惠廣俊

摘 ? 要：在分析深度學(xué)習(xí)的特征與表現(xiàn)基礎(chǔ)上，對照核心素養(yǎng)要素的剖析解構(gòu)，以“伽利略對自由落體運動的研究”為例，深至社會歷史實踐，深至學(xué)生心靈，培育學(xué)生的物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究及科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí);核心素養(yǎng);社會歷史實踐

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2020）6-0008-4

1 ? ?深度學(xué)習(xí)的內(nèi)涵

深度學(xué)習(xí)是提升學(xué)生核心素養(yǎng)的有效途徑。按照北京師范大學(xué)郭華教授對深度學(xué)習(xí)的說法：“深度學(xué)習(xí)就是指在教師引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞著具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發(fā)展的有意義學(xué)習(xí)過程?！盵1]

1.1 ? ?深度學(xué)習(xí)的主要特征

深度學(xué)習(xí)的主要特征有：（1）深度學(xué)習(xí)聚焦學(xué)生學(xué)習(xí)的體驗性、科學(xué)思維發(fā)展和創(chuàng)新思考問題。（2）深度學(xué)習(xí)是幫助學(xué)生有意義地建構(gòu)學(xué)科基本觀念、學(xué)會學(xué)科基本研究方法的過程。（3）深度學(xué)習(xí)需要教師對學(xué)生學(xué)習(xí)的一定引領(lǐng)。

1.2 ? ?深度學(xué)習(xí)的“深”之表現(xiàn)

（1）深至社會歷史實踐，深至學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，深在學(xué)生的精神境界與觀念。（2）深在研究學(xué)科系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、學(xué)科特點和學(xué)習(xí)規(guī)律。（3）深在激發(fā)學(xué)生的積極投入與創(chuàng)新發(fā)展。（4）深在學(xué)生通過主體深度加工的學(xué)習(xí)活動把握知識本質(zhì)。

2 ? ?核心素養(yǎng)要素

物理核心素養(yǎng)圍繞立德樹人根本任務(wù)要求，體現(xiàn)物理課程的育人功能，表現(xiàn)在物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的發(fā)展四個方面。物理觀念是整個課程學(xué)習(xí)過程逐步累積深化形成;科學(xué)思維的發(fā)展是科學(xué)認知發(fā)展的核心，是指利用歸納或演繹等方法對自然界及其規(guī)律進行判斷和推理的過程;科學(xué)探究包括猜想假設(shè)、問題證據(jù)等特征;科學(xué)態(tài)度與責(zé)任主要指實事求是，能夠正確認識科學(xué)本質(zhì)。

“伽利略對自由落體運動的研究”這節(jié)課，表面看起來是學(xué)習(xí)物理學(xué)史，實質(zhì)是落實物理學(xué)史背后的具生長性的核心素養(yǎng)。伽利略的整個研究過程，既有質(zhì)疑創(chuàng)新、科學(xué)推理的科學(xué)思維，又含科學(xué)探究的豐富要素，更有向權(quán)威挑戰(zhàn)、基于證據(jù)和邏輯勇敢表達見解的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。顯然，本節(jié)內(nèi)容應(yīng)以“史”之名，行“核心素養(yǎng)”之實，之間聯(lián)系的橋梁即“深度學(xué)習(xí)”。

3 ? ?深度學(xué)習(xí)設(shè)計策略

深度學(xué)習(xí)設(shè)計的重點在于一節(jié)課的知識目標(biāo)與素養(yǎng)目標(biāo)是基于什么因素來確定的？每個教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計的問題情境與學(xué)習(xí)活動分別對應(yīng)哪個目標(biāo)？學(xué)習(xí)的素養(yǎng)目標(biāo)深至哪一層級的水平劃分？學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了自由落體運動的規(guī)律，本節(jié)課的目的也不是簡單地告訴學(xué)生伽利略當(dāng)年用了什么方法進行研究。教學(xué)重點是伽利略為什么開展這個研究，他怎么開展這個研究，用了什么方法克服困難完成研究，當(dāng)今教室里用什么方法進行研究，現(xiàn)代科技支撐下對該問題研究的發(fā)展和展望是什么。通過深度挖掘伽利略對研究方法的創(chuàng)新性，挑戰(zhàn)亞里士多德理論正確與否及對落體運動規(guī)律的猜測、推導(dǎo)、實驗驗證的嚴謹思維過程，辯證性看待“亞伽”之爭和科學(xué)的發(fā)展，促進學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

