“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”單元教學(xué)的逆向設(shè)計(jì)探討

(安徽師范大學(xué)物理電子與信息學(xué)院,安徽 蕪湖 241002)

1 研究背景

隨著新一輪課程改革的實(shí)施,基于課程標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)科教學(xué)研究正在不斷深入?；谡n程標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)實(shí)質(zhì)是“教學(xué)目標(biāo)源于課程標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)估設(shè)計(jì)先于課程設(shè)計(jì)、指向?qū)W生學(xué)習(xí)結(jié)果的質(zhì)量”。[1]2018年教育部正式頒布《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》,預(yù)示著高中物理教學(xué)改革進(jìn)入一個(gè)新階段,同時(shí)也提出了眾多問(wèn)題,其中較為突出的是物理學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)的落實(shí)，逆向設(shè)計(jì)為此提供了可行途徑。

2 逆向設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

逆向設(shè)計(jì)是由美國(guó)的維金斯和麥克泰格提出,強(qiáng)調(diào)“以終為始”,從學(xué)習(xí)結(jié)果開(kāi)始逆向思考。逆向設(shè)計(jì)更多聚焦于核心概念與基本問(wèn)題等高聚合因素，針對(duì)一個(gè)單元進(jìn)行設(shè)計(jì),可以作為課標(biāo)與課時(shí)教學(xué)設(shè)計(jì)之間的一個(gè)紐帶,將兩者更好地連接起來(lái)，逆向教學(xué)設(shè)計(jì)的邏輯如表1所示。

表1

3 “牛頓運(yùn)動(dòng)定律”單元教學(xué)的逆向設(shè)計(jì)

逆向設(shè)計(jì)的目的是促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的深度理解,避免他們重走死記硬背之路。筆者依據(jù)逆向設(shè)計(jì)的理論,對(duì)普通高中物理必修一第四章“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。

3.1 確定預(yù)期結(jié)果

在逆向設(shè)計(jì)的第一個(gè)階段,教師需要確定哪些知識(shí)和技能是要讓學(xué)生掌握的以及需要達(dá)到的程度。要明確兩個(gè)目標(biāo):(1) 學(xué)生需要真正理解的是什么？即理解事項(xiàng);(2) 學(xué)生需要知道和會(huì)做的是什么？即知識(shí)和技能。

理解事項(xiàng)并不是簡(jiǎn)單地將學(xué)生需要理解的知識(shí)點(diǎn)一一羅列出來(lái),而是要呈現(xiàn)出本章的核心概念,也就是大概念。學(xué)生可以自己通過(guò)這些大概念去發(fā)掘其他的所有零碎的知識(shí)點(diǎn),這樣不僅可以擯棄傳統(tǒng)的“灌輸式”教學(xué),而且還能培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”這章大概念的提煉過(guò)程如圖1所示。

圖1

理解事項(xiàng)1:慣性是物體具有保持原來(lái)的勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)。

大千世界,物體運(yùn)動(dòng)雖各種各樣,但這都取決于不同物體在不同受力情況下的運(yùn)動(dòng)。如果回到起點(diǎn),物體不受任何力的作用,那么物體將保持勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài),這也就是牛頓第一定律所要闡述的內(nèi)容。

理解事項(xiàng)2:力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。

物體原始的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài),外力是改變此狀態(tài)的原因。牛頓第二定律闡述的是加速度與力以及質(zhì)量之間關(guān)系,實(shí)質(zhì)上是力與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之間的關(guān)系。

理解事項(xiàng)3:實(shí)驗(yàn)和邏輯推理相結(jié)合，是重要的科學(xué)研究方法。

在物理學(xué)的發(fā)展過(guò)程中,實(shí)驗(yàn)一直起著非常重要的作用,它是促進(jìn)科學(xué)發(fā)展必不可少的手段。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评硪彩俏锢韺W(xué)發(fā)展過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié),將實(shí)驗(yàn)與科學(xué)推理結(jié)合起來(lái),不僅培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，還訓(xùn)練了他們的思維。

