進(jìn)階理論視域下高中物理問(wèn)題鏈的設(shè)計(jì)

李興 陸妍

摘? ? 要：基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，在教學(xué)過(guò)程中教師應(yīng)該根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知和思維水平，結(jié)合學(xué)科的邏輯特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一條進(jìn)階式的問(wèn)題鏈，從原始問(wèn)題到物理模型構(gòu)建，從單一知識(shí)到大單元知識(shí)，從知識(shí)傳授到能力和思維培養(yǎng)，最后到情境遷移能力的達(dá)成，讓學(xué)生真正達(dá)到課程標(biāo)準(zhǔn)要求的學(xué)業(yè)質(zhì)量5級(jí)水平.

關(guān)鍵詞：進(jìn)階理論;問(wèn)題鏈;科學(xué)思維;牛頓運(yùn)動(dòng)定律

提出問(wèn)題和解決問(wèn)題是學(xué)生提升科學(xué)思維水平非常重要的手段.學(xué)習(xí)進(jìn)階理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)是一種不斷積累、不斷發(fā)展的過(guò)程，學(xué)生解決問(wèn)題的關(guān)鍵能力，需要經(jīng)過(guò)許多不同的“中間水平”[1]，這些中間水平稱之為“階”，不同的階對(duì)應(yīng)著不同的認(rèn)知水平.根據(jù)解決的困難程度，問(wèn)題可以劃分為不同的階，一個(gè)個(gè)連續(xù)的階通過(guò)問(wèn)題鏈的形式，將學(xué)生淺層次的思維活動(dòng)與深層次的思維活動(dòng)連接起來(lái)，可以有效促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維水平的發(fā)展.下面以“牛頓運(yùn)動(dòng)定律綜合應(yīng)用”為例探討進(jìn)階理論視域下高中物理問(wèn)題鏈的設(shè)計(jì).

一、設(shè)計(jì)思路

（一）進(jìn)階起點(diǎn)與終點(diǎn)的分析

進(jìn)階起點(diǎn)：《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）中，學(xué)業(yè)質(zhì)量1級(jí)水平要求學(xué)生能初步了解所學(xué)的物理概念和規(guī)律，能將相關(guān)的自然現(xiàn)象和問(wèn)題解決聯(lián)系起來(lái)[2].在“牛頓運(yùn)動(dòng)定律綜合應(yīng)用”的教學(xué)中，進(jìn)階式問(wèn)題鏈的設(shè)計(jì)起點(diǎn)可以從簡(jiǎn)單的推或拉包裹的實(shí)際情境出發(fā)，引出物理的原始問(wèn)題，這符合學(xué)生初始的認(rèn)知水平.

進(jìn)階終點(diǎn)：進(jìn)階問(wèn)題鏈的終點(diǎn)應(yīng)該是我們所期望學(xué)生能夠達(dá)到的最高水平.《課程標(biāo)準(zhǔn)》中指出：學(xué)業(yè)質(zhì)量5級(jí)水平要求學(xué)生能在新的情境中對(duì)綜合性問(wèn)題進(jìn)行分析和推理，獲得正確結(jié)論并做出解釋.因此進(jìn)階問(wèn)題鏈的終點(diǎn)應(yīng)該是能夠培養(yǎng)學(xué)生情境遷移能力的問(wèn)題，也即“情境再入”的問(wèn)題.本教學(xué)案例中的最后一個(gè)問(wèn)題，將“推、拉包裹”的情境，換成“南極科考站拖運(yùn)貨物”的情境，側(cè)重考查學(xué)生情境遷移的能力.

（二）進(jìn)階層級(jí)的設(shè)計(jì)

根據(jù)高中學(xué)生已有的知識(shí)與技能儲(chǔ)備，問(wèn)題鏈的設(shè)計(jì)需要確定合適的層級(jí)，層級(jí)之間的跨度不宜太大，也不宜太小.跨度太大，違背學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，學(xué)生容易產(chǎn)生畏難情緒.跨度太小，學(xué)生的科學(xué)思維水平則得不到充分的發(fā)展.

