卞志榮 劉 琦 薛麗娟

(江蘇省天一中學(xué)，江蘇 無錫 214101)

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·教材與教法·

基于學(xué)習(xí)進階理論下的原始問題教學(xué)設(shè)計策略研究

卞志榮 劉 琦 薛麗娟

(江蘇省天一中學(xué)，江蘇 無錫 214101)

學(xué)習(xí)進階不同于“內(nèi)容進階”,它要求我們更加關(guān)注學(xué)習(xí)時的思考方式以及怎樣思考．由于進階的非自發(fā)性,教師在教學(xué)設(shè)計時必須分析學(xué)生學(xué)習(xí)這一主題時的進階起點和進階目標(biāo),尋找適合學(xué)生學(xué)習(xí)進階的最佳途徑,設(shè)計利于學(xué)習(xí)進階的有效活動,實現(xiàn)系統(tǒng)構(gòu)建知識上的進階和思維更快更好地發(fā)展．

學(xué)習(xí)進階； 原始問題； 教學(xué)設(shè)計； 進階策略； 思維發(fā)展

2005年由美國國家研究委員會(NRC)提出的“學(xué)習(xí)進階”理論已成為國際科學(xué)教育領(lǐng)域研究的熱點之一,越來越受世界各國教育界的廣泛關(guān)注．該理論基于標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)評估體系,必須考慮學(xué)生的理解是如何發(fā)展的以及各學(xué)段學(xué)生應(yīng)分別獲取哪些科學(xué)知識和能力，并將學(xué)習(xí)進階定義為“學(xué)習(xí)進階是描述學(xué)生對于某個主題連續(xù)的、更加熟練的思維方式,這些思維方式能隨著學(xué)生對某個主題的學(xué)習(xí)和探究依次發(fā)展．”

一般來講,學(xué)習(xí)進階是一組水平層次,這些層次描述了對一些科學(xué)概念理解的熟練程度．最高層級通常稱作“高錨點”(upper anchor),它代表了我們期望學(xué)生學(xué)習(xí)達到的理解水平,通常它的確定可以依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)和教學(xué)大綱．最低層級通常稱作“低錨點”(lower ahchor)，它代表了學(xué)生進入課堂時已達到的理解水平．在“高錨點”和“低錨點”之間存在著“凌亂區(qū)間”．教學(xué)就是學(xué)生在教師的指導(dǎo)和幫助下,從最初的理解發(fā)展到科學(xué)理解,實現(xiàn)由“低錨點”向“高錨點” 轉(zhuǎn)移．

1 學(xué)習(xí)進階要求我們應(yīng)關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)時的不同思考方式

學(xué)習(xí)進階的“階”代表了學(xué)生不同的思考方式,而不是簡單地是否獲得了某個知識．換句話講,在更高層級“階”上的學(xué)生并不是比更低層級“階”上的學(xué)生知道得更多,而是他們對內(nèi)容的理解方式存在著差異．從“學(xué)習(xí)進階”的理論出發(fā),必須根據(jù)科學(xué)概念間的內(nèi)在邏輯關(guān)系理清學(xué)科知識間的層次關(guān)系,構(gòu)建層次清晰的知識結(jié)構(gòu);必須根據(jù)學(xué)生認(rèn)知思維發(fā)展“進階”的特點,構(gòu)建基于學(xué)生視角的、清晰的“階”．為此,教師要善于發(fā)現(xiàn)學(xué)生對學(xué)習(xí)主題的不同思考角度和方式,有針對性地設(shè)計問題的“階”,促進學(xué)生思維更有效地發(fā)展．

下面通過學(xué)生對原始問題作答情況來分析學(xué)生的不同思考方式．

原始問題.一輛汽車陷入郊外的泥坑中,四周空無一人,只是在不遠處有一顆大樹,現(xiàn)在車內(nèi)僅有一條足夠長、足夠結(jié)實的繩子．請問司機如何才能運用自己的力量把車從泥坑中拉出來?要求寫出完整的解決方案．

本試題的測試對象是我校高一強化班的97位學(xué)生,其中男生64人,女生33人,回收的97份答卷情況是:說得通但不管是否行得通有較為完整的方案87人,無方案的有7人,均為女生．各種方案統(tǒng)計如下.

