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        指向深度學(xué)習(xí)的高中物理課堂教學(xué)問題鏈設(shè)計

        2023-10-11 23:16:29史慧娟
        高考·上 2023年7期
        關(guān)鍵詞:牛頓第二定律問題鏈深度學(xué)習(xí)

        史慧娟

        摘 要:本文以牛頓第二定律為例進(jìn)行促進(jìn)深度學(xué)習(xí)發(fā)生的課堂問題鏈設(shè)計策略的探究,主要從引發(fā)思維起點(diǎn)、加深規(guī)律理解、促進(jìn)高階思維、深化遷移應(yīng)用四個方面著手設(shè)計階梯式的問題鏈,引發(fā)學(xué)生課堂深度思考,主動參與學(xué)習(xí)活動,從而實(shí)現(xiàn)物理核心素養(yǎng)目標(biāo)在課堂中達(dá)成。

        關(guān)鍵詞:深度學(xué)習(xí);核心素養(yǎng);問題鏈;牛頓第二定律

        一、指向深度學(xué)習(xí)“問題鏈”設(shè)計的背景與意義

        2020年新版《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)一步明確了普通高中教育的定位,普通高中的培養(yǎng)目標(biāo)是進(jìn)一步提升學(xué)生綜合素質(zhì),堅持發(fā)展核心素養(yǎng),以實(shí)現(xiàn)立德樹人為根本任務(wù)。發(fā)展核心素養(yǎng)主要是指學(xué)生應(yīng)具備的,能夠適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力。因而教師在課堂教學(xué)中不僅需要明確知識層面的教學(xué)目標(biāo),更需要思考如何培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用物理知識和方法解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題的能力,從物理學(xué)視角提出疑問、批判,進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力等。然而在應(yīng)試教育的模式下學(xué)生不斷地訓(xùn)練刷題,導(dǎo)致會做題卻不能將知識遷移應(yīng)用于解決真實(shí)問題的現(xiàn)象較為普遍;學(xué)生掌握的學(xué)科知識是割裂的、碎片化的、去情境化的,也無法與未來職業(yè)生活建立聯(lián)系,并沒有形成系統(tǒng)的物理觀念和物理科學(xué)思維,也就難以將學(xué)科知識真正應(yīng)用到實(shí)際生活中。雖然素質(zhì)教育的改革已推進(jìn)多年,但實(shí)際課堂教學(xué)中教師還是多采用“講座式”模式,難以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)。

        近年來,國內(nèi)外研究人員對如何促進(jìn)深度學(xué)習(xí)有深入的研究,深度學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)基于理解的學(xué)習(xí)、主動建構(gòu)知識、高階的批判性思維、有效的知識遷移和復(fù)雜性真實(shí)問題的解決[1]。課堂深度學(xué)習(xí)是課堂上學(xué)生在教師的引導(dǎo)下,通過對知識的理解、創(chuàng)造、應(yīng)用等,實(shí)現(xiàn)自身認(rèn)知結(jié)構(gòu)的完善、科學(xué)思維能力的發(fā)展、實(shí)踐應(yīng)用能力的提升。也就是說,深度學(xué)習(xí)是一種培養(yǎng)學(xué)習(xí)者多樣性的,而非單一素養(yǎng)的學(xué)習(xí)理念。當(dāng)然深度學(xué)習(xí)和淺層學(xué)習(xí)不是完全對立的,它們在時間維度上是存在著連續(xù)性的,我們必須由一定的淺層學(xué)習(xí)得來的知識才能進(jìn)行深度的更有意義的學(xué)習(xí),通過深度學(xué)習(xí)將淺層學(xué)習(xí)割裂碎片化的知識重新整合建構(gòu),形成新的認(rèn)知結(jié)構(gòu),并有利于知識的提取、遷移與應(yīng)用。由此可見,深度學(xué)習(xí)可成為學(xué)生核心素養(yǎng)達(dá)成的有效路徑。

