黃藝雯 宋善炎 張瑜

【摘 要】本文依托“勻變速直線運(yùn)動(dòng)位移與時(shí)間的關(guān)系”教學(xué)設(shè)計(jì)，提出在高中物理教學(xué)中促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的策略：突出學(xué)生主體地位，升級課堂流程;借助虛擬實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)物理情意;鼓勵(lì)學(xué)生參與活動(dòng)，收獲課堂體驗(yàn);抓住知識的本質(zhì)，提升能力高度。

【關(guān)鍵詞】深度學(xué)習(xí) 高中物理 核心素養(yǎng) 教學(xué)設(shè)計(jì)

【中圖分類號】G ?【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2021）02-0143-03

如何在高中物理課堂教學(xué)中提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，“好的教學(xué)設(shè)計(jì)”是關(guān)鍵。何謂“好的教學(xué)設(shè)計(jì)”？筆者認(rèn)為，能夠促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，指向?qū)W科核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)，可稱之為“好的教學(xué)設(shè)計(jì)”?？v觀現(xiàn)實(shí)情況，有很多物理教師在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，尤其是針對物理概念的設(shè)計(jì)時(shí)，都會傾向于直接向?qū)W生傳授知識點(diǎn)，這可能會導(dǎo)致學(xué)生碎片化地接受知識。學(xué)生沒有經(jīng)歷自主探究獲得知識的過程，便會缺少學(xué)習(xí)物理概念的體驗(yàn)，進(jìn)而阻礙學(xué)生物理核心素養(yǎng)的形成。深度學(xué)習(xí)的提出應(yīng)當(dāng)引發(fā)教師思考，深度學(xué)習(xí)不是把知識“平移”“灌輸”給學(xué)生，而是由教師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入知識發(fā)現(xiàn)的過程中，引導(dǎo)、幫助學(xué)生成為知識發(fā)現(xiàn)的 “參與者”，而不是“旁觀者。”

物理概念是物理知識的重要組成部分，在物理教學(xué)中，幫助學(xué)生正確建立物理概念對學(xué)生學(xué)習(xí)物理有重大意義。學(xué)生對物理概念的學(xué)習(xí)具有高起點(diǎn)性，即學(xué)生無須經(jīng)歷漫長曲折的摸索，就能直接面對人類由感性認(rèn)識上升成理論的成果，這也意味著，在物理概念的學(xué)習(xí)當(dāng)中，學(xué)生不需要在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中從頭開始探索，也不用從實(shí)踐中積累經(jīng)驗(yàn)。這往往會導(dǎo)致物理概念教學(xué)走上一條“捷徑”：將知識的傳遞當(dāng)成目的，將教學(xué)定位為知識的“輸入”與“輸出”，直接將知識“灌輸”“平移”給學(xué)生。但是，指向核心素養(yǎng)的深度學(xué)習(xí)是對表層與機(jī)械學(xué)習(xí)的挑戰(zhàn)，“活動(dòng)與體驗(yàn)”正是深度學(xué)習(xí)的核心。所以物理概念教學(xué)一定要讓學(xué)生親身經(jīng)歷知識結(jié)構(gòu)的形成過程。

一、突出學(xué)生主體，升級課堂流程

下面筆者以人教版物理教材必修一第二章第三節(jié)《勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間的關(guān)系》一課為例，闡述教師如何將教學(xué)設(shè)計(jì)從“教師之教”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩W(xué)生之學(xué)”，進(jìn)而對接學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的發(fā)生、提升學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)為原則，精心設(shè)計(jì)具有教學(xué)意圖的結(jié)構(gòu)化材料;遵循學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，循序漸進(jìn)地實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的;營造和諧、平等、合作、寬松的教學(xué)互動(dòng)氛圍，及時(shí)根據(jù)教學(xué)反饋調(diào)整教學(xué)活動(dòng)。

（一）一般教學(xué)流程設(shè)計(jì)

