劉 芳 孫德峰

(1. 北京市教育學(xué)院豐臺(tái)分院,北京 100073; 2. 北京市第十二中學(xué)，北京 100071)

隨著新課程標(biāo)準(zhǔn)的一步步落地,新一輪的課程改革正在持續(xù)推進(jìn)中．新一輪課程改革圍繞物理學(xué)科的核心素養(yǎng)(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)展開(kāi),與之相對(duì)應(yīng)的高考改革也將在2020年正式啟動(dòng)．教育部發(fā)布的《中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系》中明確了課標(biāo)的地位,并對(duì)高考提出了“一核四層四翼”的考查要求．綜合新課標(biāo)和新高考,“學(xué)科教學(xué)應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生在真實(shí)問(wèn)題情境中進(jìn)行深度學(xué)習(xí)”這一教學(xué)理念正在當(dāng)下的課程改革中逐步成為一線教師和教學(xué)理論研究者的共識(shí)．

眾所周知,教學(xué)是教師的“教”和學(xué)生的“學(xué)”發(fā)生相互作用的過(guò)程．教學(xué)過(guò)程就是在學(xué)生原認(rèn)知的基礎(chǔ)上通過(guò)一系列的“學(xué)習(xí)活動(dòng)”使學(xué)生發(fā)生知識(shí)進(jìn)階、重新建構(gòu)自己認(rèn)知結(jié)構(gòu)的過(guò)程．安德森修訂的布魯姆教育目標(biāo)分類把在學(xué)習(xí)知識(shí)的認(rèn)知過(guò)程分成:記憶、理解、應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造6個(gè)方面;其中記憶、理解、應(yīng)用被稱為低階思維,分析、綜合、評(píng)價(jià)被稱為高階思維．顯然指向高階思維的學(xué)習(xí)活動(dòng)更能使學(xué)生發(fā)生較高認(rèn)知水平層次上的心智活動(dòng),促進(jìn)較高層次的認(rèn)知能力,更能實(shí)現(xiàn)促進(jìn)學(xué)生發(fā)生深度學(xué)習(xí)并提升學(xué)生核心素養(yǎng)的課程目標(biāo)．本文將以多普勒效應(yīng)為例淺談教學(xué)過(guò)程中指向高階思維的學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì),希望通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)給課改中的同行者“拋磚引玉”,讓深度學(xué)習(xí)在我們的物理教學(xué)中真實(shí)發(fā)生并生機(jī)勃勃．

1 多普勒效應(yīng)的已有學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)

多普勒效應(yīng)是人教版普通高中教科書選必修第1冊(cè)第3章《機(jī)械波》第5節(jié)的內(nèi)容．《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017版)要求通過(guò)實(shí)驗(yàn),認(rèn)識(shí)多普勒效應(yīng);能解釋多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的原因,能列舉多普勒效應(yīng)的應(yīng)用實(shí)例．人教版教材中用如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置或者其他類似的實(shí)驗(yàn)裝置(也可以播放音頻或者視頻)進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn),學(xué)生通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)形成對(duì)多普勒效應(yīng)的認(rèn)識(shí)．利用圖2的模擬實(shí)驗(yàn)解釋多普勒效應(yīng)的產(chǎn)生原因,再對(duì)多普勒效應(yīng)在生產(chǎn)生活中的實(shí)際應(yīng)用做一些簡(jiǎn)單的介紹,使學(xué)生體會(huì)學(xué)科知識(shí)的科學(xué)價(jià)值．

圖1 多普勒效應(yīng)的觀察實(shí)驗(yàn)

圖2 多普勒效應(yīng)的模擬實(shí)驗(yàn)