理解事項(xiàng)4:國(guó)際單位制不僅能檢驗(yàn)物理量之間的關(guān)系,更能凸顯物理量的意義。

新的物理量是通過(guò)其他物理量導(dǎo)出的,物理量之間的聯(lián)系也關(guān)乎物理單位之間的聯(lián)系,檢驗(yàn)物理量之間的關(guān)系，不僅可以通過(guò)物理知識(shí)來(lái)判斷,還可以從單位入手。同時(shí),單位也是物理區(qū)別于數(shù)學(xué)的重要方面,物理數(shù)據(jù)不僅僅是數(shù)字,更重要的是有其物理意義。

3.2 確定合適的評(píng)估證據(jù)

在逆向設(shè)計(jì)的第二個(gè)階段,教師要關(guān)注：學(xué)生的學(xué)習(xí)效果如何?有沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)?需要用具體的證據(jù)來(lái)說(shuō)明目標(biāo)達(dá)成的效果。

3.2.1 表現(xiàn)性任務(wù)

究竟何為理解?不同的研究者對(duì)其解釋各不相同,維金斯和麥克泰格認(rèn)為理解是多維的、復(fù)雜的,有不同的類型、不同的方法,同時(shí)和其他知識(shí)目標(biāo)也有概念上的重疊，他們提出從理解的六個(gè)層面進(jìn)行展示。[2]逆向設(shè)計(jì)本身就是追求理解的教學(xué)設(shè)計(jì),所以尋求證據(jù)來(lái)證明預(yù)期結(jié)果實(shí)現(xiàn)的時(shí)候,就需要從理解的六個(gè)層面出發(fā),找出所需的充足證據(jù)，理解的六個(gè)層面的解釋以及本單元中所需的證據(jù)如表2。

表2

任務(wù)1:排演一段從亞里士多德的“力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”到牛頓總結(jié)出三大定律的情景劇。需要學(xué)生查找資料,了解重要物理學(xué)家的貢獻(xiàn)及研究歷程,需要學(xué)生了解透徹，才能還原歷史，扮演好這些重要人物。

任務(wù)2:為某一商場(chǎng)設(shè)計(jì)電梯。這就要考慮電梯的容納空間和限載人數(shù)，達(dá)到設(shè)計(jì)的最優(yōu)化,最重要的是要認(rèn)真考慮安全問(wèn)題,最多能承載的重量一定要計(jì)算好,否則后果不堪設(shè)想。

3.2.2 其他證據(jù)

僅用表現(xiàn)性任務(wù)來(lái)檢驗(yàn)學(xué)生的理解還不夠,需要提供量化證據(jù)來(lái)進(jìn)一步檢驗(yàn)，可以采用“課堂測(cè)驗(yàn)”“課后作業(yè)”“章末測(cè)驗(yàn)”等手段。

3.3 設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)體驗(yàn)和教學(xué)

預(yù)期目標(biāo)和評(píng)估證據(jù)都已經(jīng)準(zhǔn)備好了,如何達(dá)成這些目標(biāo)？如何讓評(píng)估證據(jù)發(fā)揮作用?這就需要教師精心設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程,不僅要選擇好教學(xué)內(nèi)容,還要選擇合適的材料和資源,運(yùn)用合適的教學(xué)方式，呈現(xiàn)豐富多彩的課堂教學(xué)。根據(jù)WHERETO要素，筆者列出了如表3所示的本章教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

表3

提問(wèn)是每個(gè)教師在課堂上必然會(huì)經(jīng)歷的環(huán)節(jié)，問(wèn)題一定要問(wèn)在點(diǎn)上，對(duì)學(xué)生有所啟發(fā)，能夠促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步思考，挖掘更深入的問(wèn)題，這才是好的問(wèn)題，是逆向設(shè)計(jì)中提出的基本問(wèn)題，本章的基本問(wèn)題如下。

基本問(wèn)題1:力是維持物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因嗎?

