云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院（650500）劉荔鑫 徐曉梅

所謂深度學(xué)習(xí)，就是在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生圍繞具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，全身心參與體驗(yàn)成功、獲得發(fā)展的有意義的學(xué)習(xí)過程［1］。相對三維目標(biāo)，2017 年版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中明確的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，站在一個(gè)更高的物理文化層面對物理教學(xué)提出要求，要求從“知識為本”轉(zhuǎn)向“觀念建構(gòu)”，在“觀念建構(gòu)”過程中讓學(xué)生形成從物理的視角認(rèn)識事物和解決問題的思想、方法、觀點(diǎn)［2］。從中學(xué)物理教學(xué)現(xiàn)狀來看，部分教師習(xí)慣直接向?qū)W生灌輸知識，使學(xué)生難以獨(dú)立探究解決問題的方法，使教學(xué)出現(xiàn)淺表化現(xiàn)象。深度學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者主動(dòng)參與、積極建構(gòu)的過程，注重批判性理解、知識遷移、創(chuàng)造性地解決問題以及高階思維的應(yīng)用。這些與核心素養(yǎng)的內(nèi)涵不謀而合，所以說深度學(xué)習(xí)能夠發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)。

本文從深度學(xué)習(xí)的聯(lián)想與結(jié)構(gòu)、活動(dòng)與體驗(yàn)、本質(zhì)與變式、遷移與應(yīng)用以及價(jià)值與評價(jià)五個(gè)基本方面來設(shè)計(jì)教學(xué)，下面以“杠桿”教學(xué)為例，從深度學(xué)習(xí)的基本特征出發(fā)，將深度學(xué)習(xí)滲透于各教學(xué)環(huán)節(jié)中，探索提高學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)。

一、教學(xué)目標(biāo)

依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)、教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生實(shí)際，設(shè)置合理的教學(xué)目標(biāo)用以引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)。

1.通過生活體驗(yàn)，學(xué)會從生產(chǎn)生活中相關(guān)的工具歸類得出“杠桿”這一簡單機(jī)械［3］。在杠桿和力臂概念的建構(gòu)過程中，培養(yǎng)模型建構(gòu)的科學(xué)思維。

2.在探究力臂的概念實(shí)驗(yàn)中，通過小組合作探究，加深對科學(xué)探究過程的認(rèn)識，鍛煉科學(xué)探究能力。

3.通過對生產(chǎn)生活中杠桿的認(rèn)識，解決實(shí)際問題，加強(qiáng)物理與生活的聯(lián)系，提高學(xué)習(xí)物理的興趣；通過經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究的過程，培養(yǎng)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)事求是的態(tài)度和合作交流的品質(zhì)。

二、教學(xué)過程

（一）趣味游戲，導(dǎo)入新課

準(zhǔn)備一個(gè)拉環(huán)損壞的八寶粥罐子，選擇能夠快速且容易打開蓋子的工具。工具有筷子、螺絲刀、皮尺、鐵絲、薄木板、繩子以及鑰匙。請每個(gè)小組派代表上臺，展示自己用所選工具開蓋的效果。

根據(jù)展示結(jié)果提出如下兩個(gè)問題：

問題1.為什么皮尺、鐵絲、繩子和薄木板均無法打開蓋子？

問題2.在使用筷子、螺絲刀、鑰匙打開蓋子的過程中，發(fā)現(xiàn)它們有什么共同特征？

引導(dǎo)學(xué)生分析得出杠桿的定義：一根硬棒，在力的作用下能夠繞著固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，這根硬棒就是杠桿。

設(shè)計(jì)意圖：通過活動(dòng)和體驗(yàn)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，使學(xué)生能夠迅速進(jìn)入深度學(xué)習(xí)狀態(tài)。將杠桿的概念與生活經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系起來，使學(xué)生對杠桿概念的認(rèn)知從感性上升到理性，形成正確的物理觀念，發(fā)展系統(tǒng)化思維。

（二）引導(dǎo)學(xué)生深度體驗(yàn)，建構(gòu)物理模型

展示生活中常見的杠桿：鑷子和羊角錘。

師：如圖1 和圖2 所示，在二者的使用過程中，支撐點(diǎn)分別在哪？哪些力阻礙它轉(zhuǎn)動(dòng)？哪些力使它轉(zhuǎn)動(dòng)？

圖1 鑷子

圖2 羊角錘

生：在使用鑷子的過程中，支撐點(diǎn)在鑷子的尾部O點(diǎn)，手對鑷子施力使得鑷子轉(zhuǎn)動(dòng)，物體對鑷子首端起阻礙作用。在使用羊角錘的過程中，支撐點(diǎn)在羊角錘頭部的中點(diǎn)O′處，手在A′點(diǎn)對它施加力使其轉(zhuǎn)動(dòng)，釘子在B′點(diǎn)阻礙羊角錘轉(zhuǎn)動(dòng)。

