基于“问题链”的力概念学习进阶训练——以摩擦力概念学习进阶训练为例

郜建辉

（天津市红桥区教师发展中心，天津 300131）

1 引言

我们知道，在中学物理中，力的概念不仅是力学知识学习的基础，也是学习的重点和难点.准确把握力的概念是正确进行受力分析，掌握解决问题方法的关键所在.但是，有关力的概念学习不是一蹴而就的，它要经历一个循序渐进、由浅入深的认知过程，也要经历一个由简单到复杂、由单一到综合的训练过程.

布鲁姆认为，人的认知发展水平从低到高依次为记忆、理解、应用、分析、评价和创造，并以金字塔的形式呈现.［1］记忆、理解和应用属于低阶思维，而分析、评价和创造属于高阶思维.对学生的物理学习而言，学习进阶的过程是学生的学习从简单到复杂，问题思考从肤浅到深入的过程.在这个过程中，姚建欣等教师从本质论出发，认为学习进阶能够刻画学习进程中特定心理结构的变化水平；郭玉英等教师从方法论出发，通过关键锚点构建了科学概念体系的进阶模型；王磊等人从过程论出发，强调学习进阶是贯通的连续统一，通过螺旋式探究或推理过程，能够加深学生对问题解决的理解.［2］而对于中学物理中力概念学习的进阶，从学生的角度出发，会出现不同能力的体现.

2 力概念学习的能力分类

对于力概念学习的能力，从不同的角度进行分类自然会有不同的结果.如果从力学概念思维建立的进阶角度讲，可以分为基础能力（低阶能力）、中阶能力、高阶能力.所谓进阶是以学生的学习为研究对象，“进”是描述学生的认知发展方向，而“阶”则要指出发展过程中的关键点并提供对应的解决方案，［3］如图1所示.

图1

2.1 基础能力

基础能力是指学生通过课堂教学所形成对力概念的最起码认知和学习能力，它是对力的概念学习后的基本要求，主要包括对相关力概念的记忆、理解和应用，属于低阶思维.

2.2 中阶能力

中阶能力是指在学习后，在对力概念记忆、理解和应用的基础上，能够做到对于较为复杂的情境中的力概念所要求的内容进行多元化地理解与分析，进而解决相应的问题.

2.3 高阶能力

高阶能力主要指创新能力、决策力和批判性思维能力，它与低、中阶能力相比是认知思维结构的差异，处于高阶水平的学生更具复杂技能习得的潜力.［2］处于高阶能力的学生对于力概念的把握，能在非常复杂的情境中进行准确地认知，并进行多元化地思考，全面、系统地处理问题，它是高阶思维的体现.

3 力概念学习进阶的“问题链”设计

通过长期的教学实践，我们发现，学生有关力概念的学习进阶通过“问题链”的形式很容易实现.所谓“问题链”就是基于中学物理中有关力概念认知的相关要求，将若干个具有共同属性和本质特征的、内容要求相近的问题组合在一起，问题之间环环相扣、层层递进、前后呼应，让问题之间具有较强的逻辑性和递进性.通过这些问题的设计形成学生对力的概念知识的理解和重构，使学生的分析能力和科学思维得以调动，达到学习进阶的目的.下面，以中学物理中“摩擦力”的学习进阶为例，简单阐述力概念学习进阶的模型设计与应用.

3.1 力概念学习进阶的“问题链”模型

《教育大辞典》中认为模型是原系统的一种简化、抽象和类比的表示，不包括原系统的全部特征，但能集中表现出它的本质特征.这个定义主要关注的是模型对所表征对象本质特征的反映.［4］由此可见，模型是对某一类对象具有相似性的系统，但相似的点各不相同.所以，对于力概念学习进阶的“问题链”模型而言，它必须可以反映至少“一类力的概念”或“几类力的概念”在学习进阶过程中的本质特征和共同属性.故此，基于前文对力概念学习的能力分类，建立了如图2所示的模型，旨在确定力概念学习进阶过程中“问题链”在基础能力（低阶能力）、中阶能力、高阶能力中定位问题内容的选择，以及在进阶过程中的难度把握和进阶路径.

图2

3.2 力概念学习进阶中“问题链”的应用

物理学是自然科学领域的一门基础学科，基于“自然科学”一般性研究规律、映射在中学物理教学中，物理教学及学习的本质就是物理问题“发现→分析→解决”的过程，随着物理问题难度的增加，学生物理水平也随之提升，这一学科规律为“问题链”的构建与应用奠定了基础.［5］因此，教师应在学生物理学习过程中，基于知识内容学习的重难点和易错点，有指向性地创设知识内容要求的“问题链”，形成不断进阶的思维提升.这样，可以避免学生走弯路.例如，在对摩擦力概念的理解、应用与分析、评价中，通过“问题链”设计，可以形成学生对概念从基础能力（低阶能力）到中阶能力，再到高阶能力的学习进阶.

