基于首要教學(xué)原理的教學(xué)設(shè)計(jì)

李曼 李滿

［摘 要］高考改革背景下，為幫助學(xué)生深入理解物理學(xué)科的內(nèi)涵和特點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣，教師應(yīng)積極探索全新的物理教學(xué)模式。文章以“萬有引力定律”一節(jié)為例，應(yīng)用首要教學(xué)原理進(jìn)行波紋環(huán)狀教學(xué)設(shè)計(jì)。

［關(guān)鍵詞］首要教學(xué)原理；波紋環(huán)狀教學(xué)設(shè)計(jì)；萬有引力定律

［中圖分類號］ ? ?G633.7 ? ? ? ?［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ ? ?A ? ? ? ?［文章編號］ ? ?1674-6058（2023）02-0053-04

首要教學(xué)原理是美國猶他州州立大學(xué)教授戴維·梅里爾于2002年在美國教育技術(shù)專業(yè)雜志《教育技術(shù)》上首先提出的，2003年經(jīng)浙江大學(xué)教育學(xué)院盛群力教授翻譯后引入我國。戴維·梅里爾教授在總結(jié)了行為主義、認(rèn)知主義、建構(gòu)主義等眾多學(xué)習(xí)理論以及考察了眾多的教學(xué)設(shè)計(jì)理論與模式的基礎(chǔ)上，提出了以最終促進(jìn)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)為目的的五項(xiàng)教學(xué)的首要原理。它是以學(xué)習(xí)效果為導(dǎo)向、以學(xué)習(xí)效率為基礎(chǔ)的教學(xué)原理，主要包括激活舊知、示證新知、應(yīng)用新知和融會(huì)貫通四個(gè)步驟，促使學(xué)生在解決完整問題中學(xué)習(xí)，以提高教學(xué)效果。本文基于首要教學(xué)原理重點(diǎn)介紹“萬有引力定律”的波紋環(huán)狀教學(xué)設(shè)計(jì)模式（如圖1），包括以下幾個(gè)設(shè)計(jì)階段：（1）明確解決問題；（2）設(shè)計(jì)問題序列；（3）聚焦成分技能；（4）適配教學(xué)策略；（5）定型教學(xué)設(shè)計(jì)；（6）安排教學(xué)評價(jià)。［1］

“萬有引力定律”是經(jīng)典力學(xué)的一座豐碑，是落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的好素材。從行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律到萬有引力定律的建立過程，包括問題的提出、演繹、假設(shè)與推理，結(jié)論的得出，檢驗(yàn)論證等，是一個(gè)比較完整的探究過程。從培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)探究素養(yǎng)的角度，運(yùn)用首要教學(xué)原理，進(jìn)行波紋環(huán)狀教學(xué)設(shè)計(jì)，激勵(lì)學(xué)生根據(jù)已有的知識與經(jīng)歷，經(jīng)歷推理過程獲得知識并應(yīng)用知識。

一、教學(xué)內(nèi)容分析

（一）萬有引力定律在物理知識體系中所處的地位

“萬有引力定律”是人教版（2019年）高中物理必修二第七章“萬有引力與宇宙航行”中第二節(jié)的內(nèi)容，此章為高中物理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。萬有引力定律使學(xué)生的認(rèn)知由地面推廣到了宇宙，擴(kuò)大了學(xué)生的認(rèn)知領(lǐng)域。

本節(jié)安排在圓周運(yùn)動(dòng)內(nèi)容之后，一方面是對前幾章所學(xué)知識的復(fù)習(xí)鞏固，另一方面為后續(xù)學(xué)習(xí)宇宙航行打下基礎(chǔ)，也是人類開啟航天事業(yè)的關(guān)鍵，是承上啟下的重要一節(jié)。

（二）物理課程標(biāo)準(zhǔn)對本節(jié)課的要求

通過史實(shí)，了解萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程，知道萬有引力定律，認(rèn)識發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的重要意義，認(rèn)識科學(xué)定律對人類探索未知世界的作用［2］。

（三）教材內(nèi)容

由“太陽與行星間的引力大小和方向”問題引入，從歷史上科學(xué)家的艱辛探索之路出發(fā)，創(chuàng)設(shè)物理情境，構(gòu)建行星繞太陽做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的模型，引導(dǎo)學(xué)生自主推導(dǎo)行星與太陽間的引力遵循什么規(guī)律，再由問題串逐步推進(jìn)，大膽猜想，借助相關(guān)數(shù)據(jù)科學(xué)驗(yàn)證，大膽外推到萬事萬物之間，得出具有普遍性的規(guī)律。讓學(xué)生在推導(dǎo)過程中體驗(yàn)規(guī)律生成的過程，感受科學(xué)家勇于探索的精神。

