初中物理“行为课堂”的构建研究

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  “初中物理‘行为课堂’的构建”是江苏省教育科学十二五规划重点课题,课题研究旨在“构建以’探究行为’为核心学习行为的初中物理课堂”.重点研究学生学习过程中“探究行为”的先行设计、有效导引、课堂组织、科学评价,为落实初中物理的培养目标提供实践途径.
  课题研究自2012年2月启动,2012年10月10日、2013年12月19日和2014年10月28日,课题组成员许帮正、骆波老师3次在江苏省教研室组织的“教学新时空·名师课堂”展示了相关研究课例.2016年7月,课题荣获江苏省第四届教育科学优秀成果奖.
  1 技术路径和研究内容
  课题研究以《义务教育物理课程标准(2011版)》为依据,以课题组所在学校学生为主要研究对象,以学生的学习为视角,以苏科版初中物理教学实践为途径,技术路径如图1所示.
  研究的关键点是学习目标的制定和目标导引下的“探究行为”设计,尤其是保障“探究行为”发生的“思维载体(问题)和资源载体(实验)设计”;重点是“以’探究行为’为核心学习行为的课堂组织”,以及通过“行为评价”和“学习检测”真实、有效性地获取学生学习的信息.
  研究中遵循“学习”特质.“学习”是借助与他人的团结和协作而实现的“协同性实践”,是三种对话性实践的综合:同客观世界的对话;同他人的对话;同自己的对话.倡导组建探究小组,提倡合作学习、竞争学习和个体化学习.
  研究中坚持“以评价促进学习”.遵循基于标准的评价,为探究任务的选定及任务目标的确定提供依据;遵循“认知过程的评估理论”,对课堂学习中学生的探究行为提出设计要求;遵循“形成性评价理论”,为在课堂学习中评价学生的探究行为提供策略支撑.
  需要说明的是该路径具有循环性,意味着“探究行为”的设计和“课堂组织”具有生成性和需要不断优化.
  2 主要认识及研究成果概述
  课题研究始终聚焦初中物理课堂学习,秉持行动研究的程序与特质.按照路径规划,进行了“课标解读”、“文本研读”、“学习载体设计”、“探究行为的设计和课堂组织”、“课堂学习评价”等系列研究,所取得的主要认识及成果如下:
  2.1 明确“探究行为”是初中物理的核心学习行为
  就初中物理学习而言,什么是学生核心的学习行为,厘清并围绕这一问题开展研究,才能凸显研究的价值.
  《课准》指出,义务教育物理课程旨在提高学生的科学素养,并将“科学素养”归结为:终身发展必需的物理基础知识和方法以及良好的思维习惯;初步的科学探究能力和运用研究方法的意识;探索科学的兴趣与热情;振兴中华、将科学服务于人类的使命感与责任感.与此对应的具体的教学实施建议是“重视科学探究式教学”,重在让学生在经历探究中领悟科学方法、培养探究能力.
  就使用的教材而言,刘炳昇教授主编的苏科版义务教育物理教科书注重从“三维目标”出发,以“探究”为核心,围绕“物质·能量·运动和相互作用”三大主题及其相互间关系,构建了不同层次又相互紧密联系的教材逻辑结构体系(图2),并据此设计各单元内容的安排顺序.注重把“探究活动”作为“构建物理基本知识结构、提高学生科学素养、体现课程理念”的主线.
  北京教科院基础教育教学研究中心物理教研室主任陶昌宏先生结合自身几十年的教育教学实践和研究成果,提出了“物理教学的基本特征”,核心内容是:物理教学要坚持以创设问题情景为切入点,以观察实验(事实)为基础,以培养学生思维能力为核心,以提升学生探究能力为重点.
  而课堂教学中要做到有效培养和提升学生的探究能力,一是教师应把“科学探究”作为一种教育理念,使自己的教学行为、教学方式、教学评价发生改变;二是教师要有较强的问题意识,善于观察、形成并提出问题;三是要让学生经历探究过程,学生的探究能力体现在具体的学习过程中,在具体的行为中逐步提升.换言之,学生探究能力的培养不可能只通过理解就能实现,学生必须经历探究的过程,在这个过程中,学生要有相关的“探究行为”(科学探究中有目的的探查活动和体验行为),某一方面的基本能力一定是和相关的行为联系在一起的.
