关注学习进阶的高中物理教学研究

［摘 要］《义务教育课程方案（2022年版）》对学习进阶性提出了明确的要求，并给出实现学习进阶的具体措施。广大物理教师应根据此课程方案的要求，采取有效的教学措施，以促进学生的学习进阶。高中物理教师可在活用教材资源、厘清教学内容的基础上，设计恰当的论证活动，让学生在活动中实现学习进阶，同时发展科学思维，提升科学探究能力。文章以“曲线运动”的教学为例，探讨关注学习进阶的高中物理教学。

［关键词］学习进阶；高中物理教学；曲线运动

［中图分类号］" " G633.7" " " " " " " " ［文献标识码］" " A" " " " " " " " ［文章编号］" " 1674-6058（2024）35-0048-04

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》从以下两个方面作了进一步的优化：（1）精选学科内容，重视以学科大概念为核心，使课程内容结构化；（2）以主题为引领，使课程内容情境化，促进学科核心素养的落实[1]。《义务教育课程方案（2022年版）》对学习进阶性提出了明确的要求：加强课程一体化设计……体现学习目标的连续性和进阶性[2-3]。从上述物理课程标准的变化和义务教育课程方案对学习进阶性的要求可以看出：高中物理教师应当整合学科内容，以学科大概念为核心，灵活运用大概念并使学科内容结构化，进而引导学生解决情境化的实际问题。在实际教学中，教师应重点关注学生学习的进阶性。为此，教师应从整体上把握，确保学生的学习目标既具有连续性，又体现进阶性。为实现这一教学目标，教师还应当制定既有序进阶又可测可评的学生学业质量标准，用以衡量学生的学习情况。在具体教学中，教师可以采取以下措施：1.设计学习进阶与论证活动表，以便在教学中有效落实；2.设计恰当的教学活动，引导学生动脑思考、动手操作；3.在教学活动完成后，引导学生进行理论分析，以加深对相关物理概念和规律的理解。现以“曲线运动”的教学为例做进一步的分析探讨。

一、学习进阶与论证活动分析

北京师范大学郭玉英教授及其团队对概念学习进阶与科学论证进行了长期深入的研究，并取得了丰硕成果。他们提出了“整合式学习进阶”理念，并建构了相应的整合式进阶理论框架图，该框架图将科学概念的理解发展层级模型与奥斯本构建的科学论证能力发展进阶表现框架进行整合[4-5]，为关注学生学习进阶的高中物理教学提供借鉴。

基于学情的进阶分析是开展进阶学习的前提条件，进阶分析要确定阶段性的学习目标和相对应的表现期望。科学概念的学习进阶水平包括经验、映射、关联、系统、整合五个层级。在“曲线运动”的教学中，教师应引导学生对曲线运动产生感性认识，再通过概念的学习进阶，深化学生对曲线运动的理解，实现学生从经验性认知到科学性认知、从碎片化认知到结构化认知的转变。在概念学习进阶的过程中，学生参与科学论证活动，有效提高对概念的认识。教师可将科学论证进阶和概念学习进阶相结合，将科学概念的理解发展层级模型和科学论证能力发展进阶表现框架进行整合，开发并优化论证表（见表1），有效开展曲线运动教学。

二、教学片段分析

在“曲线运动”的教学中，笔者设计了以下情境化教学活动——学生论证活动，现简要分析如下。

（一）论证活动1

教师首先播放嫦娥五号发射视频，再展示其运动轨迹图片，引导学生观察。接着，鼓励学生列举生活中类似的曲线运动实例，并引导归纳共同特征。最后，教师总结提炼出曲线运动的定义。

驱动问题：直线运动和曲线运动有什么不同？

学生可能的回答1：运动轨迹不同。

学生可能的回答2：直线运动的方向和轨迹在同一直线上；曲线运动的方向不断变化。

设计思路：通过对比直线运动和曲线运动，引导学生用直线运动知识理解曲线运动。学生先认识直线运动方向和轨迹在同一条直线上，再结合曲线运动轨迹的特点，推断曲线运动的方向不断变化。本阶段教学促进学生对曲线运动概念的认识从经验转向映射，并使他们学会寻找描述曲线运动的核心物理量——速度。经过这一阶段的学习，学生具备了初级论证能力。

