核心素養(yǎng)視角下促進(jìn)理解的逆向教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施
——以人教版“平拋運(yùn)動(dòng)”為例

談馬平

（蘭州新區(qū)舟曲中學(xué)，甘肅 蘭州 730087）

自教育部頒布了2017版的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》以來，物理教育教學(xué)進(jìn)入了“學(xué)科核心素養(yǎng)時(shí)代”.物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個(gè)方面，是物理學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn).“如何培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)”是每一個(gè)物理教育工作者必須要面對的問題.物理學(xué)科素養(yǎng)培養(yǎng)的主陣地在物理課堂，物理課堂必須指向物理學(xué)科核心素養(yǎng).華東師范大學(xué)課程與教學(xué)研究所所長崔允漷指出，建立素養(yǎng)目標(biāo)體系，實(shí)施、教學(xué)、評一致的教學(xué)，是落實(shí)核心素養(yǎng)的有效途徑.[1]逆向教學(xué)設(shè)計(jì)為物理學(xué)科核心素養(yǎng)在物理課堂中的“落地生根”提供了可行途徑.下面以人教版“平拋運(yùn)動(dòng)”一節(jié)為例，進(jìn)行逆向教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施，促進(jìn)學(xué)生深度理解，培養(yǎng)高階思維.

1 促進(jìn)理解

美國的兩位學(xué)者格蘭特·威金斯和杰伊·麥克泰格在《追求理解的教學(xué)設(shè)計(jì)（第二版）》[2]一書中提出了 “為理解而教”、“逆向教學(xué)設(shè)計(jì)”等富有變革精神的理念.“為理解而教”指教學(xué)的本質(zhì)在于理解，學(xué)生在學(xué)習(xí)結(jié)束后，應(yīng)該能夠知道、實(shí)踐和理解相關(guān)內(nèi)容，并在表現(xiàn)和作品中體現(xiàn)出來.理解包含“習(xí)得知能、意義推斷、可遷移性”3個(gè)層級與“解釋、闡明、應(yīng)用、洞察、神入、自知”6個(gè)側(cè)面.“逆向教學(xué)設(shè)計(jì)”強(qiáng)調(diào)“以終為始”，進(jìn)行結(jié)果導(dǎo)向的教學(xué)模式.它分為“確定預(yù)期結(jié)果”、“確定合適的評估證據(jù)”、“設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)體驗(yàn)和教學(xué)”3個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)“知識(shí)為本”的課堂向“素養(yǎng)為本”的轉(zhuǎn)變.

物理教學(xué)已經(jīng)進(jìn)入了“學(xué)科核心素養(yǎng)時(shí)代”.物理學(xué)科核心素養(yǎng)是物理學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是落實(shí)立德樹人的重要抓手.在一定程度上，促進(jìn)理解是落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)與前提，物理學(xué)科核心素養(yǎng)是促進(jìn)理解的進(jìn)階目標(biāo)，兩者相輔相成.而理解的程度可以通過理解的6個(gè)維度與實(shí)作任務(wù)進(jìn)行檢測，具有更強(qiáng)的操作性，可以顯性素養(yǎng)目標(biāo).理解每個(gè)側(cè)面的落實(shí)會(huì)促進(jìn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的某個(gè)方面的達(dá)成，體現(xiàn)出可操作性、可遷移性、可檢測性.

物理學(xué)是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)相互作用和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一門自然科學(xué).核心素養(yǎng)視域下，物理學(xué)常常需要構(gòu)建模型來認(rèn)識(shí)事物的本質(zhì)，需要運(yùn)用數(shù)學(xué)語言來描述各物理量之間的關(guān)系，需要經(jīng)過論證確立客觀物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.[3]構(gòu)建模型需要抓住事物的本質(zhì)，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)、判斷、類比、抽象、概括等科學(xué)方法，需要經(jīng)過理解中的應(yīng)用、洞察維度.運(yùn)用數(shù)學(xué)語言來描述各物理量之間的關(guān)系，需要經(jīng)過解釋、應(yīng)用維度來數(shù)學(xué)推導(dǎo).經(jīng)過物理論證確定運(yùn)動(dòng)規(guī)律，需要經(jīng)過解釋、闡明、應(yīng)用、維度，最終達(dá)到神入、自知維度.總之，物理教學(xué)的發(fā)展需要促進(jìn)深度理解，深度理解可以有效落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng).

