基于卡甘合作學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)的教學(xué)設(shè)計(jì)*
——以“機(jī)械能守恒定律”一節(jié)為例

李小鋒 裴姍姍 馬曉蘭

（湛江市第二中學(xué) 廣東 湛江 524000）

袁 勇

（佛山市順德區(qū)第一中學(xué) 廣東 佛山 528300）

我國(guó)教育部制定的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2020年修訂）》明確指出模型構(gòu)建是科學(xué)思維的要素之一.教師在教學(xué)過程中應(yīng)該逐步滲透建模的思想，培養(yǎng)學(xué)生的建模意識(shí)和能力.然而如何設(shè)計(jì)教學(xué)讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)主動(dòng)學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)是一線教師需要認(rèn)真思考和探討的問題.經(jīng)過大量的文獻(xiàn)調(diào)研和長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐分析后發(fā)現(xiàn)，采用卡甘合作學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行物理教學(xué)能有效促進(jìn)學(xué)生科學(xué)建模能力的提升，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和效率.

1 科學(xué)建模簡(jiǎn)介

北京師范大學(xué)郭玉英研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年來的研究認(rèn)為，科學(xué)建模能力是主體意識(shí)對(duì)客體現(xiàn)象復(fù)雜加工過程中表現(xiàn)出來的個(gè)性化心理品質(zhì)［1］.學(xué)生基于原有認(rèn)知、實(shí)驗(yàn)觀察從真實(shí)情境中提取能夠表征現(xiàn)象或規(guī)律的關(guān)鍵信息，如圖像或物理量，通過描述和解釋現(xiàn)象或規(guī)律暴露出學(xué)生的前概念或模型存在的問題，從而對(duì)學(xué)生內(nèi)隱的心智模型或建構(gòu)的物理模型進(jìn)行補(bǔ)充和修正，完善模型.因此，教師在教學(xué)中應(yīng)注重學(xué)生建模能力的培養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生形成正確的物理觀念.

然而，物理教學(xué)很容易變成教師滿堂灌和學(xué)生被動(dòng)接受的尷尬局面，學(xué)生個(gè)體的迷思概念很難被發(fā)現(xiàn)和糾正，這導(dǎo)致物理課堂枯燥無(wú)味，學(xué)生逐漸失去學(xué)習(xí)興趣.

2 卡甘合作學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

卡甘合作學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)是由曾任教于美國(guó)高校的卡甘（Spencer Kagan）教授提出的旨在促進(jìn)合作學(xué)習(xí)和主動(dòng)投入的交互式教學(xué)方法［2］.教師可以根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容加以相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形成一節(jié)內(nèi)容豐富的教學(xué)活動(dòng)，即“內(nèi)容+結(jié)構(gòu)=活動(dòng)”.

“結(jié)構(gòu)”是卡甘與其他合作學(xué)習(xí)理論倡導(dǎo)者的差異所在，簡(jiǎn)單地說，結(jié)構(gòu)是一種教學(xué)策略，用以規(guī)定學(xué)生與教師、學(xué)生與教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生與學(xué)生之間如何發(fā)生互動(dòng)，教師只要將特定的學(xué)科教學(xué)內(nèi)容鑲嵌到合作結(jié)構(gòu)中，就能創(chuàng)造出一個(gè)個(gè)新的活動(dòng)來［3］.結(jié)構(gòu)的多樣性能成為學(xué)生枯燥學(xué)習(xí)的調(diào)味品，為課堂帶來樂趣；學(xué)生四肢動(dòng)起來，大腦處于興奮狀態(tài)可以使思維活躍、注意力集中［4］；每個(gè)學(xué)生獲得表達(dá)想法的機(jī)會(huì)，提升學(xué)生的社會(huì)存在感、認(rèn)同感和自我價(jià)值感.

3 教學(xué)流程

結(jié)合以上理論分析和研究，以人教版高中物理必修二第八章第4節(jié)“機(jī)械能守恒定律”一節(jié)為例，探討如何采用卡甘合作學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)建模的物理規(guī)律課教學(xué)，建模流程如圖1所示.