問(wèn)題鏈層級(jí)的設(shè)計(jì)，可以參照《課程標(biāo)準(zhǔn)》中學(xué)業(yè)質(zhì)量水平5個(gè)等級(jí)的劃分，將問(wèn)題鏈也劃分為5個(gè)層級(jí).其中每一個(gè)層級(jí)大致對(duì)應(yīng)著《課程標(biāo)準(zhǔn)》中的每一個(gè)水平等級(jí).

（三）問(wèn)題鏈設(shè)計(jì)模型

問(wèn)題鏈設(shè)計(jì)模型如圖1所示.

二、教學(xué)實(shí)踐

（一）基于實(shí)際情境的原始問(wèn)題

【原始問(wèn)題】小明同學(xué)要去郵局取一個(gè)比較重的包裹，在不借助其他機(jī)械工具（繩子除外）的情況下，他怎樣做才能比較輕松地拿回他的包裹？

設(shè)計(jì)意圖：這是一個(gè)基于實(shí)際情境的原始問(wèn)題，它與物理問(wèn)題不同的是，原始問(wèn)題沒(méi)有嚴(yán)格的限定條件，也沒(méi)有一個(gè)確定的標(biāo)準(zhǔn)答案.學(xué)生可以根據(jù)平時(shí)的生活經(jīng)驗(yàn)得出不同的答案：可能是推，也可能是拉，或者是提著回來(lái).將生活情境的實(shí)際問(wèn)題作為問(wèn)題鏈的進(jìn)階起點(diǎn)，可以有效激發(fā)學(xué)生的探究熱情，適當(dāng)?shù)亟档瓦M(jìn)階起點(diǎn)的難度.

（二）由原始問(wèn)題向物理問(wèn)題的進(jìn)階

從原始問(wèn)題向物理問(wèn)題轉(zhuǎn)化，需要確定相應(yīng)的物理環(huán)境和條件，便于學(xué)生應(yīng)用物理規(guī)律解決實(shí)際問(wèn)題.原始問(wèn)題向物理問(wèn)題轉(zhuǎn)化的過(guò)程，其實(shí)是去情境化的過(guò)程，也是物理模型構(gòu)建的過(guò)程.根據(jù)要求設(shè)計(jì)如下問(wèn)題.

【物理問(wèn)題】小明從郵局取回一個(gè)質(zhì)量為M的包裹，包裹與地面之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ ，他可以采取如圖2所示的兩種方式勻速移動(dòng)包裹，一種是斜向上拉動(dòng)包裹，另一種是斜向下向前推動(dòng)包裹.請(qǐng)你通過(guò)分析，判斷哪一種方式比較省力？

設(shè)計(jì)意圖：本題是一個(gè)設(shè)置了具體參數(shù)的物理問(wèn)題.與原始問(wèn)題相比，問(wèn)題的指向性更明確，其結(jié)果也相對(duì)確定.本題的設(shè)計(jì)便于學(xué)生構(gòu)建解決牛頓運(yùn)動(dòng)定律應(yīng)用問(wèn)題的基本模型.

《課程標(biāo)準(zhǔn)》指出：學(xué)業(yè)質(zhì)量2級(jí)水平要求學(xué)生能在熟悉的問(wèn)題情境中，利用學(xué)過(guò)的知識(shí)構(gòu)建簡(jiǎn)單的物理模型，并解決問(wèn)題.根據(jù)前面物理問(wèn)題的描述，學(xué)生可以構(gòu)建出該問(wèn)題的物理模型，即水平面上的物體受到恒定斜拉力作用的物理模型.根據(jù)該物理模型的解題步驟：受力分析→正交分解→據(jù)平衡條件列式求解，學(xué)生可以輕松解決問(wèn)題.