方案1： 用單股繩一端系在車前端,繩跨過樹叉拉繩另一端．采用此方案有9位學(xué)生．

方案2： 用單股繩一端連在車前端,繩繞過樹干,人在地上拉繩另一端．采用此方案有12位學(xué)生．

方案3： 用單股繩一端連在車前端,繩繞過樹干,人坐在車上拉繩另一端．采用此方案有7位學(xué)生．

方案4： 把單股繩的一端拴在樹干上,繩穿過車前的鐵環(huán)或鉤子,拉繩的另一端．采用此方案有8位學(xué)生．

方案5： 繩的一端系在車前端,繩繞過樹干再回繞到車身,再繞過樹干,再繞過車身,來回若干次,人拉繩的另一端．采用此方案有22位學(xué)生,全部都是男生．

方案6： 用單股繩一端系在車前端,另一端拴在樹干上,人在繩的中點水平拉繩(有1人是向上拉,有1人是向下踩).采用此方案有13位學(xué)生,其中女生有3位．

方案7：把繩子一端拴在樹干上,另一端系在車輪上,利用車輪轉(zhuǎn)動時纏繩獲得較大力來拉車.采用此方案有2位學(xué)生．

由以上統(tǒng)計可以看出,男生有方案的比例高于女生,無方案的比例女生明顯高于男生,是否能說明男生善于觀察生活,善于動腦筋、想辦法解決實際問題;對于方案5竟然有22位學(xué)生且全部是男生,能否說明男生對于初中所學(xué)的簡單機械內(nèi)容留在大腦中的比較多,相反女生遺忘得比較快;但在方案6中男生和女生的比例比較接近,是否能說明男女生對現(xiàn)學(xué)知識的及時應(yīng)用能力差不多．

那么,學(xué)生為什么會設(shè)計出這些不同方案呢?他們是如何思考的呢?現(xiàn)分析如下:絕大部分學(xué)生審題還是比較認(rèn)真的,能抓住問題中只有大樹和一條足夠長、足夠結(jié)實的繩子,樹可以拴繩,可以纏繩,有樹枝可以作為支點等;繩可以拉物體,也可以纏物體等基本用途,結(jié)合初高中物理所學(xué)知識和大腦中已有認(rèn)知，例如，(1) 有力作用就能拉動物體; (2) 力不夠大,在汽車上多繞幾圈,力就能變大幾倍; (3) 力太小應(yīng)用動滑輪能放大對物體的作用力; (4) 利用合力與分力的大小關(guān)系,分力可以大于合力等,盡管方案1、2、3、4有力作用在車上,實際就是人直接拉車,那肯定拉不動,說明學(xué)生在設(shè)計方案時考慮問題不夠全面,缺乏生活經(jīng)驗,一般小汽車大約也要有1.3t左右,靠一個普通人直接從泥坑中拉上來是不可能的;而方案5看似繩子繞過車子很多圈,其實拉力并沒有得到放大,當(dāng)然也拉不動車;只有方案6才是可行性方案,而方案5是否可能呢?

