基于诊断的物理教学改进路径研究——以《共点力的平衡》为例

基于诊断的物理教学改进路径研究——以《共点力的平衡》为例

孙丁共   王深奥

杭州市余杭第一中学  

摘 要  测验形式的教学诊断是中学阶段进行教学评价的主要手段，在三新背景下，如何基于诊断发现学生的核心素养缺失，针对性弥补学生的核心素养的问题亟待解决。本文设计了“三环五步”的教学路径，通过“检、诊、治”三个环节、编制测试项目→采集学习数据→输出诊断结果→提炼教学目标→确定干预手段五个步骤，将以培养核心素养为目的的教学改革落在实地。

关键词  物理核心素养  诊断  教学改进  素养弥补

学生习题的错误对学生及教师都是宝藏，其背后往往隐藏着学生物理素养的缺失。如何基于错误诊断，针对性弥补学生的核心素养，设计高效的习题课，为发展学生的素养而教学是目前教育快速发展面临的一大难题。本文就这一问题进行研究与实践，提出了具体的教学路径与教学步骤，并提供了可作参考的实践样例。

在教学实践中，笔者总结出了基于诊断的弥补学生核心素养的物理教学改进路径，如图1所示。这一思路共包含了三个环节、五个步骤，环环相扣，逻辑紧密自然。下面分步骤进行阐述。

一、编制测试项目

练习测验形式的诊断是教学诊断的重要保证，是验证和发展高中物理课堂教学诊断的有效途径，也是有效解决物理课堂教学问题的重要方法。传统的教学诊断偏向从知识角度设计评价指标，如果增加从物理核心素养的角度来设计诊断与分析诊断，了解学生物理学科素养的现有水平及缺失的核心素养的要素水平，更能精确的辅助教学。

案例：如图所示，在场强为E的匀强电场中有一个质量为m的带正电小球A悬挂在绝缘细线上，当小球静止时，细线与竖直方向成37°角，若此时电场的方向恰能使小球受到的电场力最小，则小球所带的电量应为（　　）

A．     B．C．    D．

二、采集学习数据

核心素养是非常复杂的建构, 包含多个不同的维度, 跨越许多不同类型的任务形式。这种复杂性决定了所需收集的证据的多样性。这可以通过多类型采集、多手段采集得到很好得解决：1.以某种公开的方式, 给学生提供对自己的表现或形成的产品进行论证或辩护的机会；2.利用学海等大数据平台精准获得学生作答结束后的统计性数据；3.采集学生的过程性数据，通过与学生半结构化进行访谈、对典型错误拍照或对学生的纠错提出范式，以此明确学生对题目的解读，如何构建模型，具体的解题过程等。

案例：

统计性数据（借助学海平台）：

图 3  学生答题情况

过程性数据（通过书面材料）：

图 4  学生典型错误

三、输出诊断结果

以测试题目考察的多属性入手，以采集的学习数据作为信息输入，经过诊断分析，便能输出学习者的诊断结果。这一步很关键，教师只有深入研究采集的数据，才能提出针对性的解决方案，此外，由于我们在采集数据时关注的是学生的群体性错误，典型性错误，其中恰恰隐藏的是学生群体素养结构中的共同缺陷。

诊断的角度有二：1.有或无：学科知识角度分析知识层面上的缺失，认知心理学的角度分析认知的缺失；2.水平的高低：分析学生是在哪一维度的素养上存在着缺陷；接着剖析学生该维度上何种要素存在缺陷。

案例：

错误原因：对共点力平衡问题两种解决思路掌握不熟练，习惯性用正交分解的手段来解决受力问题，忽略了动态矢量三角形对平衡问题的解决方法；对动态问题知道需要找特殊位置或者特殊情形，但是不知道何时为特殊情形，随意选取了一种特殊情况。

认知问题：简单认为特殊情形能取到极值；缺乏共点力平衡问题解决方法的全方位认知。

素养缺失：根据错误成因的分析可知，科学思维素养中需要弥补的要素是“科学推理”“科学论证”要素。学生不能对常见的物理现象进行分析和推理获得结论并解释，应当属于水平3的层次存在缺陷。不能恰当使用简单和直接的证据表达自己的观点，应当属于水平2的层次存在缺陷。因此可以推知，学生在科学推理水平3及科学论证水平2的层次上存在素养缺陷，需要教师确定相应的教学目标，设计教学方案来弥补。