分析以上兩個(gè)學(xué)習(xí)活動(dòng),不難發(fā)現(xiàn)圖1中的學(xué)習(xí)活動(dòng)中要求學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論,屬于理解層次的思維過(guò)程．學(xué)生在進(jìn)行觀察時(shí)首先感覺(jué)到的是聲音響度的變化,音調(diào)的變化被掩蓋在了音量的變化之中,單純靠耳朵辨別音調(diào)發(fā)生的變化顯然缺乏一定的科學(xué)性．圖2中的學(xué)習(xí)活動(dòng)可以幫助學(xué)生更好地理解多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的原因,雖然有一定的分析活動(dòng),但整體來(lái)看依然屬于低階的思維過(guò)程．結(jié)合學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)和能力基礎(chǔ)進(jìn)行總體分析,我們不難發(fā)現(xiàn)以上的學(xué)習(xí)活動(dòng)對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)缺乏挑戰(zhàn),也缺乏真實(shí)的問(wèn)題情境和豐富的實(shí)踐體驗(yàn).這樣的學(xué)習(xí)活動(dòng)必然很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī),當(dāng)然更談不上促使學(xué)生通過(guò)深度學(xué)習(xí)提升核心素養(yǎng)的課程目標(biāo)．為此,我們?cè)谶@節(jié)課中進(jìn)行了如下的嘗試．

2 指向高階思維的學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)

2.1 基于反饋的自學(xué)和診斷

綜合分析課標(biāo)對(duì)本節(jié)課的內(nèi)容要求以及學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)和能力基礎(chǔ),我們將教材中的多數(shù)內(nèi)容安排為自學(xué)內(nèi)容．為了準(zhǔn)確了解學(xué)生的自學(xué)情況,精準(zhǔn)找到學(xué)生對(duì)于多普勒效應(yīng)的相關(guān)知識(shí)的認(rèn)知中存在的障礙點(diǎn),我們通過(guò)精心設(shè)計(jì)的問(wèn)題檢測(cè)學(xué)生自學(xué)的效果及可能遇到的認(rèn)知障礙．課前自學(xué)診斷題目如下.

① 你能用簡(jiǎn)單的語(yǔ)言描述一下多普勒效應(yīng)嗎?

② 在學(xué)習(xí)本節(jié)課內(nèi)容之前,在日常生活中你是否注意過(guò)此類現(xiàn)象?你是否曾經(jīng)想辦法弄清楚產(chǎn)生該現(xiàn)象的原理或本質(zhì)?

③ 你能否簡(jiǎn)要地說(shuō)明產(chǎn)生多普勒效應(yīng)的本質(zhì)原因?

④ 你嘗試過(guò)利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證多普勒效應(yīng)嗎?如果有,請(qǐng)簡(jiǎn)單描述一下你驗(yàn)證的過(guò)程;如果沒(méi)有,那你能否現(xiàn)在設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證一下多普勒效應(yīng)?

⑤ 通過(guò)課前自學(xué)多普勒效應(yīng)及其相關(guān)內(nèi)容后,你還對(duì)什么問(wèn)題感興趣?或者說(shuō)你還有什么疑問(wèn)希望在課上得到解決?

對(duì)診斷的結(jié)果進(jìn)行深入分析,我們發(fā)現(xiàn):通過(guò)課前的自學(xué),學(xué)生對(duì)多普勒效應(yīng)有了初步了解,甚至有相當(dāng)一部分學(xué)生能夠?qū)Χ嗥绽招?yīng)的本質(zhì)進(jìn)行正確的說(shuō)明．但診斷結(jié)果同時(shí)表明發(fā)現(xiàn)學(xué)生的“實(shí)踐”意識(shí)還有待提高,幾乎沒(méi)有學(xué)生在學(xué)習(xí)了一種新的物理現(xiàn)象之后能主動(dòng)去驗(yàn)證和研究;對(duì)于多普勒效應(yīng)的本質(zhì)學(xué)生雖然能給出定性的說(shuō)明,但很難從定量的角度進(jìn)行系統(tǒng)的論證．診斷結(jié)果不僅凸顯了課堂教學(xué)中指向高階思維的學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)的必要性,也為發(fā)展學(xué)生的高階思維做好了鋪墊．

