陳佳麗 董鴻飛 鄧素華

摘 要：依據(jù)深度學(xué)習(xí)理念改進(jìn)課堂教學(xué)、落實核心素養(yǎng)是現(xiàn)階段亟待解決的課堂教學(xué)問題，是實現(xiàn)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才隊伍的一個突破口。本文以“力按作用效果分解”為例，在高中物理課堂教學(xué)中通過聯(lián)系生活實際，利用“認(rèn)知沖突、動手設(shè)計、實驗探究、應(yīng)用遷移”等教學(xué)策略優(yōu)化課堂教學(xué)，實現(xiàn)學(xué)生在認(rèn)知、思維和情感方面的深度參與，創(chuàng)設(shè)指向核心素養(yǎng)的物理課堂深度學(xué)習(xí)過程，讓學(xué)生在掌握學(xué)科知識的過程中達(dá)到培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；深度學(xué)習(xí)；高中物理

中圖分類號：G633.7? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1673-260X（2024）05-0115-04

教育部基礎(chǔ)教育課程教材發(fā)展中心深度學(xué)習(xí)教學(xué)改進(jìn)項目組對“深度學(xué)習(xí)”界定為在教師引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發(fā)展的有意義的學(xué)習(xí)過程[1]。高中物理學(xué)中的力的合成與分解是學(xué)生很難深度理解其中的物理思想的一個內(nèi)容，教師以“力按作用效果分解”為載體，引領(lǐng)學(xué)生對力的合成與分解進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，分解等效替代物理學(xué)思想，在幫助學(xué)生對物理知識深度學(xué)習(xí)的過程中，探索如何落實物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

1 落實核心素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生在物理課堂教學(xué)中的深度學(xué)習(xí)

教師對教學(xué)內(nèi)容、學(xué)習(xí)環(huán)境、教學(xué)評價等環(huán)節(jié)的設(shè)計是深度學(xué)習(xí)發(fā)生的保障[2]。本文以“力按作用效果分解”為例，通過設(shè)置“雞蛋很容易打碎”卻“不容易踩碎”的情境，引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突，在對可能的原因進(jìn)行多方面的猜想后，引導(dǎo)學(xué)生用“力的分解”科學(xué)解釋雞蛋“不易碎”的原因。帶著疑問對力按作用效果分解這一知識進(jìn)行學(xué)習(xí)，通過自制教具進(jìn)行對比實驗，觀察木塊的運動和木塊與斜面間的相互作用，定性了解木塊重力按作用效果的分解，并理論推導(dǎo)出兩個分力的大小，最后引入壓力傳感器和拉力傳感器定量研究木塊重力按作用效果的分解。通過探索、定性和定量的分析過程，學(xué)生經(jīng)歷深度思考與科學(xué)探究，全身心地參與課堂教學(xué)，并在知識遷移和應(yīng)用的過程中走出物理課堂，體會物理學(xué)知識在大自然和生產(chǎn)生活中的實際應(yīng)用。

1.1 形成認(rèn)知沖突，引發(fā)深度思考

學(xué)生在已知“力的合成”“力的分解是力的合成的逆運算”基礎(chǔ)上，根據(jù)深度學(xué)習(xí)理念，利用學(xué)生在生活中的一些經(jīng)驗和錯誤的理解，創(chuàng)設(shè)“踩在腳下的雞蛋為何不碎”這一具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題開展教學(xué)。在教學(xué)過程中首先演示打碎生雞蛋的過程，讓學(xué)生猜測——如果拿四顆雞蛋踩在腳下，會不會碎？幾乎全班學(xué)生會認(rèn)為踩在腳下的生雞蛋很容易碎，接下來，在幾個同學(xué)的合作下進(jìn)行演示。學(xué)生發(fā)現(xiàn)雞蛋并沒有被踩碎，在對比實驗的過程中親身體會雞蛋的易碎而又堅硬。但是，學(xué)生對力是如何按作用效果進(jìn)行分解的理解與應(yīng)用還處于淺層學(xué)習(xí)的狀態(tài)，很多解釋只停留于表象，認(rèn)知徘徊于低階而無法利用所學(xué)知識進(jìn)行科學(xué)地解釋。各種疑惑便成為打開高階認(rèn)知思維之門的鑰匙，引發(fā)學(xué)生的深度思考，促進(jìn)物理課堂深度學(xué)習(xí)過程。