        學(xué)習(xí)往往伴隨著問題,問題是觸發(fā)思維開啟的開關(guān),也是教學(xué)過程開展的最好推手。教學(xué)需要通過一系列層次化、結(jié)構(gòu)化、可擴(kuò)展和可持續(xù)的問題來引導(dǎo)學(xué)生深入思考。簡而言之,有好問題的引導(dǎo)是促進(jìn)深度學(xué)習(xí)發(fā)生的方式之一[2]。課堂“問題鏈”設(shè)計則是為了形成學(xué)生的最近發(fā)展區(qū),基于這節(jié)課要達(dá)成的物理核心素養(yǎng)目標(biāo),根據(jù)學(xué)生已有的認(rèn)知水平,把需要學(xué)習(xí)的知識轉(zhuǎn)化為一連串有主題的問題串。經(jīng)過設(shè)計的問題之間相互有關(guān)聯(lián),又層層遞進(jìn),對學(xué)生的思維要求是螺旋式上升的,巧妙的設(shè)問對學(xué)生有吸引力,能夠激發(fā)學(xué)生的探索欲,從而自發(fā)地形成由淺層學(xué)習(xí)至深度學(xué)習(xí)的路徑,學(xué)生的核心素養(yǎng)得到了培養(yǎng)[3]。

        二、促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的課堂“問題鏈”設(shè)計策略

        課堂問題鏈的設(shè)計應(yīng)基于素養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成為基本準(zhǔn)則,筆者將以《牛頓第二定律》一節(jié)為例介紹促進(jìn)深度學(xué)習(xí)發(fā)生的課堂“問題鏈”的設(shè)計策略,以下是牛頓第二定律的核心素養(yǎng)目標(biāo):

        物理觀念:(1)掌握牛頓第二定律的內(nèi)容及數(shù)學(xué)表述形式,形成與牛頓第二定律相關(guān)的運(yùn)動與相互作用觀;(2)理解牛頓第二定律中每個物理量的含義及相互之間的因果關(guān)系,會利用牛頓第二定律解釋生活中的動力學(xué)問題;(3)能夠用牛頓第二定律方法完成相關(guān)的一些計算。

        科學(xué)思維:能對探究加速度與其質(zhì)量和合外力的實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行推理論證并得出結(jié)論,能利用牛頓第二定律的相關(guān)證據(jù)對動力學(xué)問題進(jìn)行分析推理和論證。

        科學(xué)探究:能通過實(shí)驗探究物體的加速度跟其的質(zhì)量和所受合外力之間的關(guān)系,會運(yùn)用控制變量法設(shè)計實(shí)驗方案,學(xué)會處理實(shí)驗數(shù)據(jù)和誤差分析,完善提升科學(xué)探究的能力。

        科學(xué)態(tài)度與責(zé)任:通過牛頓第二定律的學(xué)習(xí),滲透從物理學(xué)認(rèn)識世界的方法,進(jìn)一步認(rèn)識學(xué)好物理對解釋自然現(xiàn)象的重要性,從而具有學(xué)習(xí)物理和探索世界的興趣。

        三、舊知鏈接新知“問題鏈”,引出新課思維起點(diǎn)

        能成為好的課堂引入需要具備兩個要素:一是激活學(xué)生思維、引發(fā)學(xué)習(xí)興趣;二是搭建新知與舊知之間的橋梁,使學(xué)生在接受新課內(nèi)容時更加順暢。這樣既符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn),也契合深度學(xué)習(xí)中“聯(lián)想與結(jié)構(gòu)”的特征,在喚醒已有知識的同時重新搭建知識網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),發(fā)掘知識點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系,加深對知識的理解,從而深化對物理觀念的認(rèn)識。

        問題鏈1 通過知識回顧與梳理進(jìn)行引入:

        師:牛頓第一定律反映了力與運(yùn)動的關(guān)系,力與運(yùn)動是什么關(guān)系呢?

        生:力是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的原因。

        師:能夠表現(xiàn)物體運(yùn)動狀態(tài)改變的難易程度是我們學(xué)過的哪個物理量呢?

        生:慣性。

        師:影響慣性大小的因素是什么?

        生:質(zhì)量。

        師:質(zhì)量越大,慣性越大,物體的運(yùn)動狀態(tài)越難改變。

        師總結(jié):運(yùn)動狀態(tài)改變的實(shí)質(zhì)是速度改變,速度改變的原因是產(chǎn)生了加速度;換句話說力是產(chǎn)生加速度的原因,同時加速度的大小與質(zhì)量有關(guān)。由以上推理過程我們可以猜想物體加速度大小與其質(zhì)量、所受外力兩個因素有關(guān),具體是什么關(guān)系需要通過實(shí)驗驗證。上節(jié)課我們分組對該實(shí)驗進(jìn)行了探究,得到了什么結(jié)論?