2.2 基于評(píng)價(jià)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)觀察

教材中的演示實(shí)驗(yàn)提出的問(wèn)題是:蜂鳴器在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中,聲音有什么變化?正如前文中所說(shuō),這個(gè)實(shí)驗(yàn)中聲音的響度和音調(diào)同時(shí)發(fā)生變化,如果僅僅讓學(xué)生通過(guò)耳朵進(jìn)行區(qū)分,缺乏科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性．另一方面觀察屬于理解層面的思維活動(dòng),指向的是學(xué)生的低階思維．如何將這樣的學(xué)習(xí)活動(dòng)進(jìn)行改進(jìn),設(shè)計(jì)指向?qū)W生高階思維的學(xué)習(xí)活動(dòng)呢?我們做了如下的嘗試:一是針對(duì)教材中的演示實(shí)驗(yàn)提出設(shè)計(jì)指向高階思維的問(wèn)題:你觀察到的現(xiàn)象中哪些可以作為發(fā)生了多普勒效應(yīng)的證據(jù)?如何讓證據(jù)更加具有可視性和說(shuō)服力?二是引導(dǎo)學(xué)生對(duì)課本中的演示實(shí)驗(yàn)提出改進(jìn)建議．課堂教學(xué)中,我們?cè)趯W(xué)生建議的基礎(chǔ)上利用手機(jī)等智能設(shè)備將多普勒效應(yīng)中聲音頻率的變化從定性觀察轉(zhuǎn)化為定量觀察．以上的學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)使得簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)觀察變?yōu)榱嗽u(píng)價(jià)性的學(xué)習(xí)活動(dòng).這樣的學(xué)習(xí)活動(dòng)要求學(xué)生能夠?qū)ふ易C據(jù)解釋結(jié)論,對(duì)證據(jù)進(jìn)行評(píng)估;為了使證據(jù)更有說(shuō)服力從而對(duì)實(shí)驗(yàn)方案提出改進(jìn).顯然,這樣的學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)分析、評(píng)價(jià)的過(guò)程中發(fā)展學(xué)生的高階思維,促進(jìn)了深度學(xué)習(xí)的發(fā)生．

2.3 基于分析的現(xiàn)象定量描述

普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于多普勒效應(yīng)這一節(jié)的教學(xué)要求中并沒(méi)有多普勒效應(yīng)的定量理論解釋．考慮到筆者所教學(xué)生學(xué)習(xí)能力較強(qiáng),同時(shí)為物理學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)的學(xué)生拓寬通往科學(xué)研究領(lǐng)域的視野,我們?cè)谡n堂教學(xué)中在學(xué)生能力的范圍內(nèi),增加了理論推導(dǎo)這一教學(xué)內(nèi)容．課堂教學(xué)中將啟發(fā)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí),構(gòu)建物理模型,嘗試從理論上探究觀察者聽(tīng)到的聲音頻率與聲源發(fā)出頻率的關(guān)系．為了降低學(xué)生的理論推導(dǎo)難度,借助Flash動(dòng)畫引導(dǎo)學(xué)生自主完成理論推導(dǎo)全過(guò)程．

如圖3所示,D為觀察者位置(假定不動(dòng)),S為波源,發(fā)出周期為T(相應(yīng)頻率為f)的機(jī)械波,在空氣中的傳播速度為v0,波源以vS向左做勻速直線運(yùn)動(dòng)．t=0時(shí)刻,S位于A位置,發(fā)出的波經(jīng)t時(shí)間到達(dá)觀察者處(傳播距離為v0t);隨后經(jīng)過(guò)時(shí)間T,S位于B位置,發(fā)出下一列波,在t時(shí)刻,波傳至如圖所示位置[傳播距離為v0(t-T)]．顯然,觀察者聽(tīng)到相鄰兩列波的時(shí)間間隔T′滿足關(guān)系式，可解得

所以觀察者測(cè)得v0T′+v0(t-T)+vST=v0t的頻率滿足

學(xué)生自主完成觀察者靠近波源,波源不動(dòng)時(shí)的定量推導(dǎo),最后綜合可得波源和觀察者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),觀察者接收到的頻率滿足