3.1 ? ?深至社會歷史實踐，培養(yǎng)科學(xué)思維的核心素養(yǎng)

模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新是科學(xué)思維核心素養(yǎng)的基本要素。

3.1.1 ? ?結(jié)合“佯謬”推理，培育科學(xué)推理和質(zhì)疑創(chuàng)新素養(yǎng)

使用恰當(dāng)?shù)淖C據(jù)表達自己的觀點，對已有的觀點提出質(zhì)疑，“佯謬”推理就是一個有效的途徑。“佯謬”推理重視邏輯思維，邏輯思維是一種基于經(jīng)驗或理論進行的有條理、有根據(jù)的思維，通過分析比較、抽象概括等思維過程，根據(jù)證據(jù)進行判斷、推理等方式，歸納或演繹，肯定或否定事物的本質(zhì)特征和規(guī)律性聯(lián)系，是學(xué)生物理學(xué)習(xí)中認識自然界和物理規(guī)律的重要認知方式。

活動1 ?伽利略關(guān)于落體快慢因素的推理

教師提出“如果你是伽利略，如何從科學(xué)推理的角度對亞里士多德的觀點提出質(zhì)疑呢”，由此將學(xué)生推向社會歷史實踐的模擬場景，深度激發(fā)學(xué)生心靈，全身心投入主動學(xué)習(xí)。圖1以問題引領(lǐng)，給出了其中一條思維路徑，在課堂實踐中，學(xué)生的思維路徑豐富多元，體現(xiàn)質(zhì)疑創(chuàng)新素養(yǎng)。

活動2 ?伽利略關(guān)于落體運動性質(zhì)的推理

1. 伽利略堅信自由落體運動是一種簡單的加速運動，即速度是均勻變化的。他考慮了兩種可能，其中一種是速度隨位移均勻變化，即v∝x，另一種是速度隨時間均勻變化，即v∝t。

2. 你能否按照伽利略猜測的速度隨位移均勻變化繪制v-x圖像？

第一個活動中用亞里士多德的矛攻其之盾，在邏輯推理中引發(fā)學(xué)生的認知沖突，學(xué)生通過分析認識到“物體越重下落越快”的觀點是錯誤的。可是關(guān)于“佯謬”推理不應(yīng)止步于此，學(xué)生可能會產(chǎn)生“兩個相同重的物體下落快慢是一樣的”的錯誤觀點。用一片紙和同質(zhì)量的紙團下落的對比實驗可以深度剖析亞里士多德觀點錯誤的原因，促進學(xué)生建立科學(xué)、正確的解釋：“由于空氣阻力的原因，影響了物體下落的快慢?！?/p>

第二個活動中，學(xué)生根據(jù)所繪制的v-x圖像（圖2），發(fā)現(xiàn)圖像的斜率是時間的倒數(shù)，而且居然是一個恒定數(shù)值。這顯然是非常荒謬的。因為時間是不可能停止的，也就理解了這種猜測的錯誤。

3.1.2 ? ?“轉(zhuǎn)換”變量研究，培育模型建構(gòu)和科學(xué)推理素養(yǎng)

活動3 伽利略轉(zhuǎn)換“不可能的測量”為“可能的測量”

伽利略當(dāng)年在研究落體運動時遇到了巨大的困難，可他沒有在困難面前止步，而是創(chuàng)造性地用“轉(zhuǎn)換”的方法，解決了一個個難題，不僅確立了許多用于描述運動的基本概念，更重要的是促進了“科學(xué)思維方式”和“科學(xué)研究方法”的形成與發(fā)展，打開了近代科學(xué)的大門。他是怎么把“不可能”變?yōu)椤翱赡堋辈崿F(xiàn)的呢？

轉(zhuǎn)化1：直接轉(zhuǎn)化為間接。伽利略堅信科學(xué)的“簡潔”之美，在猜想下落速度v∝t后，他需要用證據(jù)證明自己的猜想是否正確。可是在當(dāng)時的年代，他遇到速度測量的技術(shù)困難，怎么辦呢？根據(jù)《物理學(xué)史》的記載，他創(chuàng)新性地利用如圖3數(shù)形變換的處理方法，利用圖示推導(dǎo)出面積表示位移x，得出了若v∝t，則x∝t2的結(jié)論，巧妙地把速度v的測量轉(zhuǎn)化為間接的下落距離x的測量，把v-t的關(guān)系研究轉(zhuǎn)化為x-t的關(guān)系研究。