        生:質(zhì)量一定時,加速度與合外力成正比;合外力一定時,加速度與質(zhì)量成反比。

        設(shè)計意圖:新課引入“問題鏈”設(shè)計通過學(xué)生回答問題反饋,判斷學(xué)生是否掌握牛頓第一定律的含義;同時回顧探究加速度大小與合外力、質(zhì)量關(guān)系的實(shí)驗結(jié)論。學(xué)生能夠深刻理解牛頓第一定律的內(nèi)容,則能較好推出影響加速度大小的因素。從而初步形成與牛頓運(yùn)動定律相關(guān)的運(yùn)動與相互作用觀。

        四、探究結(jié)果解構(gòu)“問題鏈”,加深對物理規(guī)律的理解

        課堂中的深度學(xué)習(xí)即學(xué)生在教師的引導(dǎo)下體會物理學(xué)科的基本思想,主動參與建構(gòu)知識結(jié)構(gòu)。我們知道物理教學(xué)中經(jīng)歷科學(xué)探究的過程非常重要,在筆者看來對科學(xué)探究后結(jié)果的分析同等重要,這個過程學(xué)生在親歷物理規(guī)律的生成過程,可加深對其的理解,同時能夠培養(yǎng)學(xué)生通過科學(xué)推理得出物理規(guī)律的科學(xué)思維能力。

        問題鏈2 牛頓第二定律的內(nèi)容與表達(dá)式的生成

        師:通過大量實(shí)驗探究,得出以下結(jié)論:一定時,;一定時,。則,這便是牛頓第二定律,請同學(xué)們根據(jù)比例式用文字描述牛頓第二定律。

        生:物體加速度的大小與所受合外力的大小成正比,與物體的質(zhì)量成反比,加速度的方向與合外力的方向相同。

        師:由可以得到,,轉(zhuǎn)化為等式即,那么該式中的就是比例常數(shù)。那么請同學(xué)思考等于多少呢?可以通過簡單的生活實(shí)例進(jìn)行引導(dǎo),如人有兩只眼睛,也可以說有一對眼睛,為什么量詞變了?以此生活體驗引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識k等于多少是決定于單位。

        師:讓同學(xué)們閱讀教材力單位由來的內(nèi)容,從而得出牛頓第二定律的公式可以簡化為什么?

        生:或

        設(shè)計意圖:這一環(huán)節(jié)的問題鏈設(shè)計引導(dǎo)學(xué)生主動分析“探究加速度與合外力和質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗結(jié)果,進(jìn)而歸納出牛頓第二定律的內(nèi)容,推導(dǎo)出牛頓第二定律的表達(dá)式,在引導(dǎo)學(xué)生理解表達(dá)式中k值等于1的條件中,也能夠加深對牛頓第二定律的推導(dǎo)過程的認(rèn)識,體會牛頓對物理學(xué)發(fā)展做出的巨大貢獻(xiàn),而并非直接給出牛頓第二定律的表達(dá)式,為后續(xù)對牛頓第二定律內(nèi)涵的理解奠定基礎(chǔ)。

        五、引發(fā)深度思考“問題鏈”,促進(jìn)高階思維發(fā)展

        關(guān)鍵能力的培養(yǎng)旨在學(xué)生掌握相關(guān)知識的層面上,深刻理解其內(nèi)涵,可以將其運(yùn)用到新的實(shí)際情境中解決問題。指向高階思維的深度學(xué)習(xí)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效途徑,教師通過層層遞進(jìn)的問題驅(qū)動引導(dǎo)學(xué)生對所學(xué)知識深入細(xì)致思考與審慎質(zhì)疑,探求事物的本質(zhì)與知識的內(nèi)在聯(lián)系,基于證據(jù)進(jìn)行科學(xué)推理,從而科學(xué)構(gòu)建自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu),發(fā)展批判性思維與創(chuàng)造性思維。

        問題鏈3 對牛頓第二定律因果性、矢量性、同體性、同時性、獨(dú)立性的理解

        因果性:

        師:牛頓第二定律中說明了加速度與力是成正比的,能否反過來說力與加速度成正比,思考為什么?

