基于加涅学习层次理论的新版高中物理教材分析

洪静爽 程敏熙

摘   要：在高中物理學科核心素养导向下，结合新课程标准对2019年人教版高中物理必修一“牛顿第三定律”的相关内容进行整体与局部分析。结合必修一教材的整体知识结构，分析模块主题呈现顺序，明确《相互作用——力》一章在必修一整体知识逻辑结构中的地位。再基于学生的认知发展水平，结合加涅学习层次理论对“牛顿第三定律”所在具体章节内容展开剖析，把握教学重难点。为一线物理教师制定较为合理的教学设计提供一定帮助。

关键词：加涅学习层次理论;教材分析;牛顿第三定律

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）2-0024-4

1    引  言

分析教材的目的在于帮助教师在整体把握课程标准对发展学生物理学科核心素养的要求下，结合对教材具体章节内容的分析明确教学目的及目标;通过对教材内容组织及编排顺序进行分析，可以把握知识整体的逻辑结构，明确教学重点内容;通过考虑学生原有知识经验及认知发展特点，确立具体教学难点;通过教材分析，可以辅助设计出符合学生学情和教师特点的教学计划和具体实施方案。

2    课程标准必修1模块主题呈现顺序分析

《普通高中物理课程标准（2017年版）》（以下简称新课标），规定高中物理课程必修1模块由两个二级主题“机械运动与物理模型”和“相互作用与运动定律”组成[1]。“机械运动与物理模型”描述的是宏观层面，物体外显性的、可视化的运动形式及其抽象化表征;而“相互作用与运动定律”则需要依据物体外显的可视化运动状态探讨物体间相互作用的内在规律。两个主题内容在呈现顺序上，思维发展经历从具体运算阶段[2]向形式运算阶段的过渡，符合高一学生认知发展水平的衔接。

加涅学习层次理论考查了知识学习迁移[3]的问题，揭示了学生认知结构的发展依赖于原有认知结构基础，具体表现为教学过程中新旧知识间的有效衔接问题[2]。以2019年人教版高中物理必修一为例（如图1），在提出描述运动的基本概念基础上引入简单的机械运动特例，从直线运动出发，进入到较复杂的考查物体发生机械运动过程中的内在机制即物体间的相互作用：先介绍三种常见力（包括重力、弹力、摩擦力），再归纳引出相互作用力的概念、特征及其综合应用，最后综合考虑运动和力之间的关系引出牛顿运动定律相关内容及其在生产生活中的应用。也为高中物理必修二学习更复杂的曲线运动和万有引力等内容奠定基础，从而构成了完整的牛顿力学体系。

与旧人教版教材相比，2019年人教版高中物理教材把原来的《牛顿运动定律》一章改为《运动和力的关系》，并把牛顿第三定律归入到《相互作用——力》一章中，即学习三种常见力（包括重力、弹力、摩擦力）之后，实现由相互作用力的概念学习过渡到相互作用力之间特点和规律的探讨，使设计思路更加清晰、严密，各章节内容联系更加密切，层层递进，充分体现了教材设计的循序渐进原则。从知识内容为线索的呈现形式看，2019年人教版教材强调物理知识的内在逻辑和具体内容的前后铺垫，同时也强调了物理知识内容学习与学生认知发展过程的融合。

3    基于加涅学习层次理论的《相互作用——力》一章教材内容分析

美国教育心理学家加涅提出，学生学习是循序渐进、不断积累的过程，并根据学习的复杂性程度划分为8个学习层次：信号学习、刺激-反应学习、动作链锁、言语联想、辨别学习、概念学习、规则学习和问题解决或高级规则学习。而概念形成、推理、问题解决是思维活动的主要形式，因此概念学习、规则学习和问题解决学习三个层次是学校教育较为关注的[2，4，5]。本章共分为5个小节（见表1），第1、2节介绍了三种常见力，包括重力、弹力、摩擦力，划分为概念学习范畴;第3节通过问题引导和探究实验得出相互作用力的概念与牛顿第三定律，第4节讨论力的合成与分解，大体上将3、4小节归类到一级规则学习;第5节的共点力平衡，是在系统学习前面核心概念和定律的基础上，通过掌握一定分析规则和工具后的有关力学问题的一个基础的综合性应用，属于问题解决学习阶段。

4    基于加涅学习层次理论的“牛顿第三定律”教材内容分析

进一步深入把握本节内容的重难点，需结合学生的认知发展特点以及教师教学需要，深入到教材的小节内容展开分析。“牛顿第三定律”（见表2）在章教材内容分析中划分为一级规则学习，其下设有三个小标题，再次体现了从概念学习—规则学习—问题解决学习的迁移。同时，新教材强化了图文之间的对应关系，教材中所选配图与教学目的、教学内容紧密结合，增强了教材的可读性。由表格内容可初步确定教学重点是概念学习中相互作用力概念的理解以及规律学习中对一对相互作用力特点的探究，难点可初步确定为问题解决学习中一对相互作用力与一对平衡力的区别和联系，最终教学重难点的确定应依据具体学情、教师特点和教学条件确定。

4.1    问题引入环节

与旧人教版教材不同，2019年人教版高中物理教材在每节内容开头增加了“提问”环节加以引入。部分学生因在日常生活中形成的直观感受，认为在掰手腕过程中大人之所以能成功掰倒小孩是因为大人的力要更大些。教材中本节“问题”引入部分，便以日常生活中大人和小孩掰手腕的情境导入，并提出问题：相互作用的力其大小有什么关系？是否相等？由此引起学生的认知冲突，唤起学生的好奇心与求知欲，为后面的实验环节作准备。在实际教学过程中要注意培养学生的问题意识和积极主动的提问能力。