后來我們又呈現(xiàn)了相對應(yīng)的物理習(xí)題讓學(xué)生定時練習(xí),再來看看學(xué)生的作答情況．

圖1

習(xí)題.為了把陷在泥坑里的小轎車?yán)鰜?司機用一條結(jié)實的繩子把小轎車拴在一棵大樹上(俯視圖如圖1),開始時車與樹相距12m,然后在繩的中點用400N的力沿與繩垂直的方向拉繩,中點被勻速拉過60cm．假設(shè)繩子的伸長量可以不計,求小轎車受到的拉力的大小．

當(dāng)堂測試后收回答卷共96份,只有3人做錯,正確率為96.9%．這是否能說明我們的學(xué)生做習(xí)題比較擅長,而對實際問題的分析、解答能力明顯不足．出現(xiàn)這種現(xiàn)象是不是我們的教學(xué)導(dǎo)致的、是不是應(yīng)試教育帶來的必然結(jié)果呢?在全社會都呼吁培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的時候,我們作為教育工作者該做些什么?深層次的教育改革要求我們的教學(xué)不能再惟考施教,應(yīng)著力學(xué)生的能力發(fā)展,跳出課本,走出課堂,聯(lián)系實際,大家也應(yīng)呼吁高考應(yīng)加大對原始問題的考查力度．

2 學(xué)習(xí)進階要求我們應(yīng)關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)時怎樣思考

學(xué)習(xí)進階理論認(rèn)為要關(guān)注學(xué)生怎樣思考,不僅僅是關(guān)注將某一個知識主題按照知識的邏輯結(jié)構(gòu)分成不同的等級,更重要的是要關(guān)注學(xué)生的“錯誤思考”,因為這更能有效地刻畫學(xué)生在特定層級的思考方式,尤其是在“凌亂區(qū)間”,更能描述來自學(xué)生視角真實而有效的思維特征．教師只有知道學(xué)生在學(xué)習(xí)物理的5個階段“事實、映射、關(guān)聯(lián)、概念、整合”中物理概念和思維水平進階的變化情況,才能設(shè)計出有利于學(xué)生進階的內(nèi)容、問題和活動形式．為此我們又呈現(xiàn)了一組原始問題和習(xí)題進行診斷性的了解,通過測評學(xué)生目前所處的學(xué)習(xí)階段,思維發(fā)展的層級,有助于學(xué)情分析,教學(xué)手段優(yōu)化,教學(xué)過程優(yōu)化．

原始問題.在某市近郊公路上發(fā)生了一起交通事故,據(jù)目擊者描述:一輛小汽車在平直公路上向東勻速行駛,一位游客正由南向北從斑馬線上橫穿馬路,司機發(fā)現(xiàn)前方有危險,緊急剎車,仍將正在步行的游客撞傷,汽車最終停在某處．假如你是警察,能否根據(jù)現(xiàn)場留下的一系列痕跡,推算出肇事汽車是否超速行駛?你需要分析哪些數(shù)據(jù)?

由統(tǒng)計可知,學(xué)生對同一個問題的思考大不一樣．

2.1 就加速度的獲得大致有以下幾種思考

(1) 由汽車性能參數(shù)查出剎車加速度a;

(2) 查出輪胎與路面的動摩擦因數(shù),由a=μg求得;

(3) 用警車測試得到a;

(4) 用肇事汽車測出剎車加速度a．

表1

2.2 關(guān)于剎車時間的獲得大致有以下幾種思考

(1) 不查也不測就假設(shè);

(2) 查監(jiān)控錄像記錄獲得;

(3) 通過測定行人的位移和估算行人速度求得；

(4) 車上掉落物件做平拋運動計算出．

2.3 方案設(shè)計存在的主要問題

(1) 絕大部分學(xué)生沒有考慮駕駛員的反應(yīng)時間,說明物理過程分析不詳或?qū)嶋H生活經(jīng)驗不夠豐富．

(2) 交通肇事的判定人命關(guān)天,不能誤判,不僅要嚴(yán)肅、且要精確計算而不能估算．像假設(shè)行人速度1m/s,假設(shè)剎車加速度等都是不科學(xué)的．

(3) 思考問題過于理想化、簡單化,生搬硬套,只要能得到公式中的某個物理量,就不考慮是否符合實際,是否可以直接獲得,如剎車時間,剎車加速度等.

為了比較學(xué)生在解決原始問題與習(xí)題的思維差別,我們在這之后又讓學(xué)生練習(xí)了相對應(yīng)的物理習(xí)題.