3.2.1 在同一情境中实现从基础能力到中阶能力的进阶

在中学物理力学知识中，力的概念学习就是学生终身发展必备的核心概念内容.《普通高中物理课程标准（2017年版）》（以下简称《课标》）明确提出，高中物理课程在结构上注重为全体学生打好共同基础，精选学生终身发展必备的核心概念和科学实践作为必修模块内容；要创造一个目标明确，主体多元，方法多样，既重视结果又重视过程的物理评价体系.［6］在《课标》中对于摩擦力概念的要求是能够认知摩擦力，也就是说要知道摩擦力的定义、产生条件、大小决定因素及定量分析等.所以，对于摩擦力概念的基础能力要求就是通过记忆认识摩擦力，并通过解释、比较、推断等方式理解摩擦力；对中阶能力则要求通过在熟知的情境中，对摩擦力进行理解和分析，实现对摩擦力的应用与利用.由此可知，我们可以创设一个情境，通过基础能力要求下的若干“简单小问题”与中阶能力要求下的若干“较复杂问题”之间关联，实现摩擦力概念从基础能力到中阶能力的学习进阶.

（1）基础能力的“问题链”.布鲁姆的教育目标分类法把教育目标分为三大领域，即认知领域、情感领域和动作技能领域.在认知领域中他把知道（记忆）、领会（理解）和应用作为低阶思维，也就是前文提到的基础能力.对于摩擦力的概念而言，要求学生能够认识并记忆摩擦力概念的具体知识内容或在抽象情境中对其知识进行辨认和识别，然后进行初步地、表浅地解释和描述，达到基础能力的指标.依此，教师可根据这一要求进行相关内容的“问题链”设计，如例1所示.

例1.如图3所示，将一木块放在光滑的水平面上，用一个大小为50 N、水平向右的力推木块，则木

图3

块所受到的摩擦力的大小是多少？若将光滑的水平面换成一块表面粗糙的长木板，仍用大小50 N、水平向右的力推木块，并使木块沿直线匀速运动，则木块所受到的摩擦力的大小是多少？方向如何？

本题中，以一个简单的物体运动模型作为情境，对学生在摩擦力概念学习过程中的相关知识内容进行简单的回忆和陈述，并将摩擦力的产生条件、大小、方向等内容设计为“问题链”，通过单一逻辑的记忆思维串联在一起，实现摩擦力概念的最基础的认知.这样，学生极容易回答出在光滑的水平面上木块不受摩擦力，大小为0；在表面粗糙的长木板上因做匀速直线运动，摩擦力与推力F是一对平衡力，因此，摩擦力大小是50 N，方向水平向左.

（2）中阶能力的“问题链”.对于摩擦力的概念而言，中阶能力则要求学生能够对摩擦力概念的具体知识内容在回忆和陈述的基础上，对现实的情境中有关摩擦力的问题进行解释或推断，正确地把抽象概念运用于适当的情境，形成对概念内容初步的直接应用和说明.如此，教师的教学活动也应围绕着教学的重点、难点、薄弱点、疑点和易错点展开，并有指向性地进行“问题链”设计，“诱使”学生暴露出知识薄弱的地方和错误的认识，教师依据学生出现的问题给以指导，让学生在纠错中获得真知，提升思维，［7］如例2所示.

例2.小明在超市购物，他用大小为50 N、水平向右的力推着购物车沿直线匀速向前运动，则购物车所受摩擦力的大小和方向如何？在行进过程中，一个小孩突然从旁边向购物车的前方跑来.为了避免撞到小孩，小明赶紧用85 N、水平向左的力向后拉购物车.则拉的瞬间，购物车所受摩擦力的大小和方向如何？此时，购物车所受的合力的大小和方向如何？如图4所示.