（二）论证活动2

任务一：显化曲线运动方向。

驱动问题1：做曲线运动的物体，其运动方向一直在变，大家能不能设计一个实验来显示曲线运动的方向——也就是速度方向？

学生可能的回答1：用手机拍照、录像。

学生可能的回答2：采用描点法。

教师首先展示一套自制的教具——曲线槽装置（如图1），其由编号从1至6的可拆卸木板拼装而成。接着，让沾有印泥的小球沿ABCD进入曲线轨道。小球在曲线槽的约束下运动，其中A、B、C、D为小球运动轨迹的四个特殊位置，A、B、C为小球在编号为36、25、14的木板所形成的曲线槽部分的右端点，而D则为小球在编号为14的木板所形成的曲线槽部分的左端点。

驱动问题2：小球离开曲线槽后做什么运动？

学生可能的回答：做直线运动。

驱动问题3：小球做直线运动的方向取决于什么？

学生可能的回答：小球从轨道出来时的速度方向。

驱动问题4：要想知道小球在经过轨道端口时的速度方向，只需要看什么？

学生可能的回答：小球离开轨道端口做直线运动的方向。

驱动问题5：如何获得小球通过C点的速度方向？

学生可能的回答：让小球从C点离开轨道。

实验观察：把1、4两块板子拿开，观察小球经过C点的速度方向。

设计思路：通过驱动问题，引导学生用“留迹法”显化曲线运动轨迹，观察小球脱离轨道后的直线运动方向来描述其经过轨道口的速度方向。在驱动问题的引导下，学生提出观点并用实验证据论证，初步达到中级B论证水平。

任务二：验证圆周运动的速度方向。

驱动问题6：小球从轨道端口出来后的直线印迹与在轨道中运动的印迹有没有什么联系？

学生可能的回答：相切。

驱动问题7：有没有办法验证“小球的速度方向就是曲线的切线方向”？

学生小组合作，讨论设计实验方案。

学生可能的回答1：不知道曲线的切线是什么，不知道怎样设计。

学生可能的回答2：初中只学过圆的切线，不知道怎样设计实验。

学生可能的回答3：如果物体的运动轨迹是圆，可以设计实验方案进行验证。

教师展示圆形槽装置（如图2），请学生利用相关实验器材设计实验方案，验证做圆周运动的小球其速度方向是否为轨迹圆的切线方向。随后，请学生阐述验证过程，并完成实验。

学生先取下可拆卸的圆形木板，画出圆心和小球经过圆形槽端口中间点的连线，确定半径方向，然后过中间点作出垂线（如图3），该垂线即为小球经过端口的切线方向。通过对比小球的运动轨迹和所作出的切线是否重合，得出结论：做圆周运动的小球，其速度方向是轨迹圆的切线方向。

设计思路：通过多次实验，比较小球在多个不同位置的速度方向与直线运动速度方向的差异，以增强学生的实验体验。在运用映射、关联层级的知识时，学生能够针对特殊曲线运动的方向的验证问题，按要求设计方案，提出观点，并用实验证据、推理加以支撑，从而实现对关联层级知识的理解，初步达到中级B论证水平。

任务三：曲线运动速度方向的理论推导。

曲线运动包括圆周运动和一般曲线运动。圆周运动作为特殊的曲线运动，其轨迹为圆形，速度方向沿轨迹圆的切线。那么，一般曲线运动的方向如何？推导如下：

驱动问题8：要验证一般曲线运动的速度方向是否为切线方向，首先需明确什么？

学生阅读课本后回答：如图4所示，过曲线上的A、B两点作直线，这条直线叫作曲线的割线。当B点沿曲线接近A点时，割线位置不断变化。当B点非常接近A点时，割线即为曲线在A点的切线。

驱动问题9：速度是怎样定义的？

驱动问题10：根据速度的定义式，速度方向与什么方向相同？

驱动问题11：若质点在一段时间内从B点运动到A点，怎样寻找质点经过A点的瞬时速度方向？

学生可能的回答：速度是位移和时间的比值，其方向和位移方向相同。若质点在一段时间内从B点运动到A点，则平均速度的方向由B指向A。当B点逐渐靠近A点时，平均速度方向将趋近于A点的切线方向。当B点与A点的距离接近0时，质点在A点的速度方向即沿A点的切线方向。