圖1 基于卡甘合作學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)的科學(xué)建模流程——機(jī)械能守恒定律

4 教學(xué)活動(dòng)片段賞析

4.1 創(chuàng)設(shè)情境 表征表述

教師播放奧運(yùn)會(huì)中國(guó)運(yùn)動(dòng)員的跳板跳水過程，引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)動(dòng)能、重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，介紹機(jī)械能的基本概念，提出疑問：運(yùn)動(dòng)員從最高點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)的過程中他的機(jī)械能如何變化呢？

教師引導(dǎo)學(xué)生把運(yùn)動(dòng)員抽象為質(zhì)點(diǎn)，將運(yùn)動(dòng)過程抽象為自由落體運(yùn)動(dòng)，提取物理參數(shù)，從重力做功角度探討重力勢(shì)能減少量和動(dòng)能變化量的關(guān)系.

內(nèi)容1：研究小球做自由落體運(yùn)動(dòng)中的機(jī)械能.

質(zhì)量為m的小球由離地面高為h的位置自由下落，如圖2所示，落地時(shí)速度為v，重力加速度為g，以地面為參考平面，忽略空氣阻力，求：

圖2 小球做自由落體運(yùn)動(dòng)

（1）小球下落全程中重力做功與重力勢(shì)能減少量的關(guān)系；

（2）小球下落全程中重力做功與動(dòng)能變化量的關(guān)系；

（3）分析小球的重力勢(shì)能減少量與動(dòng)能變化量之間的關(guān)系；

（4）如果只研究其中一段過程，如圖3所示，經(jīng)過離地面高為h1的位置1和離地面高為h2的位置2時(shí)速度為分別為v1和v2，則上述表達(dá)式將有什么變化.

圖3 自由落體運(yùn)動(dòng)中的一段過程

結(jié)構(gòu)1：兩人“思考-配對(duì)-分享”.

使用規(guī)則：課前將同桌兩人進(jìn)行編號(hào)，分別為A和B.操作步驟如下.

（1）每人自主學(xué)習(xí)2 min，將分析結(jié)果寫在紙上，老師計(jì)時(shí)，時(shí)間到，停止作答.

（2）同桌兩人將分析過程放在一起對(duì)比，A先向B講解自己的分析過程，B認(rèn)真傾聽，并與自己的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，找出相同和不同點(diǎn).交換角色，B在向A表示感謝后講解，A認(rèn)真傾聽.每人講解時(shí)間控制在1 min之內(nèi)，在分析過程中，要求頭對(duì)頭低聲說，不影響其他組.

（3）最后兩人將結(jié)果整理，盡可能得出彼此都認(rèn)可的分析方法，時(shí)間1 min.

（4）教師隨機(jī)抽取一組學(xué)生將分析過程投影在屏幕上（或者在黑板上寫出分析過程），任意抽取A，B其中一人進(jìn)行匯報(bào)，如果匯報(bào)不夠順利，另一人進(jìn)行補(bǔ)充說明.

（5）其他人對(duì)匯報(bào)結(jié)果進(jìn)行反饋，得出統(tǒng)一結(jié)論，并對(duì)匯報(bào)人表示肯定和鼓勵(lì).

實(shí)踐分析：（1）內(nèi)容.教師創(chuàng)設(shè)真實(shí)的物理情境，將運(yùn)動(dòng)抽象為簡(jiǎn)單的自由落體運(yùn)動(dòng)物理模型，符合學(xué)生基本認(rèn)知規(guī)律.（2）結(jié)構(gòu).學(xué)生先自主學(xué)習(xí)，這決定每個(gè)人在學(xué)習(xí)中需要承擔(dān)自己的責(zé)任.在配對(duì)交流中，絕大部分學(xué)生都樂意參與進(jìn)來，組織語(yǔ)言分析自己的思路并認(rèn)真聽取同桌的表述，當(dāng)遇到不同意見時(shí)學(xué)生會(huì)馬上提出自己的看法，教師能夠觀察到學(xué)生從疑惑到欣喜的表情變化.對(duì)于無(wú)法達(dá)成一致意見的小組，在分享環(huán)節(jié)學(xué)生會(huì)更加仔細(xì)傾聽.當(dāng)聽到“小球的重力勢(shì)能變化量等于動(dòng)能變化量”時(shí)，馬上有學(xué)生提出“重力勢(shì)能變化量是負(fù)值，動(dòng)能變化量是正值，應(yīng)該是重力勢(shì)能的減少量等于動(dòng)能的增加量”.學(xué)生對(duì)物理量的理解更加到位，語(yǔ)言描述更加精確.整個(gè)互動(dòng)過程中學(xué)生更多關(guān)注的是問題本身而不是自己是否會(huì)回答錯(cuò)誤，在這種積極和諧的學(xué)習(xí)氛圍中學(xué)生學(xué)習(xí)傾聽、表達(dá)、辯論，思維更加發(fā)散，班級(jí)存在感和個(gè)人價(jià)值感獲得極大的提升.