（三）從單一知識(shí)向大單元知識(shí)的進(jìn)階

學(xué)業(yè)質(zhì)量3級(jí)水平要求學(xué)生能夠?qū)C合性問(wèn)題進(jìn)行分析和推理，獲得結(jié)論并做出解釋.一個(gè)綜合性問(wèn)題往往是由若干個(gè)小問(wèn)題組成的，每一個(gè)小問(wèn)題涉及的知識(shí)點(diǎn)比較單一.在“牛頓運(yùn)動(dòng)定律綜合應(yīng)用”教學(xué)中，我們可以將物體間相互作用規(guī)律與運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律結(jié)合起來(lái)，還可以從功能關(guān)系的角度解決相應(yīng)的力學(xué)問(wèn)題，從而做到從單一的知識(shí)點(diǎn)向整個(gè)力學(xué)大單元的知識(shí)拓展進(jìn)階.設(shè)計(jì)的進(jìn)階問(wèn)題如下.

【進(jìn)階問(wèn)題1】已知包裹的質(zhì)量M=10kg，包裹與水平地面之間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.75，若小明同學(xué)采用如圖2甲的方式斜向上拉動(dòng)包裹，且拉力與水平地面的夾角是37°，拉力F的大小為100N，小明能夠達(dá)到的最大速度為5m/s，則他最初將包裹移動(dòng)10m需要多少時(shí)間？

設(shè)計(jì)意圖：本題將物體受力分析和物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律兩個(gè)板塊的知識(shí)整合成大單元知識(shí)的綜合性問(wèn)題，有助于提高學(xué)生對(duì)于綜合問(wèn)題的分析和推理能力.

（四）從傳授知識(shí)向關(guān)鍵能力和高階思維培養(yǎng)的進(jìn)階

就具體的物理教學(xué)而言，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中除了接受、領(lǐng)會(huì)知識(shí)本身的內(nèi)容之外，還應(yīng)該主動(dòng)吸收積淀在知識(shí)中的智慧、方法和思維方式.設(shè)計(jì)的問(wèn)題鏈應(yīng)該從知識(shí)傳授轉(zhuǎn)向關(guān)鍵能力和高階思維的培養(yǎng).

【進(jìn)階問(wèn)題2】若小明同學(xué)采用了如圖2乙所示的方式推包裹，卻發(fā)現(xiàn)無(wú)論用多大的力都推不動(dòng)包裹，請(qǐng)你分析一下產(chǎn)生這種情況的原因，并提出合理的解決方案.

設(shè)計(jì)意圖：這是一個(gè)關(guān)于摩擦角的問(wèn)題，摩擦角是一個(gè)較難理解的物理問(wèn)題，只有在深入了解正交分解得到的FX與FY 對(duì)摩擦力的影響之后，才能很好地解決這個(gè)問(wèn)題，對(duì)學(xué)生高階思維的訓(xùn)練起到一定的積極作用.

【進(jìn)階問(wèn)題3】小明發(fā)現(xiàn)郵局有兩個(gè)大小不一的包裹，大包裹的質(zhì)量為M，小包裹的質(zhì)量為m ，兩包裹之間以及包裹與水平地面之間的最大動(dòng)摩擦因數(shù)均為μ.如圖3所示，他將小包裹摞在大包裹上面，向左施加恒定的水平拉力F ，拉力F作用在下面的大包裹上.則小明要想順利地將包裹拉回家，他所施加的水平拉力F的取值范圍是什么？（最大靜摩擦力大小視為等于滑動(dòng)摩擦力大小）

設(shè)計(jì)意圖：這是一個(gè)關(guān)于木塊—木板模型的問(wèn)題，要求學(xué)生靈活使用整體法與隔離法，解決多物體的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題.選擇合適的研究對(duì)象是“牛頓運(yùn)動(dòng)定律綜合應(yīng)用”中非常重要的一個(gè)解題策略，設(shè)計(jì)這個(gè)問(wèn)題則有助于鍛煉學(xué)生正確選擇研究對(duì)象的能力.

