基于学习路径的高中物理教学的研究与实践

蔡千斌

（浙江省温岭市新河中学，浙江 台州 317502）

基于学习路径的高中物理教学是促成物理学科核心素养落地的一条重要途径.本文从“认识学习路径”“基于学习路径进行物理教学实践”这两个方面展开具体的阐述.

1 认识学习路径

学习路径有起点、终点，还有过程.［1］起点是学生已有的素养，终点是学生的目标素养.下面从3个角度进行剖析.

从认知心理学角度来看，连接起点和终点的过程是学生的思维路径或行为路径.学生的思维路径是内隐的，具体如图1所示；学生的行为路径是外显的，具体如图2所示.［2］可以这么说，学生的思维路径与行为路径是学习路径在不同学习侧面上的投射与反映.

图2

从脑科学角度来看，学生的学习路径应该是教师的思维路径向学生的思维路径靠近，继而师生思维达成同步发生共振的路径.

从教育理论和学习理论上来看，学生的学习路径应该是契合学生最近发展区的路径，是一条由浅入深、由简单到复杂、由具体到抽象再到具体，教师整体设计学生有序发展的路径.

2 基于学习路径的高中物理教学的实践

2.1 以学生的已有素养为起点

了解学生，才能确定起点.在充分了解学生困惑与疑难的基础上，分析学生的素养起点，根据学生的当前素养来确定物理教学的起点，设置真实情境，提出系列问题.

案例1：圆周运动线速度概念的教学.

图3

图4

评析：这样设置的学习路径，是教师的思维路径向学生的思维路径充分靠近的表现，自然能够促成师生思维达成共振.

2.2 以学生的目标素养为终点

有了素养的起点，还需确定素养的终点.实践表明，即使有相同的素养起点，如果确定了不同的教学目标，最终学生达成的素养结构与素养水平也并不相同.

案例2：自由落体运动的教学.

学习路径1：设定的目标是通过规律学习路径来研究自由落体运动.（1）环节1.研究“是否重的物体比轻的物体下落得快”.教师将纸片、粉笔头由同一高度同时释放，结果粉笔头下落快.教师将这张纸片揉成纸团后再与粉笔头由同一高度同时释放，结果下落几乎一样快.说明重的物体不一定下落快.然后，通过落体悖论的推理，说明重的物体与轻的物体下落得一样快.（2）环节2.通过实验观察自由落体运动.教师演示“牛顿管”实验：不抽空气时，铁片与羽毛同时开始下落，结果铁片下落得快；抽出空气后，铁片与羽毛同时开始下落，结果下落得一样快.观看视频：真空实验室中铁球与羽毛同时开始下落，同时到达地面；月球上，宇航员在相同高度同时释放锤子与羽毛，结果两者同时到达月球表面.由此提出自由落体运动的概念.（3）环节3.利用实验研究自由落体运动的规律.学生分组实验：固定打点计时器，释放一端固定在重锤上的纸带，利用打出纸带的点迹求出重力加速度.不同的小组所用的重锤质量也不同，结果所测出的重力加速度大小却非常接近，进一步说明不计空气阻力时，轻重物体下落的快慢应该是一样的.再根据教师提供的地球上不同地点的重力加速度值，寻找重力加速度的规律.让学生根据匀变速直线运动的规律结合重力加速度写出自由落体运动的v-t、x- t、v -x等规律.

学习路径2：设定的目标是通过模型学习路径来研究自由落体运动.教师先让学生观察气球、树叶、平铺的纸片、纸团、小球、粉笔头等下落的现象，要求学生对这些落体的运动进行分类，并说出分类的依据.学生认为气球、树叶、平铺的纸片的下落过程受空气阻力的影响比较大，下落的轨迹比较复杂，属于同一类模型的落体运动；纸团、小球、粉笔头的下落受空气阻力的影响比较小，几乎可以忽略空气阻力的影响，则属于另外一类模型的落体运动.基于从简单到复杂的研究路径，确定选择后者来进行研究.接下来的研究思路同学习路径1中的环节1、环节2、环节3部分.

评析：在课后的练习中，让学生解决如下的问题：一片梧桐叶从高为5 m的枝头自静止落至地面，所用时间可能是

（A）0.1 s. （B）0.5 s.

（C）1.0 s. （D）3.0 s.

2.3 以学生的思维路径或行为路径为过程

学习路径的核心是学生的思维路径或行为路径.要使学生的学习真实发生，需要通过教师设置结构清晰的情境，设计渐进有序的活动，提出环环相扣的问题.这样才能充分激活学生的思维，提升学生的素养.

案例3：超重与失重的教学.

活动1：质量为200 g的钩码所受重力为多大？把这个钩码挂到弹簧秤下，用手提着弹簧秤，使钩码在竖直方向上做以下5种方式的运动，观察并记录弹簧秤示数的变化.（1）静止；（2）慢慢地上升；（3）慢慢地下降；（4）突然上升并停下；（5）突然下降并停下.

评析：从思维路径与行为路径来看，这是学生“观察现象、感知材料”的环节.按照G＝mg算出的是钩码的真重，实验测得的是钩码的视重，视重大于真重的是

超重，视重小于真重的是失重.由此建立超重与失重的概念.

活动2：观察视频，如图5所示，记录电梯上升过程各阶段中台秤示数的变化，分析各阶段电梯加速度的方向，并将表1填写完整.