4.2 改變條件 歸納推理

如果小球不是做自由落體運(yùn)動(dòng)，而是在斜面上運(yùn)動(dòng)，它的機(jī)械能會(huì)如何變化呢？

內(nèi)容2：研究小球在光滑斜面上做勻變速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的機(jī)械能.

在光滑固定的斜面上靜止釋放一個(gè)質(zhì)量為m的小球，如圖4所示，小球先后經(jīng)過離地面高為h1的位置1和離地面高為h2的位置2，在位置1和位置2的速度分別為v1和v2，斜面傾角為θ，重力加速度為g，以地面為參考平面，忽略空氣阻力.請(qǐng)分析小球從位置1到位置2過程中：

圖4 小球在光滑斜面上做勻變速直線運(yùn)動(dòng)

（1）重力做功與重力勢(shì)能減少量的關(guān)系；

（2）合力做功與動(dòng)能變化量的關(guān)系；

（3）小球的重力勢(shì)能減少量與動(dòng)能變化量之間的關(guān)系；

（4）小球在位置1的機(jī)械能和在位置2的機(jī)械能之間的關(guān)系.

結(jié)構(gòu)2：兩人“思考-配對(duì)-分享”

結(jié)構(gòu)法的使用規(guī)則不變，兩人先獨(dú)立思考，然后互相解釋自己的分析思路，對(duì)不同觀點(diǎn)進(jìn)行整合，并與匯報(bào)同學(xué)的解析過程進(jìn)行對(duì)比，在教師的指導(dǎo)下得出統(tǒng)一結(jié)論.

實(shí)踐分析：（1）內(nèi)容.豎直面拓展為光滑斜面，學(xué)生對(duì)小球重新做出受力分析，判斷各個(gè)力的做功情況，利用動(dòng)能定理得出動(dòng)能的變化量.學(xué)生常見的易錯(cuò)地方在配對(duì)交流環(huán)節(jié)中快速被捕捉并修正，極大促進(jìn)了學(xué)生物理觀念的建立.教師為學(xué)生鋪設(shè)難度逐漸增加的臺(tái)階，有助于學(xué)生復(fù)習(xí)和鞏固受力分析及做功的基本知識(shí)，更為復(fù)雜情境做準(zhǔn)備.（2）結(jié)構(gòu).這個(gè)過程更多的是關(guān)注學(xué)生建模能力的培養(yǎng)及迷思概念的暴露和解決，依舊采用熟悉的“思考-配對(duì)-分享”的結(jié)構(gòu).學(xué)生間的交流更加頻繁，伴隨著激烈的辯論，觀點(diǎn)的碰撞讓學(xué)生更加投入到思考中.學(xué)生感受到的是學(xué)習(xí)的樂趣、思考的力量，這種深刻的學(xué)習(xí)體驗(yàn)是學(xué)生一生的財(cái)富.

4.3 質(zhì)疑創(chuàng)新 模型補(bǔ)充

內(nèi)容3：研究小球在粗糙斜面上勻變速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的機(jī)械能.

將內(nèi)容2中的光滑斜面改為粗糙斜面，其他條件和問題保持不變，請(qǐng)學(xué)生分析結(jié)果將會(huì)有何不同.

結(jié)構(gòu)3：兩人“思考-配對(duì)-分享”.

