎的经验与事实：浮在水面的物体受到浮力，如航行中的船只、游泳的人等；升空的物体受到浮力，如气球、孔明灯等。但同时存在诸多模糊甚至是错误的认识，如：下沉的物体不受浮力，重的物体下沉，轻的物体上浮，飞机也是受浮力升空的，等等。

（2）进阶目标预设

通过“浮力单元”的学习，学生应能够建立浮力的概念，知道浮力产生的原因，会用弹簧测力计测量浮力的大小，探究浮力大小与哪些因素有关，知道并会初步运用阿基米德原理进行简单计算和判断，了解漂浮、悬浮的含义，知道物体的浮沉条件，能够运用浮沉条件解释生产生活中的一些现象，运用浮力知识解决一些简单的实际问题。

（3）进阶点和目标预设

结合进阶起点和预设学习目标进行分析，学生可能会遇到一些典型的思维障碍，如：浮力是怎样产生的？为什么沉底的物体也受浮力？浮力的大小与物体自身的体积、浸入液体的深度有没有关系？浮力计算有哪些解题思路？浮力的实际应用问题等。据此我们设置符合学生实际的进阶点，如表1。

表1 “浮力单元”教学的进阶点、起点和预设目标

2.进阶层级预设。

根据上述分析，“浮力单元”教学需创设真实的物理情境，补充与浮力相关的演示与学生实验，增加直观体验；采用定性、半定量到定量的方法研究、理解和应用阿基米德原理。整个“浮力单元”的教学确立下列进阶层级，如表2。

表2 “浮力单元”学习进阶层级

3.进阶途径与策略。

“浮力单元”教学第一课时完成第一到第三层级的进阶，第二课完成第四、五层级的进阶，第三课时完成第六层级的进阶目标。进阶途径和策略主要有：一是增加学生的实验与体验，提供丰富直观的感性材料，支撑学生的学习过程；二是学生亲自动手探究、自主学习、合作交流，对相关信息进行分析论证，理解阿基米德原理的本质内涵；三是设置有梯度、有思维深度的浮力问题来驱动和引领学生的学习进程，促进深度学习的持续发展；四是在分析和解决问题的过程中完善浮力相关知识的建构，形成运动与相互作用的物理概念。

三、教学实践片段

以“浮力单元”第三课时综合实践活动为例，目标是实现学习进阶的最后一个层级的跃升，即：浮力知识的综合运用、设计与创新，学习内容是“自制密度计，测量液体密度”。

1.情境设置。

教师取出三只均盛有无色透明液体的量筒，将三根完全相同的塑料吸管分别放入其中，吸管漂浮在液面，但露出液面的长度各不相同，如图1 所示，这是怎么回事？

图1

2.原理分析。

3.任务布置。

教师布置学生自制密度计，小组合作完成。

（1）实验器材：一端用热熔胶封口的塑料吸管，细沙，烧杯，水，量筒，刻度尺等。

（2）标注刻度：塑料吸管竖直漂浮在水面上，标出水面所在位置，用刻度尺测量浸入水中的深度H，根据上述推导公式计算出液体密度与表3中的密度值相等时，自制密度计浸入液体的深度h，并填入表3，在塑料细吸管相应位置处标注密度值：0.8，0.9，1.0，1.1，1.2（g·cm-3）。

表3 标注刻度

（3）实际测量：教师准备好几种待测液体——盐水，可乐，酒精，牛奶等，各小组同学用自制密度计测量液体密度，记录测量数据，进行交流分享。

4.评估与改进。

学生展示与交流时发现，有的自制密度计在测量酒精时沉底了，有的测量盐水密度时不能保持竖直漂浮，发生了倾倒现象。教师引导学生进行分析讨论，找出问题的原因，提出解决问题的方法，进一步思考如何提高自制密度计的测量精度？如何扩大它的量程？改进和完善活动方案，撰写实验报告。

安排这一教学活动，为学生创建了一个可靠的进阶支撑点，帮助学生实现浮力相关知识的系统化和结构化构建。该综合实践活动涉及的思维难度较大，动手操作的要求比较精细，既要通过理论分析解决标注密度计刻度的问题，又要对活动方案、过程和结论进行分析评价，提出改进方法。通过学习，学生在综合应用、设计和创新方面的能力和素养得到了锻炼和提高。

四、思考与启示

将学习进阶理论应用于物理课堂教学，是一项行之有效的实践探索，带给我们一些思考与启示：

一是学习进阶有利于中小学科学课程的有效衔接。小学、初中和高中阶段的科学教育内容，有综合，也有分科，教学实践中各学段之间的衔接存在一些问题，有些内容存在相同层级上的重复，有些内容则难度跨度太大，也有科学概念的解释在不同学科间差别较大，缺乏一致性和互通性。学习进阶理论为解决这一难题提供了有效思路，可围绕科学领域的核心概念开发构建符合我国学生认知发展规律的“学习进阶”体系［3］，形成完整连续的科学课程体系。

二是学习进阶有利于整合课程教学内容。学习进阶描述了学生对核心概念的理解连贯且逐渐深入的典型发展路径［4］，这提示我们组织课堂教学时，要以核心概念为认知需求的主线整合教学内容，依据学生认知规律，设置进阶点、进阶层级和进阶目标，针对性地组织教学内容，使学生的学习过程有清晰的目标、任务、台阶和发展路径。

三是学习进阶有利于开发教学设计。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。［5］这一学习路径不仅包括学习内容的层级设置，更重要的是学生思维认知能力的发展层级。基于学习进阶的教学设计，主要特征是探索连接进阶起点到目标终点之间的学习路径以及进阶的脚踏点。学习路径不是唯一的，但有最佳的，有最合适的，教师通过对学习中“阶”的分析与把握，可以探寻到最适合学生认知发展的学习路径，从而有效地提高教与学的效率和效益。