图5

表1

评析：从思维路径与行为路径来看，这是学生“回忆概念—叙述特征、选择信息—组织表征”的环节.由这一环节得到向上加速运动时是超重，向上减速运动时是失重的结论.

提出问题1：电梯向上加速运动时，台秤上的重物为什么会存在超重现象，请运用牛顿运动定律来解释这个现象.

提出问题2：电梯向上减速运动时，台秤上的重物为什么会存在失重现象，请运用牛顿运动定律来解释这个现象.

提出问题3：电梯下行，台秤上重物何时会出现超重现象，何时会出现失重现象？学生分组实验，利用DIS实验模拟电梯下行来验证自己的想法.

评析：从思维路径与行为路径来看，解决以上3个问题是学生进行“概括抽象—建立联系，寻找本质—重建结构”的环节.其中，解决问题1、2是利用牛顿运动定律从理论角度进行概括抽象、寻找本质的过程.解决问题3是运用解决问题1、2的方法来判断向下加速、向下减速阶段中的超失重现象，并用DIS实验进行验证，是建立联系、重建结构的过程.活动2的整个过程是由具体到抽象再到具体的过程.

活动3：将两块铁块叠在一起，中间夹着1张纸片，让学生将纸片抽出来，要求不弄破纸张.观看如图6所示视频：台秤上放着重物，静止释放台秤，观察台秤下降过程中示数的大小.

图6

评析：从思维路径与行为路径来看，这是学生“解决问题，巩固结构”的环节.学生直接抽纸片时，纸片被拉破.在释放叠在一起的铁块后，轻轻一拉，纸片完好无损地被抽出.再展示图6所示视频，发现台秤示数为零，说明物体自由下落时，处于完全失重状态.即自由释放叠在一起的铁块，上面铁块对下面铁块没有压力，自然能将夹在铁块之间的纸片无损地抽出.

活动4：如图7所示，将盛水的侧壁开有小孔的矿泉水瓶自由释放，猜测自由下落的瓶子是否漏水？观察实验，再观看慢放的实验视频，验证自己的猜想，并从理论上解释自由下落的瓶子不漏水的现象.随后，根据理论猜测将瓶子竖直上抛或斜着上抛时，瓶子在空中运动的过程中是否会漏出水，同样通过观察实验，再观看慢放的实验视频，验证自己的猜想，并从理论上解释瓶子不漏水的现象.

图7

评析：从思维路径与行为路径来看，这是学生“迁移观点，活化结构”的环节.学生迁移活动3中的观点来解释：以侧壁小孔处的水平面为界限，将瓶子中的水分成上下两层；自由释放瓶子时，上下两层水均处于完全失重状态，两者没有挤压，水自然不会流出.随后解释竖直上抛与斜着上抛瓶子不会漏水的现象，学生明白了在不计空气阻力的情况下，不管是自由释放瓶子还是竖直上抛瓶子、斜着上抛瓶子，其加速度均向下，物体处于完全失重状态，水层之间没有挤压，瓶内的水自然都不会漏出，从而达成活化学生头脑中的知识结构的目的.

提出问题1：你能总结出物体产生超重、失重、完全失重的条件吗？

提出问题2：跳水运动员在跳板上被竖直弹起，不计空气阻力，则运动员（1）离开跳板后向上运动时，处于超重状态；（2）上升到最高点速度为0时，处于完全失重状态；（3）下降过程中，处于超重状态.以上判断是否正确，为什么？

评析：从思维路径来看，这是“巩固结构—活化结构”的环节.学生通过总结产生超重、失重、完全失重的条件，从而稳固头脑中形成的超重与失重的知识结构.通过解决跳水运动员中各个阶段中的真实问题，达成活化知识结构的目的.从行为路径来看，这是学生“解决问题—迁移观点”的路径，在解决真实的跳水问题时，将从自由落体、竖直上抛、斜抛运动过程中总结出的观点迁移到竖直上抛至最高点速度为0时的情境，从而经历“具体—抽象—具体”的学习路径，顺利实现超失重观点的迁移.

3 总结

为更好地开展基于学习路径的高中物理教学，在实践中我们要关注以下两个事项.

（1）要牢牢结合学习路径的基本特征来开展物理教学.原因是：从学为中心的视角来看，学习路径有“以学为本”“适教适学”“以学定教”3个基本特征.相应的做法有：① 结合“以学为本”的特征，开展“以学生的学习心理路径或学习行为路径为本”的物理教学；② 结合“适教适学”的特征，开展“以适合自己学生已有素养，适合自己学生可达素养来教”的物理教学；③ 结合“以学定教”的特征，开展“以学生的学习路径来确定教师的教学路径”的物理教学.

（2）要根据学习内容的实际情况来灵活实施学习路径.原因是：不同的学习内容完成一个完整的学习路径所需课时是不同的.对应的做法为：从大单元视角入手，在教学中灵活实施基于学习路径的物理教学，不必在1节课内完成如图1、图2所示学生思维（或行为）路径上所有环节的教学.例如，有些学习内容需要一个单元，即几个课时才能完成这样一个完整的学习路径.像一个规律的得出可能到“寻找本质、概括抽象”环节时就已下课了，后续的1节或2节习题课可能到“巩固结构、解决问题”环节时又结束了，最后在单元复习时才能完成“活化结构、迁移观点”这个环节.

总之，基于学习路径的高中物理教学是在课堂教学中落实物理学科核心素养的重要途径，其中还有许多需要进一步探索的问题，值得一线教师进一步去研究、实践、总结与推广.