［歸納總結(jié)］

支點(diǎn)：杠桿可以繞其轉(zhuǎn)動(dòng)的點(diǎn)。

動(dòng)力：使杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)的力F1。

阻力：阻礙杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)的力F2。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生在觀察和分析問題時(shí)，能夠從生活中常用工具抽象出杠桿模型，形成建構(gòu)物理模型的能力，發(fā)展科學(xué)思維。

師：知道了什么是支點(diǎn)、動(dòng)力和阻力，下面學(xué)習(xí)杠桿的另一個(gè)要素——力臂。

師：請同學(xué)們觀察圖3，蹺蹺板在A，B兩種情況下分別處于什么狀態(tài)？

圖3 蹺蹺板

生甲：A是平衡狀態(tài)，B是非平衡狀態(tài)。

生乙：A，B都是平衡狀態(tài)。

（針對不同的看法，請學(xué)生分組討論。）

師：當(dāng)物體在幾個(gè)力的作用下處于靜止或者勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們就說這個(gè)物體處于平衡狀態(tài)。

師：也就是說當(dāng)杠桿在動(dòng)力和阻力作用下靜止時(shí)，我們就說杠桿平衡。

師：那么杠桿的平衡與哪些因素有關(guān)呢？

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)通過鑷子和羊角錘的使用，引導(dǎo)學(xué)生將生活中對杠桿的認(rèn)識抽象為杠桿的物理模型，認(rèn)識杠桿的要素，發(fā)展科學(xué)思維。通過蹺蹺板的情境，產(chǎn)生認(rèn)知沖突，重新建構(gòu)杠桿平衡的概念。

（三）深度探究，建構(gòu)力臂概念

實(shí)驗(yàn)儀器：自制杠桿、沙袋、彈簧測力計(jì)。

問題1.作用在木棍上的任意位置，用的力是一樣大嗎？

猜想：（1）靠近支點(diǎn)的位置省力；（2）遠(yuǎn)離支點(diǎn)的位置省力。

實(shí)驗(yàn)1.如圖4所示，在木棍一端掛上沙袋，在木棍另一端A，B兩個(gè)位置分別用彈簧測力計(jì)將沙袋提起至水平位置平衡，記錄彈簧測力計(jì)的示數(shù)。重復(fù)以上操作3次。

圖4 實(shí)驗(yàn)1

表1 實(shí)驗(yàn)1記錄

結(jié)論：杠桿的平衡與力的大小有關(guān)，并且力的作用點(diǎn)距離支點(diǎn)越遠(yuǎn)，所用的力就越小。

問題2.當(dāng)我們在離支點(diǎn)的最遠(yuǎn)端施加力時(shí)，將沙袋提起到同一位置，是不是無論力的方向朝哪，用的力都是一樣大的呢？

實(shí)驗(yàn)2.如圖5 所示，在木棍的最遠(yuǎn)端，用彈簧測力計(jì)朝著如圖5 所示1、2 方向拉動(dòng)杠桿，待杠桿水平平衡后，讀出彈簧測力計(jì)的示數(shù)，重復(fù)3 次，將數(shù)據(jù)記錄到表格中。

圖5 實(shí)驗(yàn)2

表2 實(shí)驗(yàn)2記錄

結(jié)論：杠桿的平衡與力的方向有關(guān)，當(dāng)力的方向垂直木棍的時(shí)候，所用的力最小。

問題3.能否把力的方向的改變歸結(jié)為某個(gè)距離的改變？

師（黑板作圖）：只改變力的方向，支點(diǎn)到力的哪個(gè)距離發(fā)生了變化？

生：支點(diǎn)到力的作用線的距離發(fā)生了變化。

師：從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)力垂直于杠桿時(shí)，支點(diǎn)到力的作用線的距離是怎樣的？

生：最長的。

師：當(dāng)力不垂直于杠桿時(shí)，支點(diǎn)到力的作用線的距離就會變小，我們把表示從支點(diǎn)到力的作用線的距離的線段稱為力臂。

師：因?yàn)楦軛U有動(dòng)力與阻力，所以力臂也分為什么？

生：動(dòng)力臂和阻力臂。

師：大家一起總結(jié)一下力臂的畫法。首先找出支點(diǎn)，然后畫出力的作用線，結(jié)合數(shù)學(xué)中點(diǎn)到線的距離可知，過支點(diǎn)向力的作用線作垂線，這條垂線段就是力臂。

設(shè)計(jì)意圖：深度學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)學(xué)生的親身體驗(yàn)，通過探究實(shí)驗(yàn)，加深對影響杠桿平衡要素的理解，培養(yǎng)科學(xué)探究能力。同時(shí)，通過問題組層層深入，經(jīng)歷力臂概念的建構(gòu)過程；通過對數(shù)學(xué)知識遷移運(yùn)用，將零散的知識結(jié)構(gòu)化、體系化，以融會貫通的方式學(xué)習(xí)力臂的作圖方法。