1.2 大膽猜想并分類評價，促進(jìn)深度思考

在物理課堂教學(xué)中，通過搭建有效的概念“腳手架”是把復(fù)雜問題轉(zhuǎn)化為易解決的簡單問題的一種策略，能幫助學(xué)生提高分析和解決物理問題的能力[3]。學(xué)生在“不碎的雞蛋”問題中已經(jīng)產(chǎn)生了很大困惑，此時，先將學(xué)生的視線轉(zhuǎn)移到對一個已知力進(jìn)行分解的問題。通過幫助學(xué)生回憶力的分解是力的合成的逆運算這一知識點，對手中透明墊板上一個豎直向下的力F進(jìn)行分解，在對比小組內(nèi)其他同學(xué)的分解圖后，對一個已知力進(jìn)行分解的多種方式進(jìn)行深度思考，得出“如果不加任何限制條件，對于一個豎直向下的力F有無數(shù)組大小和方向都不同的分力”的結(jié)論。隨后，通過追問“在無數(shù)個平行四邊形中究竟該如何確定其中的一個？請設(shè)計實驗并驗證自己的猜想假設(shè)”引入下一步的科學(xué)探究環(huán)節(jié)——對木塊重力按作用效果分解中的作用效果的可視化。

1.3 設(shè)計實驗并動手實驗，實現(xiàn)深度理解

實驗探究與理論推導(dǎo)的結(jié)合可以讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)論證的過程。在猜想的基礎(chǔ)上，對所提供的實驗器材（100g的木塊、硬紙板、軟塑料墊板、傾角為30°的直角木支架）進(jìn)行實驗設(shè)計，經(jīng)歷科學(xué)的實驗探究過程，理解力按作用效果分解的實質(zhì)。通過與“滑滑梯”的生活經(jīng)驗相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生從運動和相互作用的角度認(rèn)識力的作用效果，培養(yǎng)學(xué)生盡量減小實驗誤差的意識，增強證據(jù)意識，提高科學(xué)論證能力。在以上循序漸進(jìn)的探究過程中，引導(dǎo)學(xué)生深度思考力的分解。

1.3.1 探究一：定性分析和定量研究

物理學(xué)是一門高度定量研究的學(xué)科，許多物理問題都離不開測量。要想對一個問題進(jìn)行高度統(tǒng)攝，就要先對問題居高臨下，統(tǒng)觀全局，從整體上做定性思考，才有可能抓住問題的本質(zhì)[4]。在學(xué)生已知“如果不加任何限制條件，一個力可以分解為無數(shù)組大小和方向都不同的分力”的前提下，通過觀察斜面實驗，從動力學(xué)的角度思考木塊沿硬紙板加速下滑的原因，分析出是因為木塊重力對木塊產(chǎn)生了沿斜面下滑的作用效果后，再讓學(xué)生聯(lián)想實際生活中滑滑梯的經(jīng)驗強化知識的理解。如果還是有一部分學(xué)生不理解，那么，在斜面頂端固定橡皮筋，橡皮筋下端與重物連接，當(dāng)物體在斜面靜止時通過橡皮筋的伸張來可視化描述重力的沿斜面下滑的作用效果。在此過程中學(xué)生并不能明顯觀察到木塊對斜面也有擠壓的作用，因此，通過設(shè)計對比實驗，利用軟塑料墊板“放大”木塊擠壓斜面的作用效果，引導(dǎo)學(xué)生從相互作用觀進(jìn)行思考，得出木塊重力還產(chǎn)生了壓彎斜面的作用效果，并由此聯(lián)想到年代久遠(yuǎn)的滑梯都會有一定程度的形變。學(xué)生通過作用效果的可視化描述與探索，實現(xiàn)深度思考，結(jié)合實驗操作，實現(xiàn)對“作用效果”的深度理解。

高中生對物理學(xué)矢量意識不強，分析能力、概括能力、作圖能力、運用數(shù)學(xué)知識解決物理問題的能力還有待培養(yǎng)。學(xué)生在本節(jié)課中的困惑主要有：如何正確分解一個已知力？在已知分力方向的前提下如何確定分力的大?。窟@就需要能夠正確地利用平行四邊形定則，通過準(zhǔn)確作圖，完成理論計算，得出G1=0.50N；G2=0.85N。學(xué)生完成如何對木塊重力進(jìn)行分解的實驗探究過程，并對分力大小進(jìn)行了理論推導(dǎo)，同時將物理問題與生活實際相聯(lián)系，對力按作用效果分解有了切身的感受，逐漸認(rèn)識到物理學(xué)可以對生活中相關(guān)的現(xiàn)象進(jìn)行描述和解釋，物理既來源于生活，又服務(wù)生活。

1.3.2 探究二：更加精準(zhǔn)化的實驗研究

雖然已經(jīng)過了實驗探索和理論推導(dǎo)，但是按作用效果的分解方式是否可靠？如何解決實際問題？等問題還困擾著學(xué)生。為落實科學(xué)探究的要求，教師要幫助學(xué)生創(chuàng)設(shè)有助于深度思考、深度探索的實驗條件和環(huán)境?？梢岳脭?shù)字化傳感器實驗技術(shù)使高中物理實驗思維和過程可視化，對實驗設(shè)計和儀器進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，將不可見、不可做轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎^察、可測量，幫助學(xué)生建立起客觀的物理概念，在科學(xué)探究的過程中深入地理解物理知識[5]。

