基于学习进阶的高中物理规律教学探讨

摘要：把学习进阶理论应用到高中物理规律教学，依据学生已有知识和认知特点锚定进阶起点，分析课标确定进阶终点，在教学过程中深入研究教材，精准设置进阶层级，确定进阶水平，巧妙创设问题情境，并用于解决实际问题，有效评价学习过程，从而实现教学目标，促进学生思维进阶。

关键词：核心素养；高中物理；规律教学；学习进阶；评价

一、问题的提出

物理规律是物理现象、物理过程的本质联系在一定条件下必然发生、发展和变化的规律性的反映，它揭示了物理事物本质属性之间的内在联系，是物理科学的核心内容。物理教学的中心任务，是引导学生了解物理规律，在猜想、探究、验证与应用等多个过程都充分体现出物理规律教学对物理学科核心素养培养的重要性。学习进阶是连接认知理论与课裎教学实践的桥梁，是以培养和发展学生科学思维为本，落实核心素养的重要路径。下面，笔者对学习进阶理论在物理规律教学的应用进行分析，并以《匀变速直线运动的位移与时间的关系》一节为例进行教学设计。

二、学习进阶理论概述

学习进阶是学生在各学段学习同一主题概念时所遵循的连贯的、典型的学习路径的描述，一般呈现为围绕核心概念展开的一系列由简单到复杂、相互关联的概念序列。基于学习进阶的高中物理规律教学，是以学生既有的认知结构为出发点，精心构建问题导向的学习情境，让学生经历探究的过程，通过科学推理、验证等科学方法的运用，发现、总结物理规律，再应用物理规律解释物理现象、解决实际问题。这一教学过程遵循由简至繁、由具象至抽象、再由理论延伸至实践应用的认知升华。

学习进阶包括进阶起点、进阶终点、进阶变量、进阶水平、进阶评价等要素。进阶起点是指学生已有的知识和思维方法；进阶终点是学生应该达到的学习目标；进阶变量是学习进阶的核心，它追踪学生对某一学科核心概念、主题或技能的阶段性发展，通常指学科的核心概念和关键能力，是评价学生学习进步和发展的重要指标；进阶水平是指学习进阶发展路径的中间步骤，描述学生对某一核心概念或技能的理解和掌握程度的不同阶段，从初始阶段到最终目标的达成，呈现出逐步深入、逐级提升的特点；进阶评价是通过收集和分析学生的学习数据，判断学生的学习进度是否与预期的进阶路径相符合，及时为教学提供反馈和指导。

学生学习发展过程中分为5个层级：层级1（经验层级），学生具有的尚未相互关联的日常经验和零散事实；层级2（映射层级），学生能建构抽象术语和事物之间的联系；层级3（关联层级），学生能建构抽象术语和事物数个可观测的具体特征间的关系；层级4（系统层级），学生能从系统层面上协调各个变量间的关系；层级5（整合层级），学生能由核心概念统整对某一科学观念的理解。“匀变速直线运动的位移与时间的关系”学习发展的5个层级如图1所示。

三、基于学习进阶的高中物理规律教学设计

物理规律作为观察、实验与思维相互交融的结晶，深刻地揭示了物理概念间的内在联系，构成了物理知识体系的核心骨架。其高度的概括性与抽象性不仅彰显了人类智慧的卓越成就，而且确立了它在中学物理教学中的不可或缺的地位。这些规律，作为客观存在的反映，不受人类主观意志的左右，只能被逐步发现而无法被人为创造。因此，在物理规律的教学过程中，教师应当引导学生效仿科学家的探究路径，通过观察实验、分析数据、交流讨论等教学环节自主发现规律，而非简单地传授规律内容或进行机械记忆。为实现教学目标，教师需深入剖析课程标准与教材内容，精心选择适合学生开展探究活动的切入点，从而有效促进学生对物理规律的理解与掌握。