結(jié)構(gòu)法的使用規(guī)則和操作步驟不變，教師可根據(jù)學(xué)生的具體情況進(jìn)行時(shí)間調(diào)整.在學(xué)生匯報(bào)完畢后，教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)機(jī)械能守恒的條件.

教師：小球重力勢(shì)能的減少量是否還與動(dòng)能的增加量相等？有什么關(guān)系呢？

學(xué)生：小球重力勢(shì)能的減少量比動(dòng)能的增加量要大.

教師：為什么小球減少的重力勢(shì)能沒有完全轉(zhuǎn)化為小球的動(dòng)能呢？

學(xué)生：小球與斜面之間摩擦產(chǎn)熱.

教師：此時(shí)小球的機(jī)械能如何變化？

學(xué)生：小球機(jī)械能變小.

教師：請(qǐng)同學(xué)們結(jié)合以上分析從做功和能量轉(zhuǎn)化的角度總結(jié)出機(jī)械能在何種情況下保持不變.

實(shí)踐分析：（1）內(nèi)容.光滑斜面變?yōu)榇植谛泵妫∏虻氖芰Ω訌?fù)雜.學(xué)生寫出動(dòng)能定理并移項(xiàng)后發(fā)現(xiàn)，初、末狀態(tài)的機(jī)械能不相等，有學(xué)生解釋“小球受到摩擦力作用”“摩擦產(chǎn)熱”“一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能”“減少的重力勢(shì)能沒有完全轉(zhuǎn)化為動(dòng)能”等.此時(shí)教師引導(dǎo)學(xué)生從受力、做功和能量轉(zhuǎn)化的角度對(duì)模型進(jìn)行歸納推理，適當(dāng)拓展至有彈力做功的情況，得出機(jī)械能守恒定律.（2）結(jié)構(gòu).學(xué)生經(jīng)歷了3次同桌“思考-配對(duì)-分享”的過程，基本掌握合作技巧.在語(yǔ)言表達(dá)方面能夠?qū)崿F(xiàn)低聲說、簡(jiǎn)潔表述等基本要求，及時(shí)反饋問題并探討.學(xué)生沉浸在思考和探討的濃厚氛圍里，說明卡甘合作學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)對(duì)學(xué)習(xí)過程有極大地促進(jìn)作用.

4.4 拓展遷移 模型應(yīng)用

內(nèi)容4：判斷下列物體在運(yùn)動(dòng)過程中的機(jī)械能是否守恒.

如圖5所示：（a）小球做平拋運(yùn)動(dòng)；（b）小球在輕繩作用下在豎直平面內(nèi)繞O點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)；（c）跳傘運(yùn)動(dòng)員勻速下降；（d）小明同學(xué)乘電梯從1樓上升至10樓.

圖5 判斷物體在運(yùn)動(dòng)過程中的機(jī)械能是否守恒

結(jié)構(gòu)4：兩人“輪流說”.

使用規(guī)則：課前將同桌兩人進(jìn)行編號(hào)，分別為A和B.

操作步驟如下：

（1）A獨(dú)立判斷（a）和（c）兩個(gè)問題，B獨(dú)立判斷（b）和（d）兩個(gè)問題.

（2）A向B分析自己的判斷過程及結(jié)果，B傾聽；然后A和B互換角色，B講A聽.在分析過程中如遇到不同的意見同桌兩人討論交流，如果無(wú)法達(dá)成一致意見可暫時(shí)擱置，分析下一個(gè)問題.在分析過程中，要求頭對(duì)頭低聲說.

（3）教師任意抽取一組學(xué)生匯報(bào).在匯報(bào)時(shí)，A和B交叉分析對(duì)方的題目，即A分析（b）和（d），B分析（a）和（c），促使學(xué)生自主和合作學(xué)習(xí)，嘗試?yán)斫馑说挠^點(diǎn).

（4）在匯報(bào)過程中，如果對(duì)匯報(bào)有異議，可直接提出并討論，但要注意語(yǔ)氣和用詞，教師在必要時(shí)給予指導(dǎo).