教材在本節(jié)的內(nèi)容安排是先介紹質(zhì)點(diǎn)勻速直線運(yùn)動(dòng)的位移，在v-t圖象中，用圖象與t軸圍成的面積表示，再用“思考與討論”欄目中提供的一份研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的真實(shí)測量記錄，引導(dǎo)學(xué)生討論“怎樣根據(jù)測量記錄中的數(shù)據(jù)求出該物體運(yùn)動(dòng)的位移”，再滲透一種科學(xué)思路——“一個(gè)變化過程在極短時(shí)間內(nèi)可以認(rèn)為是不變的”，利用“分割—替代—等效”的過程，將勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移表示成一系列矩形面積之和，最后總結(jié)得出速度對時(shí)間的積累效果（位移）是用v-t圖像與t軸圍成的面積來表示的。遵循此思路設(shè)計(jì)的教學(xué)流程如圖1所示：

（二）落實(shí)深度學(xué)習(xí)的教學(xué)過程設(shè)計(jì)

此過程遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，一步步化解難點(diǎn)，概念準(zhǔn)確且線索清晰。不難發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中，學(xué)生的主體性凸顯不明，在思考與討論環(huán)節(jié)，學(xué)生的參與度雖高，但在其他環(huán)節(jié)，教師的引導(dǎo)依舊占主體地位。最關(guān)鍵的是，學(xué)生的“活動(dòng)與體驗(yàn)”不夠，學(xué)生在按照教師預(yù)設(shè)好的路線走，這導(dǎo)致知識傳遞雖高效，但缺少了知識創(chuàng)生的情境，進(jìn)而阻礙知識的吸收。為了讓學(xué)生更加積極地參與教學(xué)活動(dòng)，勇于實(shí)踐，筆者在教學(xué)勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間的關(guān)系這一內(nèi)容時(shí)，從實(shí)驗(yàn)探究入手，通過建立真實(shí)情境，激發(fā)學(xué)生探究的興趣，促使學(xué)生思考與討論，借此培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。這一教學(xué)思路從“知識為本”轉(zhuǎn)向“以人為本”，落實(shí)了深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)，提升了學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，體現(xiàn)了物理學(xué)科的育人價(jià)值。筆者以深度學(xué)習(xí)是否發(fā)生的五個(gè)判據(jù)為抓手，設(shè)計(jì)如圖2所示的教學(xué)流程圖。

二、借助虛擬實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)物理情境

教師可利用虛擬實(shí)驗(yàn)軟件Algodoo創(chuàng)建一個(gè)物體做勻加速直線運(yùn)動(dòng)的物理情境，記錄物體做勻加速直線運(yùn)動(dòng)的v-t圖，從v-t圖中可直接讀出任意時(shí)刻物體運(yùn)動(dòng)的速度和位移大小。筆者利用Algodoo創(chuàng)建了一個(gè)小鋼球從固定傾角的斜面滑下的情境，給小球初速度，關(guān)閉空氣阻力和摩擦力對小球的作用，小鋼球從斜面滑下的過程做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，生成v-t圖并記錄數(shù)據(jù)（運(yùn)動(dòng)場景如圖3所示），得到的v-t圖為在原點(diǎn)之上的傾斜線段，根據(jù)圖中數(shù)據(jù)即可讀數(shù)。（記錄的速度時(shí)間數(shù)據(jù)如表1所示）

三、學(xué)生參與活動(dòng)，收獲課堂體驗(yàn)

（一）嚴(yán)謹(jǐn)處理數(shù)據(jù)圖象，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感

小球做初速度不為0的勻變速直線運(yùn)動(dòng)，記錄0s—1.6s的速度和位移，每間隔0.05s記錄下瞬時(shí)速度從圖中得到真實(shí)位移為4.05m，對應(yīng)的速度—時(shí)間數(shù)據(jù)如表1所示（分析數(shù)據(jù)，取時(shí)間間隔0.05s，0.15s—0.2s，0.45s—0.5s，0.7s—0.75s，1.0s—1.05s，1.3s—1.35s這五個(gè)時(shí)間間隔下△v=0.076m/s，其余間隔下均為0.075m/s，相對誤差為1.3%，在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，故可視為勻變速直線運(yùn)動(dòng)）。

（1）分析教材“思考與討論”部分給出的案例，將1.6s均分成兩等份，即△t=0.8s，利用表1中0s，0.8s，1.6s對應(yīng)的速度估算位移△x。

（2）讓學(xué)生在方格紙中將自己估算的位移在v-t圖用圖象呈現(xiàn)出來。

采用同樣的估算法計(jì)算△t=0.4s，0.2s，0.1s，0.05s時(shí)的位移，并將估算的結(jié)果在同樣的v-t圖中呈現(xiàn)出來。教師可將學(xué)生分成5組，每組分發(fā)不同的導(dǎo)學(xué)案。展示導(dǎo)學(xué)案成果，橫向比較，小組討論比較結(jié)果。（對比結(jié)果如表2所示）