壓力傳感器和拉力傳感器的引入將幫助學(xué)生更好地解決“將不可測量變?yōu)榭蓽y量”的問題，通過對實驗過程的設(shè)計，確定實驗器材的連接方式，并自己動手將拉力傳感器和壓力傳感器固定在合適的位置上，再將其與數(shù)據(jù)采集器和電腦相連接，如圖1。通過計算機軟件測量數(shù)據(jù)，直接讀出沿斜面方向上的分力大小為G1=0.49N，與垂直斜面方向上分力為G2=0.85N，根據(jù)平行四邊形定則得出G==0.97N≈0.98N。在數(shù)據(jù)分析的過程中，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)實驗測量值與理論計算值有較大偏差，在解決此問題的過程中，學(xué)生會對減小誤差的方法進(jìn)行多角度探究，對力是按作用效果分解的方式進(jìn)行深入思考，最后通過更換軟硬合適、光滑度較高的斜面和保證細(xì)線與斜面的平行等減小實驗誤差，得出比較準(zhǔn)確的結(jié)果，提高學(xué)生對知識、數(shù)據(jù)、實驗等都會不斷發(fā)展變化的認(rèn)識。

深刻理解實驗探究過程是根據(jù)平行四邊形定則對力按其作用效果進(jìn)行分解，將分解的思維過程變得可觀察，分解的結(jié)果變得可測量。通過分析、評價、創(chuàng)造認(rèn)知思維的訓(xùn)練提高學(xué)生的認(rèn)知水平，培養(yǎng)學(xué)生解決問題能力和抽象思維結(jié)構(gòu)，并將它們?nèi)谌雽W(xué)生原有的認(rèn)知中，達(dá)到對新知識的深度學(xué)習(xí)。

1.4 學(xué)會應(yīng)用遷移，解決實際工程問題

通過設(shè)計“如何修建引橋”的問題，如表1設(shè)計引橋，讓學(xué)生扮演工程師角色去解決實際的工程問題。以課外小資料的形式補充學(xué)生引橋知識，先自主設(shè)計，再進(jìn)行四人一小組合作交流，在設(shè)計過程中檢測學(xué)生將實際問題轉(zhuǎn)化成物理模型、聯(lián)系已有知識和經(jīng)驗解決實際工程問題的能力。小組內(nèi)對于引橋的不同設(shè)計體現(xiàn)出了學(xué)生發(fā)散思維和創(chuàng)造思維的簡單運用。接下來讓學(xué)生依據(jù)分類評價標(biāo)準(zhǔn)對小組成員的設(shè)計成果依次進(jìn)行打分，引導(dǎo)學(xué)生對現(xiàn)有方案質(zhì)疑，并要求恰當(dāng)使用證據(jù)解釋自己的觀點，之后小組合作研制最終設(shè)計方案，小組發(fā)言人通過簡練的語言表明小組觀點，最后全班找出需要改進(jìn)的問題，在反饋中貼近真正工程師的設(shè)計，得出一份較為合理的設(shè)計方案。

在工程問題的解決過程中，教師帶領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷對“力按作用效果的分解”從記憶、領(lǐng)會的低階思維與創(chuàng)造思維深度融合[6]，培養(yǎng)學(xué)生在合作中既要堅持觀點又能修正錯誤，能依據(jù)普遍接受的道德與規(guī)范認(rèn)識和評價物理研究與應(yīng)用，具有保護環(huán)境、節(jié)約資源以及促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感。從而通過經(jīng)歷解決一個實際問題的過程，在學(xué)生互評、教師的過程性評價中檢驗學(xué)生深度學(xué)習(xí)效果，將核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落實到課堂教學(xué)過程中。

2 以更深層的拓展，檢驗深度學(xué)習(xí)成果

2.1 深層拓展一：認(rèn)知由平面走向立體

通過引導(dǎo)學(xué)生解密“不易碎的雞蛋”，利用“力按作用效果分解”對問題進(jìn)行科學(xué)的分析，將本節(jié)課所學(xué)知識運用到生活中的實際問題。對剛?cè)敫咧械膶W(xué)生來說，空間受力分析是一個難點，因此首先將雞蛋由立體轉(zhuǎn)化為某一豎直切面的分析，分割出豎直切面上的曲線，再選擇曲線上的一點，對作用于該點的豎直向下的F力進(jìn)行分解，如圖2所示。其次，講解點的聚集而形成曲線，能夠分散F力，以此推理，雞蛋表面弧線上的各個點都是如此。最后，解釋以豎軸為中心的曲線轉(zhuǎn)動會形成一個拱形面，無數(shù)個豎直平面再次分散F力。經(jīng)過兩種分散，使F1和F2不足以破壞雞蛋時，雞蛋便會完好無損。接下來，利用3D動畫技術(shù)，幫助學(xué)生在現(xiàn)有理解的基礎(chǔ)上突破對于空間受力情況的理解，在體現(xiàn)現(xiàn)代信息技術(shù)工具解決常規(guī)方法難以實現(xiàn)的實驗現(xiàn)象的同時，一步步揭開不碎雞蛋的物理本質(zhì)，強化學(xué)生對“力按作用效果分解”的理解，加強學(xué)生學(xué)科知識、科學(xué)技術(shù)和科學(xué)方法都可以不斷發(fā)展變化的認(rèn)識。