图4

本题中，将在超市中推购物车这个同学们熟悉的情境作为原始物理问题，基于摩擦力概念的内容要求，将受力分析、平衡力与平衡态、力的合成等内容在同一情境中形成 “问题链”，促使学生在多元复杂的内容中进行思考.进而通过分析与比较，对概念间多元的相互关系更加明确，情境结构更为清晰，提高运用基础理论和基本原理正确阐述问题的能力，达到对摩擦力概念内容的多元化理解与分析.由此，学生在处理该问题时，先是根据题目中“用大小为50 N、水平向右的力推着购物车沿直线匀速向前运动”的描述，基于对摩擦力概念基础能力的掌握，轻松地回答购物车所受摩擦力的大小为50 N，方向水平向左.但当问及“为了避免撞到小孩，小明向后拉购物车的瞬间，购物车所受摩擦力的大小和方向”时，就会出现学生分层.能力强的同学会分析，小明向后拉购物车的瞬间，购物车由于具有惯性，依然会向前做减速运动，并基于摩擦力概念中影响滑动摩擦力大小的因素未发生改变，判断摩擦力的大小仍是50 N，方向仍水平向左，进而可知，合力的大小135 N，方向水平向左.但对于能力较差的同学，这个“台阶”的跨度比较大，会有难以“迈”上去的感觉，这就需要教师精心设计问题，形成“问题链”的无断点贯通，实现学生从基础能力到中阶能力的学习进阶.

（3）从基础能力到中阶能力进阶的无断点贯通.基础能力是对摩擦力概念的认识和记忆，或在情境中对其知识内容进行辨认和识别，然后进行初步地、表浅地解释和描述.而中阶能力则是对现实的情境中有关摩擦力的物理原始问题利用摩擦力概念知识进行解释或推断，并通过分析、综合地运用知识解决实际问题，当然这里说的是初步的直接应用，而不是全面的、系统的认知.即便如此，对于能力较差的学生而言，其难度也是蛮高的，这就需要在两者之间，借助某些承上启下的内容加以贯通，形成“无断点的问题链”.

前文例1与例2之间的“断点”在于例1是在抽象的模型情境中对摩擦力概念的认知，学生只需利用记忆中内容就可完成，而例2是在真实的情境中利用物理原始问题对摩擦力概念进行认知，它需要理解与分析，并多元化地思考问题.如果在两者之间加入一个问题，在抽象模型情境和真实情境之间起到链接作用，也就形成了从基础能力到中阶能力的学习进阶了.所以，我们可以尝试在例1的基础上加一个如例3的问题.

例3.在表面粗糙的长木板上，用大小50 N、水平向右的力推木块，并使木块沿直线匀速运动，则木块所受到的摩擦力的大小是多少？方向如何？若使该木块向前做减速运动，木块所受到的摩擦力的大小是多少？方向如何？则水平向右推木块的力是大于50 N还是小于50 N？

这样一来，同学们就可以从习惯的平衡态（匀速直线运动）跳脱出来，在变速运动中认识滑动摩擦力的大小只由正压力和摩擦因数决定.由此，再处理“小明向后拉购物车的瞬间，购物车所受摩擦力的大小和方向”时就会有变速运动的模型做基础，实现分析问题的能力进阶.

3.2.2 在不同情境中实现从中阶能力到高阶能力的进阶

布鲁姆的教育目标分类法将明确各概念间的相互关系、清晰其组织结构的分析能力，在分析的基础上对概念内容理解进行重组，创造性地解决问题的综合能力，以及通过理性深刻地对事物本质价值作出判断的评价能力作为学习模型中的高阶思维内容，也就是前文提到的高阶能力.对于认知摩擦力的概念训练而言，实现从中阶能力到高阶能力的学习进阶，需要教师引导学生从单一情境中对摩擦力概念的多元认知提升至在多元复杂情境中对摩擦力概念的多元认知.只有这样，才能使学生基于问题情境，从内在的需求出发，并以此为“内驱力”，对概念本身进行多角度、多维度、多元化地判断与评价，体现其高阶能力.因为，“问题情境”中的“境”，是抽象模型或客观环境，“情”则是人的主观心理.通过引发学生的认知冲突，使学生面临某个迫切需要解决的问题，激起学生疑惑、惊奇、诧异的情感，进而产生一种积极探究的愿望，引起积极思维.［8］就摩擦力概念的学习进阶训练而言，我们可以在例2的基础上，加入例4的内容，实现学生对摩擦力概念内容的分析、判断、评价，体现高阶能力.

例4.如图5所示，将质地和形状均匀、质量为m的木棒顶端系一细绳，并与水平地面成θ夹角，吊起静止不动.甲木棒的细绳拉力方向垂直于水平面，乙木棒的细绳拉力方向垂直于木棒，则它们与地面之间是否存在摩擦力？大小、方向如何？若如图6所示，该木棒受到细绳的拉力方向始终保持与地面成θ角，从左向右沿直线匀速拖动木棒（木棒始终未离开地面），则木棒与地面之间是否存在摩擦力？大小、方向如何？

图5

图6

在本题中，将摩擦力概念认知的相关内容置于一个复杂的受力分析情境中，通过与其他力的概念相互关联，处理摩擦力的相关内容.同时，利用多元化的情境设置（静与动结合、竖直与倾斜结合、多种性质力结合、合力与分力结合等等），构成了对摩擦力认知的多角度、多维度的“问题链”，以此训练学生们在复杂情境中对摩擦力多元化地分析与判断的高阶能力.这样的“问题链”形成了一组有序独立、递进又有关联的问题，学生在分析判断过程中，将知识和技能在解决问题中重新建构，使学习认知能力得以提升.