對比估算位移和估算面積的圖象得出如下結(jié)論：①時(shí)間間隔越短，估算所得到的位移越趨近于真實(shí)位移;②時(shí)間間隔越短，在v-t圖中呈現(xiàn)的圖形面積越趨近于v-t圖與t軸圍成的梯形的面積。

（二）提升科學(xué)探究能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維

本環(huán)節(jié)圍繞學(xué)生的活動(dòng)與體驗(yàn)展開，是深度學(xué)習(xí)的核心特征，學(xué)生要成為學(xué)習(xí)的主體就要有“活動(dòng)”，并且學(xué)生的主動(dòng)活動(dòng)依賴教師的精心設(shè)計(jì)和隨堂引導(dǎo)。學(xué)生通過自主探究，對教材思考與討論中的估算法形成理性認(rèn)識：每段時(shí)間內(nèi)的位移與圖象中的面積一一對應(yīng)相等，體現(xiàn)了數(shù)形結(jié)合的思想;為了使估算的位移更接近真實(shí)位移，需要把時(shí)間進(jìn)行無限分割，然后用每一段時(shí)間初始時(shí)刻的速率代替整個(gè)時(shí)間間隔的速率，即分割—替代—積累，這就是微積分思想的滲透;無數(shù)個(gè)矩形面積的和趨近于梯形面積，這是極限思想的體現(xiàn)。

（三）指向核心素養(yǎng)，建構(gòu)物理觀念

通過學(xué)生探究和教師引導(dǎo)，不難將學(xué)習(xí)方法遷移到把整個(gè)過程時(shí)間間隔劃分更小，無數(shù)個(gè)小矩形的面積之和就能非常準(zhǔn)確地代表物體的位移，即v-t圖與t軸圍成的面積代表位移的大小。由梯形面積計(jì)算公式和v=v0+at，得出位移公式：x=v0t+at2。

物理觀念的建構(gòu)要經(jīng)歷從未知到已知的發(fā)展過程，教師要將每一步教學(xué)的起點(diǎn)建立在學(xué)生的已有認(rèn)知上，讓學(xué)生經(jīng)歷有意義的學(xué)習(xí)過程，幫助學(xué)生建立新舊知識之間的聯(lián)系。學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果與教師對教學(xué)內(nèi)容的把握有很大的關(guān)系，教師在此環(huán)節(jié)中不斷搭建腳手架，即抓住主要矛盾，化解難點(diǎn)，旨在讓學(xué)生從已知向未知不斷遷移。對教師而言，利用虛擬實(shí)驗(yàn)軟件Algodoo進(jìn)行教學(xué)，不僅體現(xiàn)了教育信息化時(shí)代背景下，教師主動(dòng)提升信息化教學(xué)水平的能力，也能極大激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，起到事半功倍的效果。此外，物理情境的創(chuàng)設(shè)以信息技術(shù)為載體，以教材中的案例為切入點(diǎn)，使本節(jié)課的設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理。

四、把握知識本質(zhì)，提升能力高度

（一）本質(zhì)與變式

估算不同時(shí)間間隔下整段運(yùn)動(dòng)過程的位移與面積圖象，不僅體現(xiàn)了對勻速直線運(yùn)動(dòng)特征的遷移能力，更體現(xiàn)了深度學(xué)習(xí)的“本質(zhì)與變式”。學(xué)生對微積分思想的體驗(yàn)不是直接由教師傳遞得到，而是他們真實(shí)、主動(dòng)地“進(jìn)入”知識發(fā)現(xiàn)的，學(xué)生親身經(jīng)歷知識的“再發(fā)展”過程，進(jìn)而對學(xué)習(xí)的對象進(jìn)行深度加工，從而把握知識的本質(zhì)，最終實(shí)現(xiàn)遷移（從勻速直線運(yùn)動(dòng)遷移到一般勻變速直線運(yùn)動(dòng)）。學(xué)生結(jié)合所畫圖象和微積分思想自然得到x=S梯，繼而推得勻變速直線運(yùn)動(dòng)位移與時(shí)間的公式。為了提升學(xué)生學(xué)習(xí)能力，教師還可以進(jìn)行變式提問：“對勻變速直線運(yùn)動(dòng)，一段時(shí)間內(nèi)，v-t圖象與t軸圍成的面積可以代表這段時(shí)間內(nèi)的位移，對非勻變速直線運(yùn)動(dòng)是否也有這樣的結(jié)論？”學(xué)生回答：“根據(jù)微元法，同樣可以把非勻變速直線運(yùn)動(dòng)分成無數(shù)個(gè)很小的時(shí)間間隔，每一段時(shí)間間隔內(nèi)可看成勻速直線運(yùn)動(dòng)，通過再累加可證明對于非勻變速直線運(yùn)動(dòng)v-t圖象與t軸圍成的面積仍可以表示這段時(shí)間內(nèi)的位移?！?/p>