（四）深度理解，探究杠桿平衡條件

1.探究杠桿的平衡條件

通過剛才的學(xué)習(xí)，我們知道了杠桿的平衡與動(dòng)力、阻力、動(dòng)力臂、阻力臂有關(guān)，那么當(dāng)它們滿足什么關(guān)系時(shí)杠桿才能平衡呢？

問題1.要知道這四個(gè)物理量滿足什么關(guān)系，首先就要測量出這四個(gè)物理量的大小。動(dòng)力和阻力可以通過砝碼的質(zhì)量計(jì)算得出，力臂怎樣測量最容易呢？

師：根據(jù)前一環(huán)節(jié)“力臂”的學(xué)習(xí)，知道當(dāng)力垂直于杠桿時(shí)，力臂最容易測量。

學(xué)生小組討論，展示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。教師完善實(shí)驗(yàn)方案后，引導(dǎo)學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

［實(shí)驗(yàn)儀器］杠桿、砝碼。

［實(shí)驗(yàn)過程］

a.調(diào)平杠桿，在杠桿的左右兩側(cè)12 cm 處各掛一個(gè)重為2 N 的砝碼，此時(shí)發(fā)現(xiàn)杠桿處于平衡狀態(tài)，將支點(diǎn)右側(cè)規(guī)定為阻力，然后把數(shù)據(jù)記錄在下面的表格中（見表3）。

表3 實(shí)驗(yàn)3記錄

b.將左側(cè)砝碼加為4 N，位置仍為12 cm，此時(shí)杠桿發(fā)生了偏斜，保持阻力不變，移動(dòng)砝碼的位置直至杠桿平衡，則此時(shí)砝碼位置是多少？

c.將左側(cè)砝碼減小為2 N，移動(dòng)至24 cm 處，此時(shí)保持阻力砝碼的位置為24 cm，阻力為多少時(shí)可以使杠桿平衡？

d.將左側(cè)砝碼調(diào)整為4 N，距離調(diào)整為24 cm，此時(shí)阻力側(cè)砝碼的質(zhì)量和位置分別是多少時(shí)可以保證杠桿平衡？

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：分析表格中的數(shù)據(jù)可以得到杠桿的平衡條件：F1L1=F2L2。

設(shè)計(jì)意圖：注重設(shè)計(jì)與評估的科學(xué)探究是初中物理深度學(xué)習(xí)的典型特征之一［4］。在本環(huán)節(jié)中，學(xué)生經(jīng)歷杠桿平衡條件的科學(xué)探究過程，培養(yǎng)科學(xué)推理能力，進(jìn)一步加深對力臂的理解。學(xué)生收集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)的能力得以鍛煉，養(yǎng)成了實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。

2.杠桿的分類

師：我們已知?jiǎng)恿Α羷?dòng)力臂=阻力×阻力臂，那么在“動(dòng)力臂>阻力臂”“動(dòng)力臂<阻力臂”“動(dòng)力臂=阻力臂”這三種情況下，動(dòng)力和阻力的關(guān)系分別是什么樣的？

讓學(xué)生給杠桿命名，并將表4填寫完整。

表4 杠桿分類表

（五）舉一反三，進(jìn)行深度評價(jià)

在本節(jié)課的評價(jià)環(huán)節(jié)，主要通過練習(xí)題檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，下面舉例說明。

練習(xí)題1：請同學(xué)們畫出圖6所示的三個(gè)杠桿的力臂示意圖。

圖6 練習(xí)題1

練習(xí)題2：請同學(xué)們舉例說明生活中的杠桿。

設(shè)計(jì)意圖：把握事物的本質(zhì)，是建構(gòu)知識結(jié)構(gòu)的前提，也是以簡馭繁、削枝強(qiáng)干的前提［1］。抓住力臂的本質(zhì)，才能舉一反三。學(xué)生通過解答練習(xí)題提升知識深度加工能力，實(shí)現(xiàn)知識的遷移與應(yīng)用。通過對生活中杠桿的舉例，檢驗(yàn)學(xué)生對杠桿定義和五要素的掌握情況。通過對變式題的解答，教師可以對學(xué)生進(jìn)行過程性評價(jià)，學(xué)生也能對本節(jié)課的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行自我批判與反思。

三、教學(xué)反思

在本節(jié)課中，首先通過趣味游戲引入新課，激發(fā)學(xué)生深度學(xué)習(xí)；其次通過問題組與探究實(shí)驗(yàn)，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，建立力臂的概念；再次通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究杠桿的平衡條件；最后利用變式題，檢驗(yàn)本節(jié)課的學(xué)習(xí)效果。