實(shí)踐分析：（1）內(nèi)容.在遇到具體情境或較復(fù)雜的問題時(shí)，學(xué)生會(huì)不假思索地用前概念分析問題，這是一種思維定勢(shì).交流中，同桌兩人很快出現(xiàn)爭(zhēng)議：做平拋運(yùn)動(dòng)的小球機(jī)械能守恒，但豎直平面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)中，學(xué)生會(huì)不假思索地認(rèn)為繩子拉力對(duì)小球做功，機(jī)械能改變.跳傘過程中認(rèn)為勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)動(dòng)能不變，機(jī)械能也不變.有學(xué)生誤認(rèn)為電梯加速時(shí)人的機(jī)械能增加、減速時(shí)機(jī)械能減少.前概念被暴露出來后，與新知識(shí)的矛盾得到修正，建立科學(xué)的物理觀念.（2）結(jié)構(gòu).輪流說的模式極大地將矛盾暴露出來，促使學(xué)生尋找證據(jù)支撐自己的觀點(diǎn)，在他人分享時(shí)注意觀點(diǎn)的漏洞，及時(shí)提出解決方法.當(dāng)學(xué)生各分兩派討論跳傘運(yùn)動(dòng)員的機(jī)械能和乘電梯中人的機(jī)械能的變化時(shí)，整節(jié)課的氣氛達(dá)到高潮.學(xué)生學(xué)會(huì)反思，欣賞他人，思維通過發(fā)散和整合變得更加嚴(yán)謹(jǐn).

內(nèi)容5：估測(cè)按壓式圓珠筆內(nèi)彈簧彈性勢(shì)能的大小.

日常使用的按壓筆在按壓后筆內(nèi)彈簧具有一定的彈性勢(shì)能，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并粗略測(cè)量彈簧的彈性勢(shì)能.每支按壓筆的質(zhì)量為5.3 g，g取9.8 m／s2.

結(jié)構(gòu)5：同桌配對(duì).

使用規(guī)則：（1）同桌兩人共同設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并進(jìn)行嘗試.

（2）實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，明確各自分工，兩人協(xié)同實(shí)驗(yàn)，一人負(fù)責(zé)讀數(shù)和記錄。實(shí)驗(yàn)完畢，一人負(fù)責(zé)填寫實(shí)驗(yàn)步驟，另一人填寫注意事項(xiàng).

（3）同桌兩人分別進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出具體結(jié)果.

（4）教師任意抽取一組同學(xué)進(jìn)行匯報(bào)，并與其他同學(xué)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.

實(shí)踐分析：（1）內(nèi)容.利用抽象的物理規(guī)律解決實(shí)際問題是個(gè)難題，部分學(xué)生一時(shí)不知所措.有學(xué)生不斷嘗試后發(fā)現(xiàn)，可以測(cè)量筆彈起來的高度求出重力勢(shì)能，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢(shì)能.教師創(chuàng)設(shè)具體的問題情境，讓學(xué)生體會(huì)利用物理知識(shí)解決實(shí)際問題的優(yōu)勢(shì)，不僅鞏固、深化和活化對(duì)規(guī)律的理解，也讓學(xué)生學(xué)到分析問題的方法，提高解決問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)造力［5］，同時(shí)領(lǐng)會(huì)守恒思想在物理學(xué)中的重要作用.（2）結(jié)構(gòu).學(xué)生的分工協(xié)作、溝通交流、質(zhì)疑創(chuàng)新、人際交往等能力得到極大提升，學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力也在輕松歡快的探索環(huán)境中得以提高，實(shí)現(xiàn)了深度學(xué)習(xí)的目標(biāo).

5 總結(jié)

采用科學(xué)建模的方法，學(xué)生經(jīng)歷表征表述、歸納推理、質(zhì)疑創(chuàng)新、模型補(bǔ)充、遷移應(yīng)用等環(huán)節(jié)，模型建構(gòu)能力得以提升，迷思概念得以暴露并進(jìn)行修正，學(xué)會(huì)應(yīng)用物理知識(shí)解決問題，形成對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)知.采用卡甘合作學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)能有效提高學(xué)生的參與度，激發(fā)學(xué)習(xí)的積極性，形成積極的學(xué)習(xí)氛圍，提升自主學(xué)習(xí)能力，促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的提高，落實(shí)學(xué)科育人的重要目標(biāo).