習(xí)題.如圖2所示,在某市近郊,一輛小汽車在平直公路上向東勻速行駛,一位游客正由南向北從斑馬線上橫穿馬路,司機在A處發(fā)現(xiàn)前方有危險(游客在D處),經(jīng)0.7s作出反應(yīng),緊急剎車,仍將正步行至B處的游客撞傷,該汽車仍保持勻減速直線運動在C處停下,為了判斷汽車司機是否超速行駛,警方派一警車(和汽車行駛條件相同)以法定最高速度vm=14m/s,行駛在同一路段,由于事前有思想準(zhǔn)備, 司機在肇事汽車的起始制動點A緊急剎車,經(jīng)14.0m后停下來,現(xiàn)測得AB=17.5m，BC=14.0m，BD=2.6m,試問肇事汽車的初速度是多大?有無超速?

圖2

好多學(xué)生見到該題都有恍然大悟之感收回試卷共93份,解答的正確率達到68.5%,還是遠高于原始問題的正確率,具體情況如表2.

可以看出，學(xué)生知識進階好于思維進階,這為我們今后的教學(xué)指明了努力和改進的方向．

表2

3 學(xué)習(xí)進階要求我們優(yōu)化構(gòu)建學(xué)習(xí)進階的方法和途徑

構(gòu)建學(xué)習(xí)進階的方法和途徑有許多,在實際教學(xué)中我們可以根據(jù)學(xué)生對問題的解答情況來構(gòu)建學(xué)習(xí)進階是一種行之有效的途徑．通過分析統(tǒng)計大量學(xué)生對某一個問題或某一類問題的作答情況,從中發(fā)現(xiàn)學(xué)生思維方式的缺陷和凌亂,或?qū)δ骋粋€知識概念、方法的理解透徹程度,來確定下一階段學(xué)習(xí)需要進的“階”．由于“階”的確立是非常復(fù)雜的,比較理想的辦法是通過開放性的問題來測試學(xué)生,它能比較真實地反映學(xué)生的想法．

而原始問題是自然界及社會生活、生產(chǎn)中未被抽象加工的典型現(xiàn)象．它具有客觀真實性、生態(tài)性、隱蔽性和遷移性、開放性的特點,非常適合了解學(xué)生概念理解和方法應(yīng)用的思維層級．

例如,在學(xué)習(xí)“靜摩擦力”時,核心概念是靜摩擦力的方向，書上短短一句話：總是沿著接觸面,并且跟相對運動趨勢的方向相反，然而學(xué)生真正理解此概念,順利實現(xiàn)學(xué)習(xí)進階存在兩大思維障礙,其一是相對運動趨勢方向的判斷;其二是靜摩擦力發(fā)生在相對靜止的物體之間,不管對地是運動還是靜止．為此,教學(xué)中為了了解學(xué)生對靜摩擦力概念的理解程度,我們讓學(xué)生分析解決一組生活類原始問題.

圖3

原始問題1.如圖3所示,A是主動輪,B是從動輪,它們通過不打滑的皮帶傳動,輪的轉(zhuǎn)動方向見圖3．P、Q分別是兩輪邊緣上的點．則關(guān)于P、Q所受的摩擦力的判斷正確的是

(A)P所受的是靜摩擦力,方向向上.

(B)P所受的是滑動摩擦力,方向向下.

(C)Q所受的是靜摩擦力,方向向下.

(D)Q所受的是滑動摩擦力,方向向上.