轉(zhuǎn)化2：豎直落體研究轉(zhuǎn)化為斜面實驗研究。在伽利略時代，簡陋的計時工具無法精確測量自由落體運動所用的時間。伽利略不是單純在增加下落高度上下功夫，而是轉(zhuǎn)換角度在減緩下落的速度、延長下落的時間上想辦法。他創(chuàng)新地利用斜面“沖淡”重力實驗，巧妙地將豎直方向上的落體實驗轉(zhuǎn)化為斜面上的下落運動。當(dāng)然，他大膽地猜想到這兩種運動性質(zhì)是一樣的，才有了后面的合理外推斜面傾角不斷增大，直到傾角變?yōu)?0°。

轉(zhuǎn)化3：計時測量轉(zhuǎn)化為質(zhì)量測量。伽利略需要自己發(fā)明相對精確些的計時工具，脈搏計時、節(jié)拍計時都試用過但不夠理想，最后他創(chuàng)新發(fā)明了能相對較準(zhǔn)確計時的“水鐘”——“用了一個架在高處的大水桶，在桶底安一個小細管讓細小水流能流出，在每次銅球滾下的時間內(nèi)都用一個杯子接下流出的水，然后用精確的秤稱出杯內(nèi)水的重量，各次水的質(zhì)量的差別或倍數(shù)就給出了各次銅球滾下所用的時間差或倍數(shù)?！?[2]

3.2 ? ?“繼承與發(fā)展”對比，培育基于證據(jù)的科學(xué)探究素養(yǎng)

深度學(xué)習(xí)的課堂中，教師要帶領(lǐng)學(xué)生站在歷史的高度，認識“繼承—突破—再繼承—再突破”的循環(huán)螺旋發(fā)展，認識到事物由“肯定—否定—否定之否定—……”的辯證發(fā)展、永恒發(fā)展的前進過程，認識到科學(xué)發(fā)展永遠不會終止步伐的真諦。

活動4 關(guān)于落體運動快慢認知發(fā)展的整體設(shè)計思路

環(huán)節(jié)1：

亞里士多德的錯誤結(jié)論：基于現(xiàn)象觀察和直覺思維。

環(huán)節(jié)2：

伽利略的創(chuàng)新研究：敢于創(chuàng)新思考，落體佯謬推理、斜面實驗驗證，轉(zhuǎn)換測量變量、合理外推;提出問題，作出假設(shè)并制訂科學(xué)探究方案，基于實驗數(shù)據(jù)分析驗證猜測，發(fā)現(xiàn)規(guī)律。

環(huán)節(jié)3：

教室里的體驗：兩張紙片實驗、錢毛管實驗，提煉出影響落體下落快慢的因素——摩擦力。抓住主要因素，忽略次要因素，建立物理模型分析問題。

環(huán)節(jié)4：

教室里的實驗探究：時代與科技迅猛發(fā)展，如今在教室里可以用哪些實驗器材和裝置驗證伽利略當(dāng)年對自由落體運動規(guī)律的猜想？

學(xué)生方案一：打點計時器法，用重錘帶紙帶自由下落，計算紙帶上計時點的瞬時速度，利用描點法畫出速度與時間的v-t圖像，形象、直觀地尋找自由落體運動的規(guī)律。

學(xué)生方案二：打點計時器法+伽利略的斜槽實驗，讓小車替換小球，小車帶著紙帶在傾斜的軌道上下滑，用描點法畫出速度與時間的v-t圖像，形象、直觀地尋找自由落體運動的規(guī)律。不斷改變斜槽傾斜角度，畫v-t圖像，把伽利略當(dāng)年的合理外推變?yōu)閷嶒炇聦崱?/p>

學(xué)生方案三：位移傳感器法，讓小車替換小球，小車帶著位移傳感器在傾斜的軌道上下滑，用描點法畫出位移與時間的s-t圖像或者s-t2圖像，形象、直觀地尋找自由落體運動的規(guī)律。

學(xué)生方案四：頻閃照相法。

學(xué)生方案五：光電門法……

選取一種方案課堂操作。

環(huán)節(jié)5：

介紹科學(xué)家們的探究：美國宇航員斯科特在月球表面的鐵錘與羽毛從同一高度同時下落實驗;朱棣文通過“墜落”原子精確測算出了單個原子所受的重力加速度，發(fā)現(xiàn)這一重力加速度與由數(shù)十億原子組成的宏觀尺度物體所受重力加速度相同，即微觀原子與宏觀物體一樣下落的速度也與其重量無關(guān)[3]。