（一）分析课标教材确定进阶基础

1.课标解读

物理知识是发展学生核心素养的载体，学生通过深度探究学习活动，不仅能够掌握具体的物理知识和技能，更能在这一过程中实现核心素养的全面提升。教师引导学生利用极限方法探究匀变速直线运动的规律并进行科学论证，通过用公式、图像等方法描述匀变速直线运动，使学生深刻体会物理学高度的概括性、抽象性、简洁性；在解决实际问题中，通过模型建构、科学推理等进一步理解匀变速直线运动的规律，提升学生的科学思维能力。

2.教材分析

本节内容是学生在学习了速度、加速度、位移等概念基础上，进一步探究它们之间的关系。在前一单元的学习中，学生从平均速度的概念逐步过渡到瞬时速度，这一过程中巧妙地融入了极限思想，为学生打开了理解物理学中瞬时现象的大门。以匀速直线运动的v－t图像所围面积等于t时间内运动的位移提出问题，类比匀变速直线运动通过v－t图像求位移的方法，得出位移与时间关系式x=v0t+■at2。学习有关 v－t图面积代表位移的知识，不仅是对已有知识的综合运用，更是对极限思想的进一步学习，体现了教材在关键概念教学上的递进性和螺旋式上升的设计理念。

教学设计要在遵循学生的认知规律和学习规律的基础上，设计由浅入深、由简单到复杂带有思维层级的教学活动，实现学科育人功能和落实核心素养。本节课以学习进阶的问题驱动，通过五个进阶层级的教学活动，帮助学生从感性认识逐步上升到理性认识，培养学生从图像和公式这两个视角研究匀变速直线运动的规律，并能用其解决实际问题。在教学中引导学生体验探究中的极限方法，培养他们借鉴、迁移和跨学科解决问题的高级思维能力。

（二）分析学情锚定进阶起点

学生学习本节课前，已经能应用数学方程式表示匀速直线运动的位移与时间的关系，理解了匀速直线运动v－t图像的物理意义，掌握了匀变速直线运动的速度与时间的关系，能够运用数学知识准确求矩形和梯形面积。在平均速度和瞬时速度的学习中已体会了极限方法，能从公式和图像两个视角研究运动规律。

（三）核心素养的提升为进阶终点

通过本节课的学习，学生能用类比的方法得出匀变速直线运动位移与时间的公式，理解公式的物理意义，并能用其解决实际问题；熟练运用物理图像分析物体运动的规律；体会如何用微元法、极限法探究物理问题，并能将这些方法拓展到其它学科的研究中。

（四）问题驱动层级发展

层级1（经验层级）：匀速直线运动的位移关系式、矩形面积。

教师活动：提出问题1，若物体以v0的速度做匀速直线运动，求t0时间内运动位移。

学生活动：根据匀速直线运动的规律得到x=v0t。

教师活动：提出问题2，请画出该运动的v-t图像，并求出图线在初、末时刻与时间轴围成的面积。

学生活动：建立坐标系，在坐标系中画出一条与时间轴平行的直线，并在时间轴上确定时刻t0，画出0-t0时间内的矩形，求出矩形的面积，如图2中阴影部分面积，即s=v0t0。

图2  物体以v0速度做匀速直线

运动的v-t图

层级2（映射层级）：匀速直线运动的v-t图像的面积能够表示其位移的大小和方向。

教师活动：提出问题3，若物体以-v0的速度做匀速直线运动，求t0时间内运动位移。

学生活动：根据匀速直线运动的规律得到x=-v0t0。

教师活动：提出问题4，请画出该运动的v-t图像，并说出图线在初、末时刻与时间轴围成的面积在时间轴的哪一象限。

学生活动：学生在前面活动的基础上做出以-v0的速度做匀速直线运动的v-t图像，并画出0-t0时间内对应的面积，如图3。通过探究交流得出结论：匀速直线运动的位移在v-t图像中可以用图线与t轴围成的矩形面积表示。若矩形面积在t轴上方表示位移沿正方向；若矩形面积在t轴下方表示位移沿负方向。