（二）遷移與應(yīng)用

教師繼續(xù)追問：“在微元法中，我們是通過估算法求不同時(shí)間間隔下的位移，時(shí)間間隔越小，求得的位移越趨近于真實(shí)位移。有沒有其他方法既能夠把誤差降到最小又能夠推導(dǎo)出位移公式呢？”對這個(gè)問題，教師可安排學(xué)生討論，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的關(guān)鍵—— 勻變速直線運(yùn)動(dòng)中也可以用整段時(shí)間的平均速率替代整段時(shí)間的速率。學(xué)生通過小組合作計(jì)算出不同時(shí)間間隔下的位移。（如表3所示）

從表3中明顯可看出，在不同時(shí)間間隔下計(jì)算出的位移幾乎都等于真實(shí)位移。學(xué)生可在速度—時(shí)間圖象中，進(jìn)一步中畫出用平均速度大小替代整個(gè)過程中的速度大小，通過分析圖象感受“割補(bǔ)法”，利用也可求得位移公式。

教師之后可安排課本例題練習(xí)，讓學(xué)生體會x=v0t+at2在解題中的應(yīng)用，適當(dāng)補(bǔ)充勻減速直線運(yùn)動(dòng)方面的問題，培養(yǎng)學(xué)生一題多解的能力。

本節(jié)內(nèi)容的關(guān)鍵就在于微元法的滲透，從勻速直線運(yùn)動(dòng)到勻變速直線運(yùn)動(dòng)，再到非勻變速直線運(yùn)動(dòng)，不斷產(chǎn)生知識的關(guān)聯(lián)性，學(xué)生的知識體系就不再是孤立的、零散的，而是在教師的引導(dǎo)下不斷產(chǎn)生聯(lián)想，將新舊知識進(jìn)行再關(guān)聯(lián)與再建構(gòu)，從而形成完整的知識結(jié)構(gòu)，這正是學(xué)習(xí)物理這門邏輯嚴(yán)密的自然學(xué)科所需要的。

本文的教學(xué)設(shè)計(jì)注重學(xué)生自主獲取知識的過程，從一個(gè)真實(shí)物理問題入手，將“微積分”這樣一個(gè)在物理學(xué)發(fā)展中極為有效和深刻的思維方法，以簡約化的方式呈現(xiàn)出來，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和研究方法，體現(xiàn)了物理學(xué)科的核心素養(yǎng)，讓學(xué)生在自主學(xué)習(xí)中，從提高“解題能力”轉(zhuǎn)向提高“解決問題的能力”，進(jìn)而轉(zhuǎn)向“發(fā)現(xiàn)問題的能力”。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]宋善炎，丁向陽.“有意義學(xué)習(xí)”與“有意義的學(xué)習(xí)經(jīng)歷”[J].教育科學(xué)研究，2010（3）.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：4.

注：本文系湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革項(xiàng)目“基于深度學(xué)習(xí)的物理課程與教學(xué)論課程教學(xué)改革研究與實(shí)踐”（編號：HNJG-2020-0164）研究成果。

【作者簡介】黃藝雯（1996— ），女，湖南師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院課程與教學(xué)論（物理）碩士生;宋善炎（1964— ），男，湖南師范大學(xué)教師教育學(xué)院院長，教授，博士生導(dǎo)師;張 瑜（1996— ），女，湖南常德人，二級教師，碩士研究生學(xué)歷，研究方向?yàn)橹袑W(xué)物理教學(xué)。

（責(zé)編 馬群耀）