        生:不可以…

        師總結(jié):力是產(chǎn)生加速度的原因。式中的等號表示的是一種因果關(guān)系,物體的受力情況決定了物體會做什么樣的運(yùn)動,物體的運(yùn)動狀態(tài)又可以反映出受力情況。

        矢量性:

        師:牛頓第二定律中與都是矢量,加速度是由力決定的,加速度的方向與力的方向總是相同。請同學(xué)們回想加速度的定義式是什么?

        生:。

        師:從加速度的定義式我們知道加速度的方向與什么相同?

        生:物體加速度的方向與它速度變化量的方向是相同的。

        師總結(jié):是加速度的定義式,通過該式我們知道了加速度的測量與計算方法,但是加速度大小與速度及其變化沒有因果關(guān)系。是加速度的決定式,該式揭示了力與運(yùn)動的關(guān)系,即力是物體產(chǎn)生加速度的本質(zhì)原因,因此物體加速度的方向由所受合外力的方向決定。

        同體性:

        師:請同學(xué)們思考牛頓第二定律表述中提到的“物體”是指同一物體嗎?

        (學(xué)生討論)

        師:根據(jù)學(xué)生的討論結(jié)果給予分析并總結(jié)牛頓第二定律中、、必須是對同一研究對象(物體)。

        同時性(瞬時性):

        師:請同學(xué)們思考以下問題,物體受到拉力之前靜止,物體受到拉力之后做什么運(yùn)動?那當(dāng)我們撤去拉力后,物體的運(yùn)動狀態(tài)如何呢?如果力逐漸減小到0的過程中,物體的加速度將怎樣變化?

        光滑水平面

        生:受到拉力之后做勻加速運(yùn)動;撤去拉力后,物體做勻速運(yùn)動;如果力逐漸減小,則物體的加速度逐漸減小。

        師總結(jié):加速度與合外力總是同時產(chǎn)生,同時消失,同時變化。力可以突變,加速度也可以突變,加速度與力必須是同一時刻。

        獨(dú)立性:

        師:請同學(xué)們思考,根據(jù)牛頓第二定律我們可以推理出無論多小的力都可以產(chǎn)生加速度,但是我現(xiàn)在用力去推講桌卻沒有推動它。這一結(jié)果是否與牛頓第二定律矛盾呢?

        生:不矛盾,因為物體還受摩擦力,合力為零。

        師總結(jié):講桌沒有推動,加速度為0,這里的加速度是合加速度,而前面分析的力是推力,應(yīng)該對應(yīng)合外力,而合外力確實(shí)為0。所以不矛盾。也就是說物體所受的每個力均會獨(dú)立產(chǎn)生一個加速度,而物體的實(shí)際加速度是合加速度,是由每個力產(chǎn)生的加速度矢量合成得到的。例如:拿著粉筆豎直緩慢移動它受到支持力和重力,釋放粉筆自由下落,它只受重力(忽略空氣阻力),但兩種情況下重力對應(yīng)的加速度都是。

        設(shè)計意圖:牛頓第二定律是在實(shí)驗基礎(chǔ)上建立起來的重要規(guī)律,它是動力學(xué)的核心規(guī)律,是本章的重點(diǎn),也是一個難點(diǎn)內(nèi)容,能否正確理解這一定律對今后力學(xué)部分的學(xué)習(xí)至關(guān)重要。對于學(xué)生來說,全面深入理解牛頓第二定律的內(nèi)涵與各物理量的相互聯(lián)系是有困難的,這一系列環(huán)環(huán)相扣的問題串引導(dǎo)學(xué)生明確認(rèn)識并理解牛頓第二定律的內(nèi)涵。通過思考問題與相應(yīng)實(shí)例,學(xué)生能夠理解牛頓第二定律的物理意義。