設(shè)計意圖:通過較為簡單的試題呈現(xiàn)形式——有序的“階”項選擇題,這里的“階”我們認(rèn)為有兩個,一個是P和Q處所受摩擦力是靜摩擦還是滑動摩擦;另一個是“滑動摩擦與靜摩擦”判斷方法的不同．通過學(xué)生的回答來捕捉各種可能的答案,然后我們可以根據(jù)答案來推斷學(xué)生思維遇到的困難,判斷其所處的學(xué)習(xí)進階層次: (1) 一部分學(xué)生對主動輪和從動輪的區(qū)別模糊; (2) 對靜摩擦力和滑動摩擦力的產(chǎn)生條件認(rèn)識不足,認(rèn)為運動的物體受滑動摩擦,靜止的物體受靜摩擦; (3) 即便認(rèn)識到P、Q處受到的是靜摩擦,也無法判斷相對運動趨勢方向等．

根據(jù)上述原始問題作答情況的分析,我們知道學(xué)生對靜摩擦力概念理解的思維層級還不高,為此我們又設(shè)計了以下較為類似的問題讓學(xué)生討論交流,以便更有效地實現(xiàn)這一概念的學(xué)習(xí)進階．

原始問題2.請分析人騎自行車前進時前后輪所受的摩擦力方向．

原始問題3.若人推著自行車前進時前后輪所受的摩擦力方向怎樣?

原始問題4.試分析人走路時前后腳受到地面的摩擦力方向．

原始問題5.家用轎車一般是前驅(qū),你能分析出汽車正常行駛中前后輪受到摩擦力的方向嗎?

4 學(xué)習(xí)進階要求我們靈活設(shè)計有效教學(xué)活動

學(xué)習(xí)進階并非是一種自發(fā)發(fā)展的過程,要求我們在教學(xué)時,應(yīng)積極尋找最佳的教學(xué)序列并精心設(shè)計教學(xué)活動,以促進進階的發(fā)生．由于學(xué)習(xí)進階的路徑并非唯一,在學(xué)習(xí)進階過程中多種進階路徑的出現(xiàn)都有可能,關(guān)鍵是有效度、達成度如何．在構(gòu)建學(xué)習(xí)進階的課堂教學(xué)過程中,要緊緊圍繞思維進階這個主旋律,依托層次清晰的知識邏輯結(jié)構(gòu),科學(xué)系統(tǒng)地搭建基于學(xué)生視角的、清晰的“階”,激發(fā)情感進階,引發(fā)問題進階,驅(qū)動思維進階,促進能力進階,實現(xiàn)學(xué)習(xí)的有效進階．

在高一新授課學(xué)習(xí)“彈力”時,為了觀察剛體的微小形變,絕大部分教師都做了普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書必修1(人教版)第56頁“問題與練習(xí)1”扁玻璃瓶實驗,而且都是千篇一律的做法:向瓶扁的方向用力壓瓶可觀察到透明細管中水面明顯上升,從而說明玻璃瓶發(fā)生了微小形變,匆匆實驗,草草而過．而筆者在做此實驗時,將它精心設(shè)計成系列原始問題讓學(xué)生自主探究解決,有效地實現(xiàn)了實驗和思維的積極進階．其流程如下.

第1步,手舉裝有透明細管的扁玻璃瓶,讓學(xué)生觀察瓶的特征,猜想細管的作用.

第2步,教師向瓶扁的方向用力壓瓶,讓學(xué)生觀察,說出看到的現(xiàn)象.

第3步,提出問題:為什么細管中水位上升?讓學(xué)生思考并回答.

第4步,交流結(jié)果:大部分學(xué)生認(rèn)為是玻璃瓶發(fā)生形變造成細管中水位上升,但有學(xué)生持不同看法,認(rèn)為是手的溫度高于瓶中水的溫度,熱脹冷縮現(xiàn)象造成細管中水位上升.

第5步,會不會是熱脹冷縮現(xiàn)象起主要作用呢?如果不是,你有什么方法加以證明呢?