图3  物体以v0、-v0速度做匀速

直线运动的v-t图

学习评价：A、B两物体在做匀速直线运动，速度分别为v1、-v2，从计时开始到t时刻的位移分别表示为x1、x2。求：

（1）写出两个物体的x-t的关系式。

（2）在同一个坐标系中分别做出两个物体运动的v-t图像。

（3）在同一个坐标系中分别做出两个物体运动的x-t图像。

层级3（关联层级）：连续经历不同的匀速直线运动的位移。

教师活动：提出问题5，若物体连续经历不同的匀速直线运动，在0～t1时间内物体以v1速度做匀速直线运动，在t1～t2时间内物体以v2速度做匀速直线运动，在t2～t3时间内物体以v3速度做匀速直线运动，求t3时间内物体运动位移。

学生活动：根据匀速直线运动的位移公式可得x=v1t1+v2（t2-t1）+v3 （t3-t2）。

教师活动：提出问题6，请将该运动画在v-t图像中，求出图线在0时刻到t时刻与时间轴围成的面积。

学生活动：学生在问题2和问题3的基础上做出v-t图像，如图4所示。根据图像分别求0～t1时间内的面积、t1～t2时间内的面积、t2～t3时间内的面积，求和得到s=v1t1+v2（t2-t1）+v3（t3-t2）。

图4  连续经历不同速度的

匀速直线运动v-t图

师生合作：教师引导学生对问题5和问题6的结果进行交流，得出结论：物体运动的位移等于各矩形面积之和。

设计意图：引导学生发现匀速直线运动位移可以用v-t图像中图线与时间轴所围成的矩形面积来表示。通过问题5和问题6搭设思维台阶，方便学生形成逻辑推理的链条，为后续提出如何求匀变速直线运动的位移提供借鉴，提升学生的推理思维能力和迁移思维能力。

层级4（系统层级）：匀变速直线运动的v-t图像面积意义及x-t的关系式。

教师活动：提出问题7，教师出示图5匀变速直线运动的v-t图像，让学生求出t时间内的位移。

师生合作：开始学生没有思路，教师提示学生：可以把物体的运动分为5个小段，每个小段起始时刻的瞬时速度由相应的纵坐标表示，每一小段可以近似看成匀速直线运动，这样每一小段的时间与对应的速度的乘积近似看成物体的位移。在v-t图像中，各段的位移可以用一个小的矩形的面积表示，5个小矩形面积之和近似为物体时间t内的位移。为了更精确一些，可以把运动过程划分为更多的小段，小矩形越窄，多个小矩形的面积之和越接近物体的位移。可以想象，如果运动分得很细很细，很多很多小矩形的面积之和就非常精确地表示物体运动的位移了。这样，在t时间内的位移就可以用OABC内的矩形面积和表示。

结论：做匀变速直线运动的物体位移也对应着v-t图像中的图线与对应时间轴所围成的面积。

学习评价：某质点做直线运动的速度和时间关系如图6所示，求质点在3s内通过的位移大小。

图6

设计意图：在匀变速直线运动中，由于速度不断变化，无法直接用矩形的面积表示位移。教师引导学生对运动进行切割分段的方法，采用微积分的思想进行推理求值，发展学生的推理思维能力。通过“学习评价”检测学生用v-t图像的面积表示位移的应用和对积分思想的理解。

教师活动：提出问题7，教师出示图7，请同学们判断物体运动的性质并求出中0～t时间内物体运动的位移。

图7

学生活动：根据匀变速直线运动速度与时间的关系，物体做初速度为v0的匀加速运动；求出0～t内对应梯形的面积x=（v0+v）t，其中v=v0+at整理得到x=v0t+at2。

设计意图：让学生学会用数学语言来描述匀变速直线运动位移与时间的关系，培养学生推理能力和用数学知识解决问题的能力。

教师活动：提出问题8，请同学们指出公式x=v0t+at2中各物理量的意义并说明公式的适用条件。

学生活动：学生交流讨论，说出各物理量的意义，在教师的引导下明确了x、v0、a均为矢量，在利用公式时要注意正方向的选取和单位的统一。