  所以,无论从课标要求、教材特点还是基于一线实践的研究,就初中物理而言,“探究行为”是学生核心的学习行为,要培养学生的探究能力,应注重学生探究行为的设计;要评价学生探究能力的发展,应着眼于学生探究行为的评价.
  2.2 基于标准的文本研读策略
  结合课题研究的观课活动,课题组归纳了当前的物理课堂存在的不足主要有如下几点:对课程标准的把握不清,依据经验改变教学内容;对教材构成和栏目价值不清,重难点把握偏差,课堂时间分配不合理;对章节物理知识建构特征不了解,活动设计和有效导引不到位.要克服这些问题,需要基于物理课程标准进行文本研读,这也是中学物理教师必须培养的“学科教学知识”.
  从课题研究的角度而言,基于标准进行文本研读,是建立以《课程标准》为基准的课堂学习目标体系,导引课堂探究行为和评价设计的需要.具体策略如下:
  2.2.1 解构教材,整体设计“教学流程”
  教学流程设计要建立在对教材的分析基础上.首先必须细致阅读本节教材主体内容,对照课程标准做好解读.不仅要明确知识结构和内容编排,还要关注知识展开的方式,明确物理研究方法.同时还要关注本节教材的前伸性内容和拓展内容.根本目的是保证课堂教学的总体走向及时间划分.
  案例1 《力 弹力》教材分析与流程设计
  本节教材由“力是什么”、“形变和弹力”、“力的测量”三个模块组成.课标要求是“通过常见事例或实验,了解弹力,认识力的作用效果;会测量力的大小”;所以,“力是什么”和“力的测量”是本节的重点,“形变和弹力”是“力是什么”的典型例证和“力的测量”的原理分析,既是重点,也是难点.   本节在知识结构及内容编排上,秉承了苏科版教材的风格,以体验或探究活动为主线.在研究方法上的最大特点是举例归纳,如通过“运动员举起杠铃、铲车举起重物”等多组实例说明物体间存在着相互作用;再通过“手压气球、压弹簧、拉橡皮筋”等实例归纳一种特征很典型的相互作用——弹力,给出弹力的产生条件并定性地给出弹簧测力计的原理,最后通过活动“练习使用弹簧测力计”学会测量力的大小.在“生活·物理·社会”栏目通过举例说明“发生弹性形变的物体具有能量”.
  其次,本节是本章的第一节,章首图信息“力——联系宇宙万物的纽带”,意在说明“世界万物是有联系的,联系的纽带就是相互间的作用——力”.
  所以本节重要的研究方法“归纳法”在授课时必须充分体现,对力的认识则重点要突出“相互作用”的本质特征.紧扣课标,用好教材提供的素材,我们可以确定本课在课堂授课时的总体流程如图3所示.
  2.2.2 基于标准,分知识模块设计“学习目标”
  首先要明确课程标准的要求,把握教学的基本起点;更为重要的是要将课标与教材内容结合,思考学生的实际学习状况,明晰重、难点内容需要达到的具体效度以及实现途径.具体到课时学习目标,一般应该分模块考虑才能获得更加细致的要求.如“形变和弹力”模块,其学习目标可以确定为:体验“手压气球、手压弹簧、手拉橡皮筋”,知道弹性形变;经历“探究弹性形变与外力关系”的活动,了解弹力及其产生条件.
  2.2.3 把握物理知识建构特征,设计探究活动突破“教学重难点”
  每个教学章节的重难点一般分为知识性和方法性的,知识性方面较为显性,方法性方面一般依托或蕴含于知识建构中,这就需要我们明晰每一章节典型的知识建构特征,然后依据认知过程设计探究活动.一般而言,初中物理学习的典型特征是充分体现物理认识论的观点,注重从感性上升到理性;再从理性回归到实践,符合物理知识建构的一般原则:形成认知表象——获得认知技能——构建认知图式.
  2.3 以“探究行为”为核心学习行为的物理课堂操作要点和顶层设计思路
  在课题研究中,课题组一直在不断探索如何构建以“探究行为”为核心学习行为的初中物理课堂.经过“探究行为”设计和评价同步进行的系列课堂实践,课题组归纳了基本的操作要点并获得了顶层设计思路.
  2.3.1 把握课标,研读文本,基于学情,将教材结构转换为学生可学的方式
  教材是课堂学习的载体,是课程标准的具体体现,体现方式一般表现为具体的知识模块.为构建以“探究行为”为核心学习行为的物理课堂,必须准确把握课标要求,明晰教材中每个模块的学习目标,以探究活动的方式设计学习任务.