圖3 觀察者不動(dòng)，波源靠近觀察者

這一過(guò)程的學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì),不僅豐富了學(xué)生對(duì)多普勒效應(yīng)的認(rèn)知,滿足了學(xué)生關(guān)于多普勒效應(yīng)定量描述的好奇心．更重要的是:在對(duì)物理現(xiàn)象從‘’定性”到“定量”的描述中,使學(xué)生完成了一個(gè)學(xué)習(xí)進(jìn)階的過(guò)程．對(duì)多普勒效應(yīng)的定量描述需要學(xué)生結(jié)合現(xiàn)象抽象出與現(xiàn)象有高度相關(guān)性的物理模型,圍繞模型選擇模型中適用的物理定律或者定理,通過(guò)嚴(yán)密的數(shù)學(xué)邏輯推理最后得到結(jié)論．在這一學(xué)習(xí)活動(dòng)過(guò)程中,學(xué)生在分析和綜合方面的高階思維將得到進(jìn)一步地發(fā)展和提升．

2.4 基于創(chuàng)新的定量驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

在完成了多普勒效應(yīng)的定量描述后,一般的課堂教學(xué)中會(huì)引導(dǎo)學(xué)生利用定量描述的結(jié)果,對(duì)現(xiàn)象嘗試給出定性的解釋．這一過(guò)程不僅使學(xué)生驗(yàn)證了定量描述的合理性,也使學(xué)生的思維過(guò)程實(shí)現(xiàn)了邏輯上完整的閉合鏈條．但一個(gè)定量描述是否正確僅從定性的角度來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證,不免會(huì)使人感到缺乏足夠的說(shuō)服力,也不是物理學(xué)的發(fā)展過(guò)程以及科學(xué)研究過(guò)程的真實(shí)呈現(xiàn)．物理是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科．物理學(xué)研究中,一個(gè)理論是否正確,必須依靠實(shí)驗(yàn)去檢驗(yàn),從定量的角度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)才能使科學(xué)理論的形成更嚴(yán)謹(jǐn)．我們?cè)谡n前診斷環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了問(wèn)題4:讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證定量解釋的合理性．課堂教學(xué)中,圍繞某同學(xué)課前檢測(cè)中提出的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,設(shè)計(jì)了分組的學(xué)生活動(dòng):對(duì)該同學(xué)的方案進(jìn)行評(píng)價(jià)和改進(jìn)．通過(guò)小組的討論與面向全體同學(xué)的交流,形成了最終的定量驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案．方案如下:

圖4 多普勒效應(yīng)定量描述的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

如圖4所示,將手機(jī)1用網(wǎng)兜裝好后系在半徑約為1 m的繩子上,用手甩動(dòng)繩子使手機(jī)1在水平面內(nèi)盡量做勻速圓周運(yùn)動(dòng),測(cè)量手機(jī)1做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑r．在手機(jī)1中利用“phyphox”軟件發(fā)出某一特定頻率的聲波,將手機(jī)2置與手機(jī)1同一水平面后在手機(jī)2中利用“phyphox”軟件,接收聲波信號(hào)并通過(guò)視頻記錄接收到聲波信號(hào)的實(shí)時(shí)頻率．利用視頻回放功能找出接收信號(hào)的最大和最小頻率,并讀出手機(jī)1做圓周運(yùn)動(dòng)的周期T．通過(guò)多普勒效應(yīng)的理論推導(dǎo)公式求得手機(jī)1做圓周運(yùn)動(dòng)的線速度．同時(shí)通過(guò)圓周運(yùn)動(dòng)的周期、半徑、線速度的關(guān)系估算手機(jī)1做圓周運(yùn)動(dòng)的線速度．通過(guò)兩個(gè)速度的比較驗(yàn)證理論解釋的合理性,同時(shí)對(duì)誤差產(chǎn)生的原因做出科學(xué)的解釋．