2 促進(jìn)理解的逆向教學(xué)設(shè)計(jì)

教師是課堂教學(xué)的設(shè)計(jì)師，課堂教學(xué)的有效性取決于教學(xué)設(shè)計(jì)是否符合知識(shí)內(nèi)在邏輯、教學(xué)邏輯、學(xué)生認(rèn)知邏輯.激發(fā)學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)的興趣，突顯物理學(xué)科育人價(jià)值，是物理課堂的追求.“逆向教學(xué)設(shè)計(jì)”強(qiáng)調(diào)“以終為始”，進(jìn)行結(jié)果導(dǎo)向的教學(xué)模式.它分為“確定預(yù)期結(jié)果”、“確定合適的評估證據(jù)”、“設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)體驗(yàn)和教學(xué)”3個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)“知識(shí)為本”的課堂向“素養(yǎng)為本”的轉(zhuǎn)變.表1是基于UbD逆向設(shè)計(jì)模板對人教版“平拋運(yùn)動(dòng)”一節(jié)進(jìn)行的教學(xué)設(shè)計(jì).

表1 基于UbD逆向設(shè)計(jì)模板的“平拋運(yùn)動(dòng)”教學(xué)設(shè)計(jì)

3 “平拋運(yùn)動(dòng)”學(xué)習(xí)評價(jià)設(shè)計(jì)

學(xué)習(xí)要有學(xué)習(xí)評價(jià)任務(wù)，學(xué)習(xí)任務(wù)是檢測目標(biāo)是否達(dá)成的載體.新課標(biāo)倡導(dǎo)在情境中發(fā)現(xiàn)問題，在問題解決中發(fā)現(xiàn)新情境，進(jìn)行知識(shí)、能力雙重遷移.所以設(shè)計(jì)了基于“目標(biāo)+情境+問題”的學(xué)習(xí)評價(jià)，旨在將評價(jià)任務(wù)嵌入教學(xué)過程，促進(jìn)教、學(xué)、評一致.

表2 基于“目標(biāo)+情境+問題”的學(xué)習(xí)評價(jià)設(shè)計(jì)

4 促進(jìn)理解的逆向教學(xué)實(shí)施環(huán)節(jié)

4.1 軌跡展示，抽象概括定義

學(xué)習(xí)是將新知識(shí)納入原有認(rèn)知的，通過同化和順應(yīng)，提高認(rèn)知能力的過程，學(xué)習(xí)的起點(diǎn)應(yīng)該是創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的樂趣，引起思維反應(yīng)的鏈條.所以這節(jié)課引入時(shí)，可以提出采用下面的過程.

體驗(yàn)活動(dòng)：用手水平拋出的小鋼珠做什么運(yùn)動(dòng)？用手水平拋出的紙飛機(jī)做什么運(yùn)動(dòng)？

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：用實(shí)物來演示，發(fā)現(xiàn)不同物體水平拋出運(yùn)動(dòng)形式不一樣，小鋼珠很快就落地，軌跡類似數(shù)學(xué)上的拋物線，而紙飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜.并且試驗(yàn)多次，小鋼珠的軌跡幾乎一樣，而紙飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)每次都不一樣，具有多變性.

分析解釋：紙飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)比小鋼珠的復(fù)雜、多變，原因是空氣阻力的影響.小鋼珠收到的空氣阻力比較小，運(yùn)動(dòng)受重力影響大，重力是恒力，所以運(yùn)動(dòng)軌跡相似.而紙飛機(jī)受到的空氣阻力比較大，運(yùn)動(dòng)受重力和空氣阻力雙重影響，空氣阻力的變化較為復(fù)雜，所以運(yùn)動(dòng)每一次都不一樣.

建立模型：人類研究自然，大多都從最簡單的運(yùn)動(dòng)開始研究，而生活中的運(yùn)動(dòng)大多復(fù)雜，所以需要我們抓住主要本質(zhì)方面的特點(diǎn)，忽略次要非本質(zhì)方面，建立理想化模型.什么是平拋運(yùn)動(dòng)呢？以一定的速度將物體水平拋出，如果物體只受重力的作用，這時(shí)的運(yùn)動(dòng)叫做平拋運(yùn)動(dòng).

4.2 第一性原理出發(fā)，矢量分解，建立物理模型

物理理論具有簡單美，教學(xué)過程也應(yīng)該采用簡單化的原則，切莫復(fù)雜化，增加學(xué)生的認(rèn)知負(fù)擔(dān).平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律的形成應(yīng)該從物理學(xué)中的第一性原理出發(fā)，簡潔地得出.所以，筆者建議下面的方法.

牛頓第二定律能解釋大自然存在的各種各樣的復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)然也能應(yīng)用到平拋運(yùn)動(dòng)中.具體應(yīng)用過程如下.[4]

設(shè)平拋運(yùn)動(dòng)的物體受豎直向下的大小為mg的重力作用，初速度為v0.由牛頓第二定律，可列

F合與a都是矢量，矢量的分解遵循平行四邊形定則，有無數(shù)種分解方法，原則是選取有利于簡化計(jì)算或有物理意義的兩個(gè)方向進(jìn)行分解.