设计思路：曲线在某点的切线是其导数在该点的几何表现，学生仅在初中接触过圆的切线概念。在此阶段教学中，通过展现曲线切线的定义，理论推导曲线运动的速度方向，促使学生在类比中迁移知识，理解曲线运动的速度方向，从而使学生对科学概念的理解水平达到关联层级。教学应用恰当证据，使学生达到中级A论证水平。

（三）论证活动3

驱动问题1：物体做曲线运动时，其速度变化吗？

驱动问题2：物体做曲线运动时，有无加速度？合力是否为零？

驱动问题3：若物体所受合外力不为零，是否一定做曲线运动？请举例说明。

驱动问题4：物体在受到怎样的力时才能做曲线运动？教师引导学生利用所提供的实验器材或者手边的物品，实验探究物体做曲线运动的条件。

实验器材：轨道、木板、小铁球、小玻璃球、小钢球、磁铁。

学生可能的实验过程1：让小铁球从轨道滚下，将磁铁放在小铁球直线轨迹的侧面，让小铁球做曲线运动。

学生可能的实验过程2：让小球从轨道滚下，从一侧突然抬起木板，使小球做曲线运动。

在驱动问题的启发下，学生进行理论分析和设计实验。

学生可能的回答1：曲线运动的方向时刻在改变，曲线运动是变速运动，速度改变必然存在加速度。由牛顿第二定律可知，物体一定受到合外力的作用。

学生可能的回答2：当物体不受外力或者合力为0时，做匀速直线运动；当合力方向与速度方向在同一直线时，做变速直线运动；当合力方向与速度方向不在同一直线时，做曲线运动。

驱动问题5：做曲线运动时物体所受的合力方向跟轨迹弯曲情况存在怎样的关系？

学生可能的回答：物体所受的合力往哪个方向，运动轨迹就往哪个方向转。

设计思路：教师在学生回答的基础上总结出“做曲线运动的物体，其合力方向总指向曲线凹侧”。

（四）论证活动4

驱动问题1：（播放微视频）蜿蜒的河道为什么外侧地势总是比较陡峭而内侧地势则相对平坦？

学生可能的回答：河道外侧受到的冲刷比较厉害。

驱动问题2：为什么蜿蜒的河道外侧受到的冲刷比较厉害？

学生可能的回答：河水转弯需受到曲线内侧合力。

教师接着提问：这内侧合力是哪边河岸提供的？

设计思路：学生在问题引导下，明白河水拐弯时做曲线运动，弯曲处受到内侧力作用，此力来自河道外侧的堤岸。根据牛顿第三定律可知，河水对河道外侧的堤岸有反作用力，因此河道外侧的堤岸受流水冲刷而逐渐变陡。

实验驱动，情景模拟：用小球在曲线槽中的运动模拟河水转弯，并提出问题：在小球前进过程中移走哪些木板，不会影响小球的运动轨迹？

学生可能的回答：3、4、5块板都可以移走（如图5）。

实验验证：轨迹内侧板可撤，外侧板不可撤。小球做曲线运动时受外侧轨道作用，如河水转弯时受河道外侧的堤岸的作用力。

设计思路：学生在真实情境中，运用曲线运动的条件论证河岸外侧陡峭的原因，实现了对概念的有效理解，并能将实际问题转化为物理问题进行论证和解决，论证能力达到高级水平。

综上，要想让学生更好地实现进阶学习，教师需深入研究学生概念理解的思维路径，根据学生的论证水平设计恰当的论证活动，使学生在问题驱动下，通过实验探究，进行情境化学习、实验论证和理论分析，不断优化认知结构，提升科学思维能力。

［" "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2020年修订[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]" 中华人民共和国教育部.义务教育课程方案：2022年版[M].北京：北京师范大学出版社，2022.

[3]" 张华.儿童发展、学习进阶与课程创生：《义务教育课程方案和课程标准（2022年版）》内在追求[J].中国教育学刊，2022（5）：9-16.

[4]" 郭玉英，姚建欣.基于核心素养学习进阶的科学教学设计[J].课程·教材·教法，2016，36（11）：64-70.

[5]" 弭乐，郭玉英.基于整合的进阶式教学设计研究：以概念进阶与论证进阶为例[J].物理教师，2021，42（1）：2-7，11.

[6]" 吴昌洪，梁玉洁，买歌菲热提.基于整合的进阶式高中物理教学设计：以“加速度”教学为例[J].物理教学，2022，44（5）：11-15.

（责任编辑" " 黄春香）