（五）從解決物理問(wèn)題向情境遷移能力培養(yǎng)的進(jìn)階

前面的問(wèn)題鏈設(shè)計(jì)中，學(xué)生從原始問(wèn)題出發(fā)，經(jīng)歷了去情境化、構(gòu)建物理模型、大單元知識(shí)系統(tǒng)化、指向關(guān)鍵能力和高階思維培養(yǎng)的問(wèn)題.僅僅這樣，仍未達(dá)到進(jìn)階問(wèn)題鏈設(shè)計(jì)的終點(diǎn).根據(jù)學(xué)業(yè)質(zhì)量5級(jí)水平的要求，應(yīng)該設(shè)計(jì)新的情境問(wèn)題，學(xué)生通過(guò)解決前面的系列問(wèn)題獲得一定的方法與策略，在新的實(shí)際情境中得到充分的展現(xiàn)和應(yīng)用.

【情境遷移問(wèn)題】如圖4甲所示，南極冰面上，科考隊(duì)用拖拉機(jī)借助繩索水平牽引裝有貨物的輕質(zhì)木箱，拖拉機(jī)和木箱（含箱內(nèi)貨物）受到地面給它們的摩擦阻力大小與它們和地面之間的壓力成正比，比例系數(shù)分別為μ1和μ2.已知拖拉機(jī)的質(zhì)量為M，木箱內(nèi)貨物的質(zhì)量為m，木箱的質(zhì)量不計(jì).

問(wèn)題1.拖拉機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)提供的牽引力至少要多大，才能移動(dòng)木箱？

問(wèn)題2.若發(fā)動(dòng)機(jī)提供的牽引力最大功率為P，則拖拉機(jī)拉動(dòng)木箱能夠達(dá)到的最大速度是多大？

問(wèn)題3.如圖4乙所示，拖拉機(jī)一次拖運(yùn)兩個(gè)一模一樣的貨箱（含貨物），將兩個(gè)貨箱上下摞在一起，貨箱與貨箱之間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ3=μ2 .若要成功拖運(yùn)貨物，則拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)提供的牽引力F的大小，應(yīng)該在什么范圍內(nèi)？

問(wèn)題4.如圖4丙所示，若拖拉機(jī)的牽引掛鉤與木箱的掛鉤不在同一個(gè)高度上，繩子對(duì)拖拉機(jī)和木箱（含貨物）的作用力看作均經(jīng)過(guò)它們的重心位置.假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)牽引力的功率足夠大，卻發(fā)現(xiàn)拖拉機(jī)無(wú)論怎么加油門，都無(wú)法拖動(dòng)木箱，可能是什么原因?qū)е碌?？如何解決這個(gè)問(wèn)題？

設(shè)計(jì)意圖：?jiǎn)栴}側(cè)重考查學(xué)生的情境遷移能力.雖然是一道新情境的問(wèn)題，但是核心的物理問(wèn)題都是應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解決物體的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題，解決問(wèn)題的思維方式和策略本質(zhì)上沒(méi)有發(fā)生變化.能夠很好地解決類似新的情境問(wèn)題才能表明學(xué)生真正達(dá)到了學(xué)業(yè)質(zhì)量5級(jí)的水平，也達(dá)到了我們預(yù)期的進(jìn)階終點(diǎn).