以拋出點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，v0方向?yàn)閤軸正方向，以重力加速度的方向?yàn)閥軸正方向，用正交分解法分解a得

水平方向：ax=0，vx=v0，x=v0t，

豎起方向：ay=g，

4.3 推理論證，建立數(shù)學(xué)模型

論證是由已有的正確的前提到被論證的結(jié)論的一連串的推理過程，推理論證能力是學(xué)生必須要具備的思維能力.所以在教學(xué)中應(yīng)該多培養(yǎng)學(xué)生的論證能力.建立平拋運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，正是培養(yǎng)論證能力的好機(jī)會(huì)，如圖1所示.

圖1

教學(xué)契機(jī)總是在教師示弱、學(xué)生追問中發(fā)現(xiàn)的.平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡判斷正好是發(fā)展數(shù)學(xué)能力的契機(jī)，應(yīng)該“趁熱打鐵”，繼續(xù)追問：如何求平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡方程？學(xué)生經(jīng)過思考后，不難發(fā)現(xiàn)：消去水平位移x=v0t與豎直位移中的時(shí)間t，就可以得到軌跡方程為結(jié)合數(shù)學(xué)中圓錐曲線的知識(shí)，軌跡是開口為y軸的拋物線.但是教師得引導(dǎo)思考“為什么可以消去時(shí)間t呢？”這是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)的分運(yùn)動(dòng)與合運(yùn)動(dòng)具有等時(shí)性，再一次升華認(rèn)識(shí)，鞏固所學(xué).

通過牛頓運(yùn)動(dòng)定律與矢量分解得到水平方向和豎直方向的速度、位移規(guī)律，再建構(gòu)出平拋運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，形成對平拋運(yùn)動(dòng)的“螺旋式”上升的認(rèn)知.

4.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，完成實(shí)作任務(wù)

物理是一門實(shí)驗(yàn)和科學(xué)思維相結(jié)合的學(xué)科，物理教學(xué)中得突出實(shí)驗(yàn)特征.經(jīng)過第一性原理出發(fā)的理論演繹，再用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，加深對平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，形成清晰穩(wěn)定的思維.采用DIS數(shù)字信息系統(tǒng)研究平拋運(yùn)動(dòng)（圖2），計(jì)算機(jī)會(huì)繪制出平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡（圖3）.觀察軌跡，分析數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)小球在水平方向做的是勻速直線運(yùn)動(dòng)，豎直方向是自由落體運(yùn)動(dòng)，符合之前的理論分析，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合.

圖2 數(shù)字化研究平拋運(yùn)動(dòng)的裝置

圖3 計(jì)算機(jī)描繪平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡

逆向設(shè)計(jì)認(rèn)為，實(shí)作任務(wù)是評價(jià)學(xué)生是否達(dá)到持久性理解、靈活應(yīng)用的恰當(dāng)證據(jù).實(shí)作任務(wù)強(qiáng)調(diào)，在真實(shí)的情境中解決問題，進(jìn)行過程性與結(jié)果性雙重評價(jià)，培養(yǎng)模型建構(gòu)、問題解決、學(xué)習(xí)遷移、科學(xué)論證等學(xué)科核心素養(yǎng).因此，本節(jié)課設(shè)置了如下實(shí)作任務(wù)（見表3）.

表3 平拋運(yùn)動(dòng)的實(shí)作任務(wù)

4.5 情境遷移，引導(dǎo)上位學(xué)習(xí)

任何學(xué)習(xí)都是在學(xué)習(xí)者已經(jīng)具有的知識(shí)結(jié)構(gòu)和認(rèn)知結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，新的知識(shí)、認(rèn)知只有逐步嵌入在原有認(rèn)知中，才會(huì)發(fā)生真正的學(xué)習(xí).學(xué)生在知識(shí)遷移的過程中，習(xí)慣用的方法是類比.所以把學(xué)到的模型應(yīng)用于相近的情境中，采用變式的形式理解所學(xué)概念、規(guī)律，是培養(yǎng)學(xué)生遷移能力的途徑之一.

學(xué)習(xí)了平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律后，可以適當(dāng)練習(xí)相近的變式題目，遷移到一般的拋體運(yùn)動(dòng)，達(dá)到舉一反三的效果.

變式1：以初速度v0水平拋出的物體，飛行一段時(shí)間后，垂直地撞在傾角為θ的斜面上，求物體飛行的時(shí)間.

變式2：AB為斜面，傾角為30°，小球從A點(diǎn)以初速度v0水平拋出，恰好落在B點(diǎn)，求小球在空中飛行的時(shí)間.

變式3：在傾角為θ的斜面頂端A處以速度v0水平拋出一小球，落在斜面上的某一點(diǎn)B處，設(shè)空氣阻力不計(jì)，求從拋出開始計(jì)時(shí)，經(jīng)過多長時(shí)間小球離斜面的距離達(dá)到最大？

在物理教學(xué)中進(jìn)行逆向教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施，從教、學(xué)、評三個(gè)維度落實(shí)物理教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生深度理解，實(shí)現(xiàn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)在物理課堂中真正“落地”.