  “浮力”的学习任务设图如图4所示.
  案例2 “浮力”的学习任务设计图
  2.3.2 关注学生思维发展,注重学生“探究行为”的设计
  教学组织上要通过创设丰富的情景或有效的实验增强学生体验,注重探究的有效导引,让“探究行为”自然发生.
  案例3 探究浮力方向
  学生(体验):
  1.用手将气球拉到某一位置后松手,观察气球最终静止时细线的状态;
  2.倾斜容器,观察乒乓球最终静止时细线的状况.
  问:上述的两组实验中(图5),细线为什么总是呈现竖直状态?它说明了什么?
  学生思考、交流后回答:浮力的方向竖直向上.
  2.3.3 设计“探究行为”时要注重考虑探究行为发生的载体设计
  首先是思维载体的设计,为使思维活动既连贯又不乏跃迁,应将问题整合成具有内在逻辑的问题链,要以“问题链”引动探究行为;其次是资源载体的设计,要以“实验”体现探究行为.物理课程的实践性很强,我们倡导把实验作为核心的课程资源,成为体现学生探究行为和提升学生科学素养的重要途径.
  案例4 “动能 势能 机械能”问题链设计
  问题链1:概念建构(探究活动的准备)
  下列物体是否具有能量?你是如何感受到的?
  ①运动的锤子将铁钉钉入木板;
  ②拉长的橡皮筋能将子弹射出;
  ③被举高的砖块能使小桌陷入沙子中.
  问题链2:提出猜想、设计实验(探究行为的设计)
  ①以小车为研究对象,怎样让它运动起来?
  ②如何显示小车的动能大小?
  ③根据生活经验,动能大小可能与哪些因素有关?
  ④怎样研究上述因素对动能大小的影响?
  问题链3:应用(探究结论的应用)
  ①为什么要规定汽车行驶的最大速度?为什么卡车限速要低一些?
  ②为什么建造水电站时要建造拦河大坝将水位抬高?
  问题链要围绕“探究行为”进行系统设计,要利于“探究行为”广泛、有效地发生.问题链与“探究行为”的关联,如图6所示.
  就顶层的思考而言,构建以“探究行为”为核心学习行为的初中物理课堂,首要考虑的应是准确解读课程标准的要求,在分析教材和学生学情的基础上,把课程标准的要求转化为具体的教学任务和教学策略,即把教材结构转换为学生的学习行为;其次,在学生学习行为设计上,着眼于“探究行为”,注重体现学生“思维”的发展,从认知心理学的角度而言,“行为”是“思维”的体现,“行为”又可以促进“思维”的创新,“行为”与“思维创新”要紧密结合,结合的纽带就是“有价值的问题”和“思维可视化”方式的研究,思维可视化的手段可以是实验或具体实例,也可以是创设物理模型的理论论证,实验必须是现象明确,理论论证则要求注意思维的条理性和物理模型的典型性;再次,要注意渗透“理解性学习”的理念,探究式教学和物理研究本身都强调理解,注意围绕物理核心概念和规律,思考前概念误区,采用合适的认知手段促进学生理解.教学策略上要以实验为基础、以思维为中心、以行为为主线、以变式为手段,重视学生自身的思维冲突和深入思考,在概念或规律的重新建构中养成良好的思维习惯,构建以“探究行为”为核心学习行为的物理课堂顶层设计思路,如图7所示.   2.4 构建基于探究行为的课堂学习评价的生态系统,以评价促进学习
  课堂学习评价有三个关键要素,即清晰的学习目标是前提,科学的评价标准是杠杆,适时的反馈与指导是保障.换言之,教师首先要有“课程标准”的意识,要把课程标准中规定的“内容标准”转化为教学中的“质量标准”,转化的途径是依据课程标准、解读教材文本确定清晰的、可测量、可界定、可评价的课时学习目标.没有课程标准参照的教学无异于失舵的船,没有学习目标参照的评价更像是没有刻度的仪表盘.
  具体到课堂学习评价策略,课题组研究认为,应该由“基于标准”的测量和与学习过程相伴的形成性评价共同组成.