有學(xué)生很快拿出了方案:換用比手溫高的熱水做同樣的實驗,仍然可以看到細管中的水位上升,筆者按此學(xué)生的方法換用熱水進行實驗,果然如此,從而排除了由于熱脹冷縮現(xiàn)象導(dǎo)致水位上升的結(jié)論．

但可能是由于學(xué)生生活經(jīng)驗的不夠豐富,或者是不能把學(xué)過的數(shù)學(xué)知識很快遷移到具體問題中,沒有學(xué)生想到第2種更加簡便的方案即向瓶子長的方向用力壓瓶子,瓶子截面積就變大(因為周長一定時以圓的面積最大),管中水位下降,立即排除了熱脹冷縮所致．

這樣的教學(xué)設(shè)計不僅讓學(xué)生看到了物體的“微小形變”,更重要的是通過問題的拓展,較好地促進了學(xué)生知識有效學(xué)習(xí)的同時,拓寬豐富了學(xué)生科學(xué)探究的思路和用實驗處理問題的思維能力的有效進階．

再如,筆者在講解這樣一道習(xí)題時,趁勢提出了系列原始問題讓學(xué)生進行討論,不僅使學(xué)生對習(xí)題的處理方法的進階更加牢固,還使得學(xué)生通過習(xí)題得到的結(jié)論及時應(yīng)用于實際生活而嘗到了成功的喜悅,實現(xiàn)了知識、能力和情感的有效進階．

習(xí)題.如圖4所示,晾曬衣服的繩子長為L,兩端分別固定在兩根豎直桿上的A、B兩點,若兩桿之間的距離為d,且繩子的質(zhì)量及繩與衣架掛鉤間摩擦均忽略不計,衣服處于靜止?fàn)顟B(tài),求繩中張力．

圖4 圖5

原始問題1.若一陣恒定的風(fēng)吹來,衣服受到水平向右的恒力而發(fā)生滑動,并在新的位置保持靜止.則繩的張力如何變化?

原始問題2.若曬衣服的繩子離地面比較低,現(xiàn)要晾曬一件長大衣就會碰到地面,你有什么辦法解決這一問題?在你提出的方案中繩子張力與原來比較會不會發(fā)生變化?

可見,通過問題由淺入深的漸進式學(xué)習(xí),學(xué)生的思維能力有了明顯的進階．

最后,需要提醒大家注意的是，學(xué)習(xí)進階不同于內(nèi)容進階．“內(nèi)容進階”是指學(xué)生學(xué)習(xí)特定的、有序的學(xué)習(xí)內(nèi)容,而學(xué)習(xí)進階是指學(xué)生如何思考這些內(nèi)容的思考過程和思考方式．低端的教學(xué)設(shè)計更多的是關(guān)注教學(xué)內(nèi)容的進階,而高端的教學(xué)設(shè)計應(yīng)該是在設(shè)計教學(xué)內(nèi)容的同時,更加關(guān)注學(xué)生對此問題思考的層級,關(guān)注學(xué)生對主題學(xué)習(xí)進階的“低錨點”在哪里,“高錨點”是什么,通過你的教學(xué)在每一個環(huán)節(jié)中使大部分學(xué)生達到什么層級,從而預(yù)設(shè)層次分明的“階”,最大限度地實現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的有效進階．

1 (美)Alica C.Alonzo,翟小銘.學(xué)習(xí)進階:描述學(xué)生思維發(fā)展的有效方式[J].物理教師,2015(11):73-76.

2 曹會,牛振華.巧設(shè)實驗主線 凸顯學(xué)習(xí)的“有效進階” [J].中學(xué)物理教學(xué)參考,2016(8):24-28.

3 呂含吟,邵韜.如何應(yīng)用“學(xué)習(xí)進階”改進高中物理教學(xué)設(shè)計[J].中學(xué)物理,2016(3):68-69.

4 卞志榮,方洪. 加強原始問題教學(xué) 提升學(xué)生思維品質(zhì)[J].物理教師,2016(4):6-9.

本文為無錫市教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃重點課題“高中物理原始問題教學(xué)與實踐研究”(課題批準(zhǔn)號:C/B/2013/002)階段性研究成果.

2016-11-30)