該問(wèn)題將引導(dǎo)學(xué)生從力與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之間的關(guān)系入手,理解牛頓第一定律的內(nèi)涵。從本質(zhì)上理解力與運(yùn)動(dòng)以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之間的關(guān)系,力并不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因。

教學(xué)活動(dòng)1:組成兩組辯論隊(duì)伍,以“物體的運(yùn)動(dòng)需要力的維持嗎”為辯題進(jìn)行辯論。

教學(xué)活動(dòng)2:在學(xué)生已經(jīng)了解物理史實(shí)的基礎(chǔ)上,讓學(xué)生分組、選擇實(shí)驗(yàn)器材，模擬伽利略的理想實(shí)驗(yàn),對(duì)自己的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行講解，大家一起交流、討論、反思。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生在辯論過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,找到原因。讓學(xué)生重做理想實(shí)驗(yàn),是想讓學(xué)生親自體驗(yàn)力并不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因,轉(zhuǎn)變學(xué)生在日常生活中建構(gòu)的前概念。

基本問(wèn)題2:力與物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變有怎樣的關(guān)系?

該問(wèn)題驅(qū)使學(xué)生深入理解力與物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變之間的關(guān)系。

教學(xué)活動(dòng)1:讓學(xué)生猜想加速度與力、質(zhì)量之間可能存在的關(guān)系,并設(shè)計(jì)驗(yàn)證該猜想的實(shí)驗(yàn)方案，包括講述實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題以及解決的方法。

教學(xué)活動(dòng)2:向?qū)W生展示2007年英國(guó)科學(xué)家霍金在大西洋上空的一架飛機(jī)中體驗(yàn)的一種現(xiàn)象以及中國(guó)宇航員翟志剛在“神七”飛船的出艙活動(dòng)。

設(shè)計(jì)意圖：牛頓第二定律所闡述的本質(zhì)就是力與物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變之間的定量關(guān)系,是力學(xué)中重要的規(guī)律之一。讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探索加速度與力、質(zhì)量之間的關(guān)系,是讓學(xué)生理解力與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變之間關(guān)系的橋梁，同時(shí)借助實(shí)驗(yàn)加深學(xué)生的理解。

基本問(wèn)題3:在牛頓運(yùn)動(dòng)定律的形成過(guò)程中,實(shí)驗(yàn)和邏輯推理是如何結(jié)合的?它們的結(jié)合又是如何促進(jìn)科學(xué)研究方法發(fā)展的?

該問(wèn)題將幫助學(xué)生深刻地理解物理知識(shí)的建構(gòu)途徑和科學(xué)研究方法的發(fā)展過(guò)程。

教學(xué)活動(dòng)1:制作實(shí)驗(yàn)裝置,裝置中用光滑的鋼絲替代光滑的斜面,穿過(guò)鋼絲的金屬小球替代斜面上運(yùn)動(dòng)的物體。裝置中設(shè)置3個(gè)不同傾角的軌道,比較小球運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。

教學(xué)活動(dòng)2:讓學(xué)生給商場(chǎng)設(shè)計(jì)電梯,并給出相應(yīng)的說(shuō)明書(shū)(要考慮空間與承載的問(wèn)題)。

設(shè)計(jì)意圖：這是對(duì)學(xué)生遷移能力的考查,學(xué)習(xí)不僅僅為了一紙證書(shū),更重要的是學(xué)生可以運(yùn)用這些知識(shí)解決問(wèn)題,并進(jìn)行再創(chuàng)造,將學(xué)到的知識(shí)進(jìn)一步深化才是學(xué)習(xí)的真諦。

基本問(wèn)題4:單位制在物理學(xué)中有什么意義?

該問(wèn)題將會(huì)讓學(xué)生對(duì)單位制有深入的了解,能夠認(rèn)識(shí)到單位制在物理學(xué)中的重要性。單位制的出現(xiàn)將一串?dāng)?shù)字符號(hào)賦予特定的物理意義,使得各個(gè)物理量之間的聯(lián)系更加緊密。

4 小結(jié)

逆向設(shè)計(jì)是一種針對(duì)單元進(jìn)行的教學(xué)設(shè)計(jì),不僅可以使教學(xué)時(shí)間安排得更合理,最重要的是該教學(xué)設(shè)計(jì)更能體現(xiàn)學(xué)生的學(xué)。學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解是建立在自己探索的基礎(chǔ)上,克服傳統(tǒng)教學(xué)中死記硬背、不懂變通的弊端，逆向設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的有效途徑。