三、進(jìn)階式問(wèn)題鏈設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)原則

（一）問(wèn)題必須是“真問(wèn)題”

問(wèn)題鏈的設(shè)計(jì)應(yīng)該指向核心目標(biāo)，立足重點(diǎn)知識(shí)及生成過(guò)程，針對(duì)學(xué)生存在的思維障礙設(shè)計(jì)“真問(wèn)題”.與“真問(wèn)題”相對(duì)的是“假問(wèn)題”，所謂的“假問(wèn)題”是指那些答案顯而易見(jiàn)，學(xué)生根本不需要思考就能回答的問(wèn)題.很多教師喜歡問(wèn)“對(duì)不對(duì)”“是不是”等問(wèn)題，這一類問(wèn)題就是假問(wèn)題，因?yàn)榻處煙o(wú)法從眾多的“附和聲”中區(qū)分哪些學(xué)生是真實(shí)知道的，哪些是“濫竽充數(shù)”的.在實(shí)際教學(xué)中，教師應(yīng)該綜合考慮各種因素，盡量避免出現(xiàn)“假問(wèn)題”[3].

（二）問(wèn)題之間的梯度要符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律及思維水平

問(wèn)題鏈的設(shè)計(jì)不能將若干個(gè)問(wèn)題簡(jiǎn)單地堆砌在一起，相鄰的問(wèn)題之間要先后有序，有一定的遞進(jìn)關(guān)系，必須符合學(xué)生循序漸進(jìn)的認(rèn)知規(guī)律和思維水平.設(shè)計(jì)的問(wèn)題要能夠喚醒學(xué)生已有的認(rèn)知，使得大多數(shù)學(xué)生“跳一跳就能摘到果實(shí)”.

問(wèn)題鏈同時(shí)也是一條思維線，通過(guò)解決思維線上的各個(gè)問(wèn)題，不斷驅(qū)動(dòng)學(xué)生進(jìn)行思考和學(xué)習(xí)的進(jìn)程.這條線上問(wèn)題的選擇，必須有利于學(xué)生科學(xué)思維的進(jìn)階發(fā)展，這樣才能實(shí)現(xiàn)從低階思維向高階思維的轉(zhuǎn)變.

（三）問(wèn)題的設(shè)置要符合物理學(xué)科的邏輯關(guān)系

問(wèn)題鏈的進(jìn)階結(jié)構(gòu)要符合物理學(xué)科的邏輯關(guān)系.問(wèn)題鏈中可以將“物體間的相互作用規(guī)律”作為學(xué)習(xí)的起點(diǎn)，然后進(jìn)行“物體間相互作用規(guī)律、運(yùn)動(dòng)規(guī)律、功能關(guān)系”等大單元系統(tǒng)知識(shí)的研究.再?gòu)恼莆罩R(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橛梦锢硪?guī)律及數(shù)學(xué)工具解決復(fù)雜的綜合性問(wèn)題.最后在情境再入的問(wèn)題中，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生情境遷移能力的目標(biāo).

（四）及時(shí)吸納學(xué)習(xí)過(guò)程中生成的新問(wèn)題

學(xué)習(xí)的過(guò)程本質(zhì)上就是不斷經(jīng)歷“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題—解決問(wèn)題—提出新的問(wèn)題”的過(guò)程.新問(wèn)題是教學(xué)過(guò)程中非常重要的教學(xué)資源.問(wèn)題鏈中不能僅有教師預(yù)設(shè)的問(wèn)題，還應(yīng)當(dāng)隨時(shí)吸納學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中生成的新問(wèn)題.這樣可以從新的角度看待原有的問(wèn)題，就能形成一個(gè)螺旋式上升的問(wèn)題鏈，能夠促進(jìn)學(xué)生自主構(gòu)建物理觀念和物理規(guī)律.

問(wèn)題鏈既是知識(shí)探究的程序鏈，更是學(xué)生思維的觸發(fā)器[4].結(jié)合《課程標(biāo)準(zhǔn)》中學(xué)業(yè)質(zhì)量水平的等級(jí)劃分，根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，設(shè)計(jì)進(jìn)階式的問(wèn)題鏈，可以有效地引領(lǐng)學(xué)生沿著問(wèn)題的階梯去思考、去探究，達(dá)到從低階思維向高階思維發(fā)展的目標(biāo).

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