        六、巧設(shè)真實(shí)情境問題,深化遷移應(yīng)用能力

        對于《牛頓第二定律》一節(jié)的學(xué)習(xí),經(jīng)歷了猜想、探究、論證、反思等過程,學(xué)生已經(jīng)初步掌握了牛頓第二定律的內(nèi)容。然而深度學(xué)習(xí)除了深度參與、深度思考、深度反思,更重要的是能夠遷移應(yīng)用。將新收獲的知識應(yīng)用到解決相關(guān)的實(shí)際情境問題中,就是一種思維遷移,那么具體的問題選擇是非常關(guān)鍵的,能夠讓學(xué)生內(nèi)化的知識外顯化和可操作化,同時盡可能真實(shí)且稍微有一定的挑戰(zhàn)性[4]。筆者設(shè)計了兩個角度的課堂例題,已知受力情況求運(yùn)動情況和已知運(yùn)動情況求受力情況。通過兩種不同類型題目的練習(xí)與講解,使學(xué)生逐步掌握應(yīng)用牛頓第二定律解決問題的方法,鍛煉學(xué)生將物理規(guī)律應(yīng)用于實(shí)際問題解決的能力。

        【例一】跳傘運(yùn)動員在下落的初始階段,可視為做勻加速直線運(yùn)動。若在這個過程中運(yùn)動員所受阻力為400N,該運(yùn)動員與飛行器的總質(zhì)量為200kg,則列車從起動至速度達(dá)到30m/s需要多長時間?

        師:引導(dǎo)學(xué)生分析題目,首先確定研究對象,接著對其受力分析,然后建立直角坐標(biāo)系列方程。

        由牛頓第二定律:

        由運(yùn)動學(xué)方程:兩式聯(lián)立解得

        【例二】某同學(xué)騎自行車在平直的公路上以18km/h的速度勻速行駛,突然看到前面10m處有一只小狗停在路邊立即剎車,剎車后可視為勻減速運(yùn)動,該同學(xué)與自行車的總質(zhì)量是180kg。則該同學(xué)在剎車過程中受到的阻力至少為多大?(學(xué)生練習(xí))

        師:強(qiáng)調(diào)列方程規(guī)定正方向,建立直角坐標(biāo)系的原則;總結(jié)解題過程。

        設(shè)計意圖:通過例題引導(dǎo)學(xué)生體會利用牛頓第二定律解決動力學(xué)實(shí)際問題的思路和具體的求解過程。由于是新課教學(xué),需要特別注意循序漸進(jìn),逐步引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用牛頓第二定律的一般思路。最終學(xué)生能夠通過牛頓第二定律的相關(guān)證據(jù)分析解決動力學(xué)與運(yùn)動學(xué)問題。

        結(jié)束語

        綜上所述,課堂問題鏈設(shè)計需要有教師引導(dǎo),學(xué)生由簡單問題的初步探究逐步轉(zhuǎn)化為對深層問題的深入探索,以此促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。針對不同的教學(xué)內(nèi)容,課堂教學(xué)中問題鏈的構(gòu)建都可以應(yīng)用本文中介紹的四種策略,學(xué)生在問題鏈的驅(qū)動下,主動參與課堂活動,在不斷深入思考中挖掘知識與知識之間的內(nèi)在聯(lián)系,構(gòu)建系統(tǒng)的知識網(wǎng)絡(luò),同時在質(zhì)疑、推理、反思等高階思維活動中深化科學(xué)思維能力,發(fā)展核心素養(yǎng)。當(dāng)然問題鏈的設(shè)計策略不只局限于此,無論采用何種方式提出問題,都應(yīng)緊緊圍繞素養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成,同時問題設(shè)計要符合學(xué)生心理特征和認(rèn)知能力,要使問題間具有學(xué)科的邏輯關(guān)聯(lián),呈階梯式由淺入深、循序漸進(jìn)。

        參考文獻(xiàn)

        [1]黃晶.指向深度學(xué)習(xí)的“重心”概念教學(xué)策略研究和實(shí)踐[J].物理教學(xué),2022,44(11):15-18,32.

        [2]顧曉東.促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的問題群設(shè)計策略[J].基礎(chǔ)教育課程,2021(21):36-41.

        [3]谷海躍,陳新華.促進(jìn)高中物理深度學(xué)習(xí)的“問題鏈”策略研究:以“電表的改裝”教學(xué)為例[J].物理教學(xué),2020,42(11):25-28,3.

        [4]黃晶.基于問題解決的重心概念深度學(xué)習(xí)研究[J].物理教師,2023,44(4):6-10.

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