環(huán)節(jié)6：

還在進行的探索：物理學(xué)家費希巴赫的科研小組通過實驗發(fā)現(xiàn)，不同質(zhì)量的物體，在真空中實際上并不具有共同的重力加速度！[3]自然界存在第五種力嗎？研究在繼續(xù)……

6個環(huán)節(jié)的探究，從古至今到未來，科學(xué)研究的發(fā)展包含了物理學(xué)家們科學(xué)思維的經(jīng)驗、科學(xué)思維的形成和發(fā)展。無懼困難、勇往直前是學(xué)生要學(xué)習(xí)的科學(xué)精神，科學(xué)探究沒有創(chuàng)新，就不能持續(xù)，也不會有新成果體現(xiàn)。

3.3 ? ?基于事實的大膽外推，培育勇敢堅定的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任素養(yǎng)

猜測是解決問題的開端，猜測是一種科學(xué)的方法。愛因斯坦說過：“提出問題比解決問題更重要，提出的新問題、新可能性，從新視角去看舊問題，都需要創(chuàng)造性的想象力。”有時候問題和想象力就出現(xiàn)在一剎那的直覺當(dāng)中。

伽利略是敢于踐行直覺思維的代表，他敢于猜測，而且開創(chuàng)了邏輯、數(shù)學(xué)和實驗檢驗猜測的科學(xué)方法。伽利略當(dāng)年的斜面實驗，因受器材所限，在超過5°時實驗誤差就很大了，但是，基于他大膽的直覺和邏輯思維，他還是進行了合理外推，可見他當(dāng)年的勇氣之大。

“如果完全沒有空氣阻力，那么所有物體下落都將一樣快。”以當(dāng)年的條件，是沒有辦法創(chuàng)造完全沒有阻力的真空環(huán)境進行實驗驗證，可是伽利略還是大膽地推測了，也足見他的勇氣。此外，伽利略通過邏輯推理推翻了亞里士多德的落體運動觀，他堅信“自然界是簡單的，自然界的規(guī)律也是簡單的?！边M而選擇v∝t，摒棄v∝x，因為當(dāng)時加速度的概念還沒有出現(xiàn)，他的邏輯推理離不開一定程度的直覺思維。

這里特別要說明的是，直覺思維與觀點并非一時興起的信口雌黃，而是基于事實證據(jù)基礎(chǔ)上的強烈自信的自然結(jié)果。時代的局限性、科技的發(fā)展水平、思想的束縛性對亞里士多德和伽利略兩位大師的研究有影響，學(xué)生要樹立不迷信權(quán)威、尊重科學(xué)、勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神。

4 ? ?結(jié) ?語

深度學(xué)習(xí)的設(shè)計，深至社會歷史實踐的深度，引導(dǎo)學(xué)生站在歷史發(fā)展的長河中，像伽利略那樣，從生活實踐中發(fā)現(xiàn)問題、思考問題和解決問題，有效激發(fā)學(xué)生全身心投入到有思想、有情感、有創(chuàng)造力的主動學(xué)習(xí)和積極活動中，直達學(xué)生心靈深處。追尋科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)思路、發(fā)現(xiàn)過程，不僅僅是對知識本身，還對知識發(fā)現(xiàn)、發(fā)展的過程以及學(xué)習(xí)知識的過程本身進行價值判斷，領(lǐng)會思維方法，培養(yǎng)科學(xué)思維，是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的有效途徑。

參考文獻：

[1]郭華.深度學(xué)習(xí)與課堂教學(xué)改進[J].基礎(chǔ)教育課程，2019（2）：10-15.

[2]劉偉.伽利略對自由落體運動研究的再現(xiàn)[J].物理實驗，2006（3）：28-29.

[3]周建秋. 科學(xué)本質(zhì)觀視角下的初中科學(xué)教學(xué)策略[J]. 現(xiàn)代中小學(xué)教育，2014（1）：82-84.

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[5]高嵩，焦蕊.自由落體運動中的物理學(xué)史與教學(xué)[J].物理教師，2019，40（5）：13-16.

（欄目編輯 ? ?趙保鋼）