實(shí)際課堂教學(xué)中我們不僅完成了實(shí)驗(yàn)方案的改進(jìn),還與學(xué)生一起完成了全部的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程．與學(xué)生一起進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)課堂氛圍非常熱烈,學(xué)生利用圓周運(yùn)動(dòng)估算出手機(jī)1做圓周運(yùn)動(dòng)的線速度大小v=6.3 m/s,通過(guò)多普勒效應(yīng)求得手機(jī)做圓周運(yùn)動(dòng)的線速度大小v=8 m/s．在發(fā)現(xiàn)兩個(gè)速度非常相近時(shí)學(xué)生們的臉上散發(fā)出了由衷的激動(dòng)和喜悅．

科學(xué)理論的形成過(guò)程是科學(xué)推理和科學(xué)實(shí)驗(yàn)不斷互證的過(guò)程．以上的學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)引導(dǎo)學(xué)生圍繞定量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證展開(kāi),活動(dòng)的目標(biāo)是讓學(xué)生在真實(shí)情境中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,構(gòu)建模型、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行評(píng)價(jià)和交流．這樣的學(xué)習(xí)活動(dòng)不僅能促使學(xué)生發(fā)生深度的思考,更讓學(xué)生充分體會(huì)到科學(xué)實(shí)踐的重要性以及科學(xué)理論的嚴(yán)密性．

2.5 基于質(zhì)疑和反思的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)

經(jīng)歷了前面4個(gè)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)活動(dòng)后,學(xué)生的思維變得異常的活躍,課堂教學(xué)如果就此結(jié)束不免給人一種戛然而止的錯(cuò)愕感．如何讓學(xué)生的思維繼續(xù)保持在較高的層級(jí)上,在前面已有的基礎(chǔ)上形成更高的突破呢?我們?cè)谡n堂小結(jié)環(huán)節(jié)給學(xué)生提出了這樣的問(wèn)題:問(wèn)題1,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的過(guò)程速度測(cè)量值和理論值之間的差異是如何產(chǎn)生的呢?問(wèn)題2,對(duì)于多普勒效應(yīng)定量描述的理論結(jié)果,你還有哪些疑問(wèn)或者思考?

課堂教學(xué)實(shí)踐再次證明:給學(xué)生一個(gè)舞臺(tái),學(xué)生會(huì)給你無(wú)數(shù)驚喜．結(jié)合上面的兩個(gè)問(wèn)題,學(xué)生將多普勒效應(yīng)的定量描述從一維的特殊情形討論并修正為二維的一般結(jié)論．更有學(xué)生提出了“超波速”運(yùn)動(dòng)形式、艏波(沖擊波)以及馬赫數(shù)等大學(xué)物理中的一些概念．

通過(guò)這樣的課堂小結(jié),不僅提升學(xué)生深入的觀察和思考能力,更提升了學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新維度的核心素養(yǎng),進(jìn)而激發(fā)優(yōu)秀學(xué)生深入學(xué)習(xí)物理的興趣,引導(dǎo)更多的學(xué)生進(jìn)入物理專業(yè)的學(xué)習(xí)．

3 小結(jié)

華東師范大學(xué)的崔允漷教授曾經(jīng)指出深度學(xué)習(xí)有四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):一是高認(rèn)知,高認(rèn)知的起點(diǎn)就是理解;二是高投入,高投入就是學(xué)習(xí)過(guò)程中學(xué)生要全神貫注;三是真任務(wù)、真情境;四是反思．顯然指向深度學(xué)習(xí)的課堂教學(xué)應(yīng)當(dāng)讓學(xué)生明白自己的起點(diǎn)在哪里,明確自己要去哪里,通過(guò)指向高階思維的學(xué)習(xí)活動(dòng)讓學(xué)生經(jīng)歷從起點(diǎn)到終點(diǎn)的學(xué)習(xí)過(guò)程．指向高階思維的學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)要在學(xué)生已有的知識(shí)基礎(chǔ)上圍繞真實(shí)情境展開(kāi),讓學(xué)生在真實(shí)的問(wèn)題解決過(guò)程中經(jīng)歷知識(shí)或者技能的應(yīng)用,從而達(dá)到提高學(xué)生思維水平,提升學(xué)生整體素養(yǎng)的課程目標(biāo)．