  关于测量技术,可以依据“课时学习目标”采用“习题选择”和“任务设置”的方式进行.关于形成性评价,课堂学习中主要采用“评估”技术.在实施课堂教学时,只要我们能够构建以“探究行为”为核心学习行为的课堂生态,以问题作为指引,然后再设计一定的情境,组织学生通过有目的的实验、研讨或思维交流活动解决所设置的问题,充分体现出学生的“探究行为”.在解决问题的过程中采用“答问”,而非“问答”的方式,组织好师生评估,这就是一种质性评价过程.只有跳出特质论的窠臼,从研究特质向研究过程转变,强调能力与过程的动态、且可控制的相互作用,才能切实起到以评价促进学习的目的.下面,笔者以“长度的测量”学习为例加以说明.
  案例5 利用评价突破“长度的测量”学习重、难点
  例1 刻度尺如何放置?
  学生一般的回答如图8甲所示.
  老师问:这样放可以吗(图8乙)?生答(略)
  老师再问:两种放法的区别在哪儿呢?生答(略)
  老师再问:薄透明尺(学生用)怎么放呢?生答(略)
  评价总结语:刻度尺的刻度线要紧靠被测物体.测量要了解工具的结构特点,这就是规则意识.
  例2 关于估读,究竟应该保留到哪一位?
  教师在黑板上画一个分度为1m的尺子让学生读所测物体长度(图8丙).
  学生答:0.8m.
  逐步添加1dm、1cm分度后再让学生读.
  评价总结语:测量的目的是为了逼近真实值,减小误差,读数时应根据分度值作出估读.
  例3 多次测量取平均值,计算结果保留到哪一位?
  学生回答后可以设问:物体的长度是靠我们测出来的,还是算出来的?
  评价总结语:改进测量方案可以减小误差,但是必须遵循测量的规则.
  2.5 构建初中物理“行为课堂”模型
  综合系列研究案例,课题组构建了初中物理“行为课堂”模型(图9).
  由模型图可知,构建初中物理“行为课堂”共分三个环节:首先,是对课程标准的学习以及文本研读,在此基础上结合学情确定课时学习目标;其次,是“探究行为”的先行设计,依据课时目标,设计“探究活动”,将教材知识结构转换为学生可学的方式,重点考虑保障学生“探究行为”发生的“思维载体(问题链)”和“资源载体(实验)”的设计;再次,是“着眼学科思维”的培养,以“探究行为”为核心的学习行为组织课堂学习.构建中需要建立“课堂评价的生态系统”:一是利用“评估技术”建立随问题而生的形成性评价;二是利用“习题选择”和“任务设置”技术,对照课时学习目标进行终端测量评价.
  归纳研究成果,课题研究的实践价值主要体现在如下四个方面:一是录播或编撰基于课程标准、基于“探究行为”设计和评价物理教学的课例24组,可以为同行设计和组织探究教学提供有益参考;二是发展以问题链为主的思维载体设计技术,开发以实验为主的物理课程资源,让学生在课堂上“动起来”(思维活跃、积极探查),保障“探究行为”的充分发生和适切有效;三是探索学生学习行为评价的新范式,从以量表或试题、具体任务为工具的终端测量走向更能有效关注学生认知过程的质性评价,尝试建立课堂教学评价的生态系统;四是通过理论建模,梳理并形成“行为课堂”顶层设计思路和构建模型.
  课题研究也积累了一批物化成果,成员发表了有关课题研究的论文27篇,其中6篇被人大复印资料转载.
  3 课题研究的后续设想
  十一五期间,笔者曾带领课题组开展了“学生科学’探究行为’的评价研究”(2009——2011年),因为“评价”是建立科学质量观的根本,是促进学生学习的需要.十二五期间,笔者带领课题组开展“初中物理’行为课堂’的构建研究”(2012-2016年),目的是着眼于学生的学习,把握物理学科特质、优化课堂教学生态,构建以“探究行为”为核心学习行为的初中物理课堂.在课题研究中,课题组也不断学习、思考,特别是当前基础教育界对学科核心素养的探讨引起了课题组的关注.课题组研讨认为,围绕“评价”、“探究行为”的课题研究是培养“学科核心素养”的需要,从“评价”——“探究行为”——“核心素养”的研究历程,可以使我们的课题研究逐步从精细化的操作策略走向大观念的教学架构.
  后续研究中,在技术路径上,我们需要不断改进我们在“评价”和“探究行为”研究方面所获得的有效举措,提升教师的评价素养,提高教师的“探究行为”设计能力;在研究内容上,课题组将共同学习和探讨物理学科核心素养,考虑开展“基于学科核心素养的课堂教学研究”;在研究对象上,我们将从个体学校的研究走向区域研究.
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