2.2 深層拓展二：認(rèn)知從物理走向生活、走進(jìn)自然

力按作用效果的分解在生活中十分廣泛地存在，教師引導(dǎo)學(xué)生從不碎的雞蛋到人類的頭部、烏龜?shù)凝敋?、鳥類的頭部再到天體，從物理學(xué)的視角正確描述和解釋它們拱形或球形的結(jié)構(gòu)中所蘊含的力按作用效果分解的奧妙。并且，人類利用這一知識設(shè)計橋梁、屋頂?shù)墓こ淘O(shè)計和產(chǎn)品制造等普遍服務(wù)于我們的生活，提高我們生活中的舒適感。

課程的最后，通過設(shè)計發(fā)散性的問題：如果把雞蛋旋轉(zhuǎn)90°后實驗結(jié)果會如何？“不易碎的雞蛋”除了力的分解知識以外還會涉及哪些知識？引導(dǎo)學(xué)生在對未知事情的好奇中，進(jìn)行無盡的聯(lián)想和探索。培養(yǎng)學(xué)生能夠不斷發(fā)展并優(yōu)化自己科學(xué)思維、科學(xué)方法、科學(xué)態(tài)度的能力。

3 總結(jié)與展望

本文以“力按作用效果的分解”為例，探索利用“認(rèn)知沖突、動手設(shè)計、實驗探究、應(yīng)用遷移”等環(huán)節(jié)優(yōu)化高中物理課堂教學(xué)。通過在課堂上設(shè)置環(huán)環(huán)相扣的學(xué)習(xí)任務(wù)，搭建物理概念的“腳手架”，讓學(xué)生在逐個擊破小問題的過程中深度思考所學(xué)知識，訓(xùn)練低階思維與創(chuàng)造思維的深度融合。在定性探究過程中幫助學(xué)生深入理解何為按作用效果進(jìn)行分解，促進(jìn)學(xué)生動力學(xué)觀念、運動與相互作用觀念的形成發(fā)展，學(xué)會運用動力學(xué)觀念解釋自然現(xiàn)象。在定量驗證讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)實驗探究的一般過程，用科學(xué)的研究方法驗證力按作用效果的分解方式，讓學(xué)生經(jīng)歷把一個整體的事物分解為幾個要素進(jìn)行科學(xué)探究，以及把問題的幾個要素結(jié)合成一個整體進(jìn)行綜合認(rèn)識的思維過程，提高學(xué)生的分析與綜合能力。學(xué)生在觀察、實驗的基礎(chǔ)上通過科學(xué)推理和科學(xué)論證得到結(jié)論，通過數(shù)據(jù)分析再優(yōu)化實驗設(shè)計，加強知識、技術(shù)和實驗的優(yōu)化發(fā)展意識。探索通過調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)思維的教育，讓學(xué)生學(xué)會用科學(xué)的態(tài)度面對問題和解決問題。同時，將深度學(xué)習(xí)的課堂評價貫穿于整個學(xué)習(xí)活動，有效評價促進(jìn)教與學(xué)都能按照預(yù)定目標(biāo)發(fā)展，讓學(xué)生能及時看到、聽到、體驗到所學(xué)知識的學(xué)習(xí)成果、同學(xué)評價、教師評價，對知識、能力、課堂表現(xiàn)等方面的表現(xiàn)進(jìn)行自主反思，達(dá)到學(xué)習(xí)知識、提升能力，設(shè)計追問和深度學(xué)習(xí)情景的目的是激發(fā)學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力，促使學(xué)生真思考、真學(xué)習(xí)，逐步達(dá)到深度學(xué)習(xí)，同時在學(xué)生深度學(xué)習(xí)的過程中落實對學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，在接下來的研究中，將繼續(xù)探索指向核心素養(yǎng)的深度學(xué)習(xí)的課堂教學(xué)模式，進(jìn)行教學(xué)實踐研究，以期為學(xué)科教師在指向核心素養(yǎng)的深度學(xué)習(xí)教學(xué)提供案例參考，為課堂教學(xué)模式的改革提供經(jīng)驗借鑒。

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