4.2    概念学习环节

本环节教材内容选取的3个物理情境（见表2），由接触力过渡到非接触力，使课程内容丰富化、情境化，有助于学生有意识地尝试从物理学视角去认识和理解生活中的相互作用物理现象。除了教材提及的物理情境，实际教学过程中还可以引导学生对生活所观察或思考的众多其他物体间的相互作用现象进行重新细致分析。在物体间发生相互作用的诸多客观情境中引导学生学会初步概括该类事物的共同特征，进而抽象出物体相互作用过程的本质，深化对“作用力和反作用力总是互相依赖，同时存在”的认识。即要让学生经历科学思维的相对完整的锻炼过程，切实落实物理学科核心素养的培养。此外，本环节也可以将问题情境转化为学生感受性试验，再加上教师演示实验[6]，比如“磁铁与铁块之间相互作用的多情境演示实验”或师生共同合作实验，再让学生举例、归纳、总结，在此基础上引导学生建构作用力与反作用力物理概念模型。

4.3    实验与规律学习环节

本环节，在建构作用力与反作用力物理概念模型的基础上，教材注重通过实验引导学生从力的三要素去探究作用力与反作用力的特点和规律。因此，在具体教学过程中，教师要注重从科学探究的视角拓展教材中有关弹簧测力计的实验内容。比如，设计成学生小组合作探究的实验形式，自主制订探究计划，在不同的可能情境下（见表3）展开实验与探究[7]。教师要注意让学生在活动中能真切感受科学探究过程，避免让学生按照教师或教材的既定步骤进行虚假探究。

新课标中强调要重视数字实验，创新实验方式。因此，教材在弹簧测力计实验基础上进一步引入力传感器的拓展学习实验，供有条件的学校选用，力传感器可以实时采集、记录任意运动状态（平衡或非平衡）下二者的大小和方向的变化情况，测量灵敏度高、精确度高、更具说服力。探究实验是发展学生科学思维和科学探究能力的重要途径，实际教学过程中让学生在探究实验的观察和操作过程中，经历作用力与反作用力“比较（大小）—概括（不同情境下大小、方向、作用点的共同点）—抽象（高度凝练出牛顿第三定律）”的过程，可以促进他们科学思维和探究能力的发展，从而有效促进学生物理学科核心素养的进一步培养。

4.4    问题解决学习与概念辨析环节

本环节教材主要以受力分析相关例题的形式展开，首先衔接初中内容从相互作用的角度以简化提要的物理模型示意图出发，按重力、弹力和摩擦力的顺序来分析粗糙斜面上静止物体的受力情况，强调受力分析目标对象的针对性。再进一步呈现真实情境，对猴子单手挂树吊在空中的情境进行受力分析，再次指出受力分析过程目标对象的针对性，从而概括平衡力与作用力、反作用力的共同点和区别。此外，“练习与应用”环节提供4道相应的练习加以巩固。

从培养物理学科核心素养重视对学生科学态度与责任培养的视角考查教材所选择内容的合适性与有效性，除了生活中常见的一些例子（如教材中提到的汽车驱动受力分析问题）外，具体教学过程可增加联系生活和现代科技的教学内容，在习题部分加以补充。比如，参考2019年粤教版必修一在本节的 “练习”中关于2018年北斗导航卫星发射过程中对卫星与火箭升空情况的物理情境分析。另外，教师还可以根据学生的学习需要布置课外研究性学习任务，让学生主动查找资料、了解物理学史上牛顿等科学家对牛顿第三定律的具体探究过程，培养学生的科学意识和态度。

5    结  语

2019年人教版高中物理教材总体上是围绕落实物理学科核心素养要求选择和组织本节内容的。教师在备课过程中可以先通过对新课标中模块主题的分析，理解并从整体上把握《相互作用——力》一章在必修一知识逻辑结构中的地位。可以通过对具体章节教材内容组织分析把握新教材的变化和特点，理解新教材内容编排与组织变化是对新课标培养学生物理学科核心素养目标的呼应。在此基础上，教师可以从学生学习视角，基于加涅学习层次理论，结合学生认知发展特点，对章节内容展开细致分析，确立教学目标以及把握教学重点。从落实学生物理学科核心素养培养目标出发，选择、开发及组织具体的教学内容。包括创设真实的问题情境;注意引导学生经历真实的科学探究环节;通过增加联系生活和现代科技的教学内容，培养学生的科学态度与责任意识;通过研究性学习任务，让学生了解物理学史及物理学家关于牛顿第三定律的真实探究过程，培养学生实事求是的科学态度和物理探究意识等。在教学准备过程中，结合课程标准及教材，但不拘泥于教材，根据教学需要选择及组织教学内容，可以有效地落实学生物理学科核心素养的培养。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：11-12.

[2]许桂清，张军朋.基于心理学的高中物理教材分析——以粤教版物理必修2为例[J].物理教师，2007，28（07）：9-11.

[3]玛吉·英，黄明皖.布鲁纳和加涅的两种教学论[J].课程·教材·教法，1982，2（01）：92-94.

[4]皮連生，吴红耘.学与教的心理学[M].上海：华东师范大学出版社，2006：115，254，250.

[5]张小永.加涅累积学习理论与幼儿科学教育[J].山东师范大学学报（人文社会科学版），2001（05）：36-38.

[6]罗国忠.探究教学去浅表化的行动研究——以“牛顿第三定律”为例[J].物理教师，2017，38（03）：8-10.

[7]耿宜宏，王志刚.基于问题探究式教学在高中物理课堂的实践与思考——以“牛顿第三定律”一课的教学为例[J].物理教师，2015，36（11）：27-30.

（栏目编辑    刘   荣）