杜威认为思维不是自然发生的.思维的过程是由问题、困惑等引发、维持和引导的.如果在教学中把问题作为思维主线，通过一系列问题不断地深入引领学生由浅入深进行分析和推理，在逐步解决问题的过程中就可拉长学生的思维长度.［9］在例4中，将图5的情境作为中阶能力与高阶能力之间的进阶过渡，完成了同学们对摩擦力概念认知从单一情境到复杂情境转变的过程，有效实现了学习的进阶.通过对图5甲木棒的受力分析，进而判断出，木棒虽然有因重力作用看似存在向左滑倒的运动趋势，好像存在着水平向右的静摩擦力.但由于木棒处于静止状态，在竖直方向上受到的所有力已经是平衡的（如图7所示），水平方向没有一个力与这个所谓的静摩擦力平衡.因此，木棒不会受到水平地面施加的摩擦力，它只是同学们的主观认为罢了.这样，很好地训练了同学们对摩擦力概念的分析能力.在此基础上，同学们就完全能够适应乙图复杂情境中，从力平衡角度把握摩擦力概念的认知了.通过对细绳拉力T进行正交分解可知，乙木棒在水平方向上相对于水平地面向左滑倒的运动趋势所产生的静摩擦力，由细绳拉力T的一个分力与之平衡，达到了在水平方向上的平衡（如图8所示）.故此，乙木棒在水平方向上存在着一个水平向右的静摩擦力，大小等于细绳拉力T的一个分力T cosθ.可见，对于摩擦力的概念认知通过图5甲的进阶训练，可以达到图5乙的高阶能力体现.

图7

图8

对于图6的情境而言，则是将对摩擦力概念在静态中的复杂分析转移到了动态.基于对图5中乙木棒的分析，学生完全可以对这种动态的情境进行把控，体现了摩擦力概念学习中的高阶能力.由图6的题意可知，木棒匀速滑动，自然是处于平衡态.故此，木棒在水平方向和竖直方向上的受力情况也都会是平衡的.木棒在水平方向上相对于水平地面向右滑动所产生的滑动摩擦力，自然会由细绳拉力T的一个分力与之平衡（如图9所示）.因此，乙木棒在水平方向上存在着一个水平向左的滑动摩擦力，大小等于细绳拉力T的一个分力T cosθ.

图9

综上所述，通过例1的基础能力“问题链”，学生们可以有效掌握摩擦力概念的相关内容，并在一个比较简单的情境或抽象的简单模型中对摩擦力概念的内容进行回忆与理解.通过例2的中阶能力“问题链”，部分学生可以做到对摩擦力概念在一个较为复杂的实际情境中进行理解和分析，达到对摩擦力概念的中阶能力体现.为了使大多数学生能够具备对摩擦力概念学习的中阶能力，例3的问题很好地实现了问题从基础能力到中阶能力的过渡，实现了学习的进阶.在例4中，3个问题的设置，有效地构成了体现高阶能力的“问题链”.同时，图5甲木棒的情境又完成了摩擦力概念学习从中阶能力到高阶能力的过渡.这样一来，学生们在基础能力“问题链”（例1）的训练后通过进阶内容（例3）过渡到中阶能力“问题链”（例2）的训练，再到高阶能力“问题链”（例4）的训练，实现了“无断点贯通”，系统完成了整个摩擦力概念的学习.由此看来，对于摩擦力概念的学习，可以通过串联每一个能力阶段的具体要求“问题链”，形成一个不同能力要求的“组链”，完成学习进阶训练，有效实现对摩擦力概念的把控.

4 结束语

随着教学改革的不断深化，以“问题链”的方式强化物理概念的学习训练，可以做到把思考还给学生，激发学生的内驱力，让学生成为学习的主人，进而发展学生的高阶思维能力.因为，物理学科在探索自然和建构理论体系过程中运用的典型思维方式，也是学生学习和运用物理知识和方法的过程中必备的思维能力.［10］教师应当基于生源特点和教学内容要求，有意识地设计一些为学生学习服务的“问题链”引导学生，帮助学生从低阶能力走向高阶能力.