四、提炼教学目标

根据案例1中暴露出来的学生典型错误，结合错误成因的分析，我们可以确定以下三个教学目标：（1）在共点力的平衡问题中，能根据力的特点选择合适的解决方法；（2）在力的矢量三角形中能辨别“变”与“不变”，将“变”转换到“不变”的特殊情形；（3）将“变化”转化到“不变”后，能使用简单直接的证据论证自己的观点。

五、确定干预手段

结合上一步的教学目标，教师需要确定具体的干预手段。一方面要进行教学设计，主要是设置情境，设置问题链，帮助学生建立合理的问题解读，破解学生的典型错误，从而弥补学生的素养缺陷，提升学生的素养水平。另一方面，要考虑原问题的进一步拓展，设置针对该教学目标的结构化题组进行强化。

1、教学设计。

针对案例1，设计的系列问题如下：

问题1：对于矢量的合成与分解有哪几种处理方法呢？

（如图12是直接合成完成矢量运算，如图13则是先将矢量分解到坐标轴上再进行合成的矢量运算。）

图5  直接合成法                        图6正交分解法

问题2：这两种方法哪一种更便捷呢？分别适合什么样情形呢？

（直接合成的方法作图更简单，放在一个三角形内得到结果更快，更适合于三力平衡的问题；正交分解的方法，将各式复杂的矢量分解到横平竖直的情形，更容易理解，因此更适用于力较多的问题情境）

问题3：对图2电场中的小球受力分析后，有什么力比较特殊吗？

图7  小球的受力分析

（电场力比较特殊，电场的方向与强弱都无法固定；其次是绳子的拉力只知道方向，不知道具体的大小；重力的大小方向都是固定不变的）

问题4：你能尝试用正交分解法和画矢量三角形分别对其求解吗？

图8  用正交分解法求解过程            图9  用矢量三角形法求解过程

问题4：两种方法分别遇到了什么困难？哪一种方法更易解决呢？

（正交分解法遇到了两个未知数，其中一个是角度未知数，涉及到了三角函数，难以找到极值情形，运算过程相对繁琐；矢量三角形在构造三角形时形成了一定困扰，首尾相连的构造花了一点时间，但是在几何上一眼就可以找到极值时的受力情形。总得来说，矢量三角形更快，更便捷省力。）

问题5：该类问题所有的极值问题都是力垂直的情形吗？有没有其他可能？

（这里求解的是最小值，并且对各个力都是模型化、理想化处理的，题目里少了限制条件：1.对正交分解法来说就是函数少了限制定义域；2.对于矢量合成法来说就是对减少了禁止作图区域。）

2、结构化题组

例1（感受矢量三角形与合成分解法）：如图，一轻绳将质量为m的小球与O点相连，用一水平向右的力F拉住小球在图示位置静止，且轻绳与竖直方向的夹角保持为θ，拉力F为多大时才能保持如图所示的平衡状态？

例2（尝试单一态到变化的无数态，思考一变无穷如何处理）：若要拉力F为最小值，试求出此时拉力F的大小。

例3（尝试应用矢量三角形解决问题）：轻绳与竖直方向的夹角θ从0度缓慢变化到90度，求轻绳拉力与力F在该过程中的大小变化情况。

例4（在限制条件下使用矢量三角形解决问题）：若力F大小和方向均可变，轻绳与竖直方向的夹角为θ保持不变，而绳子所能承受的最大张力为1/2mgcosθ，若要拉力F为最小值，试求出此时拉力F的大小。

例5（改变条件为一边不变，另两边夹角不变，三法解题，比较方法）：若用与轻绳方向成90度的力F拉小球，试分析θ缓慢从0度增加到90度（逆时针方向）的过程中，绳子张力与拉力F的大小变化情况。

七、总结

若将知识比作浩瀚海洋中的鱼儿，学生则是海上渔船上的人儿，“授之以鱼不如授之以渔”，错题则是海底的宝藏，其为渔技的武林秘籍，是学生进步与教师教学的宝贵资源。基于诊断的弥补学生核心素养的物理教学路径改进是发展学生核心素养的重要课题。课前，通过编制测试项目，多类型、多手段采集学习数据的方式有助于教师及时捕捉学生的典型错误，进行“望闻问切”输出学生的诊断结果，从心理认知层面及核心素养发展角度审视学生的素养缺陷，定位缺陷进行精准弥补素养从而凝练出教学目标，并开发利用学生的错误资源，精心设计弥补素养缺陷的解决方案，形成系列问题与拓展问题，并进行结构化的题组帮助学生训练掌握。实践表明，基于诊断的弥补学生核心素养的物理教学路径改进是发展学生核心素养的重要抓手，值得推广应用。