在萬有引力定律之后，教材直接給出了引力常量的數(shù)值，緊接著在“拓展學(xué)習(xí)”部分給出《引力常量的測量》的閱讀材料，讓學(xué)生了解微小量的測量原理。

二、教學(xué)對象分析

（一）知識基礎(chǔ)

（1）從學(xué)生已有的知識結(jié)構(gòu)來看，應(yīng)該對力、質(zhì)量、速度、加速度、向心力、向心加速度等概念有較好的理解，掌握了自由落體、拋體和勻速圓周運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律［3］，理解了牛頓運(yùn)動(dòng)定律的內(nèi)容，具備運(yùn)用首要教學(xué)原理進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)的可行性。

（2）通過“行星的運(yùn)動(dòng)”一節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握了行星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，是能接受把行星的運(yùn)動(dòng)近似為圓周運(yùn)動(dòng)的。

（二）技能基礎(chǔ)

（1）學(xué)生通過對前幾章的學(xué)習(xí)，能夠運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律熟練解決動(dòng)力學(xué)問題。

（2）學(xué)生的抽象邏輯思維能力還處于初級發(fā)展階段，學(xué)生遷移運(yùn)用能力有限，需要教師適當(dāng)引導(dǎo)。

三、教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)首要教學(xué)原理及波紋環(huán)狀教學(xué)設(shè)計(jì)模式，在明確要解決的問題的基礎(chǔ)上，將要學(xué)習(xí)的知識劃分為兩種水平：一般信息和細(xì)節(jié)刻畫。其中一般信息是概略性的、包容性的，而細(xì)節(jié)刻畫則是限定的、具體的。本教學(xué)設(shè)計(jì)特制訂如表1所示的教學(xué)目標(biāo)，將教學(xué)目標(biāo)的一般抽象性信息描述具體化，且和素養(yǎng)目標(biāo)一一對應(yīng)，既目的明確，又具體可行。

四、教學(xué)重難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)：

1.太陽與行星間引力的大小及方向。

2.月—地檢驗(yàn)。

3.萬有引力定律的內(nèi)容及表達(dá)式。

教學(xué)難點(diǎn)：

1.萬有引力定律的推導(dǎo)過程。

2.對萬有引力定律的理解。

五、教學(xué)方法

講授法、討論法、合作探究法等。

六、適配教學(xué)策略

對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分類后，需要明確要解決的問題，再設(shè)計(jì)層層遞進(jìn)的問題引導(dǎo)學(xué)生解決問題，掌握問題中包含的隱藏技能，形成任務(wù)序列。進(jìn)行科學(xué)探究，讓學(xué)生經(jīng)歷完整的探究過程，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)、交流合作的能力，讓學(xué)生理解萬有引力定律的生成過程，掌握萬有引力定律及其簡單應(yīng)用，形成科學(xué)思維習(xí)慣，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力和解決實(shí)際問題的能力。

首要教學(xué)原理指導(dǎo)下的教學(xué)，如果放任學(xué)生“自由”學(xué)習(xí)，理解知識，會(huì)降低學(xué)習(xí)效率。為此，需要運(yùn)用同伴互動(dòng)教學(xué)策略，根據(jù)“異質(zhì)化”原則，搭配學(xué)困生和優(yōu)等生，一方面，優(yōu)等生幫助學(xué)困生提高學(xué)習(xí)成績，另一方面，學(xué)困生反幫優(yōu)等生鞏固知識、增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感。安排小組人數(shù)時(shí)，一般以每個(gè)小組6人為佳，人數(shù)過多易導(dǎo)致秩序混亂，無法形成統(tǒng)一意見，人數(shù)過少則無法保證討論效果。通過小組活動(dòng)構(gòu)建學(xué)習(xí)共同體，可以有效引導(dǎo)學(xué)生積極參與課堂活動(dòng)。

七、教學(xué)媒體

多媒體，視頻，動(dòng)畫，PPT課件，卡文迪許實(shí)驗(yàn)演示器。

八、教學(xué)設(shè)計(jì)思路

九、教學(xué)過程

（一）聚焦問題解決

［教師活動(dòng)］播放我國空間站繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的相關(guān)視頻，提出問題：空間站為什么能夠繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)而不會(huì)飛離地球？

［學(xué)生活動(dòng)］觀看視頻，了解我國航天技術(shù)的發(fā)展情況，思考教師提出的問題。

［設(shè)計(jì)意圖］激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任素養(yǎng)，增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感。

（二）激活舊知

［教師活動(dòng)］構(gòu)建行星繞太陽做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的模型，引導(dǎo)學(xué)生觀察。

提問：通過上節(jié)課的分析，我們已經(jīng)知道了行星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在中學(xué)階段可以按圓軌道處理，也知道了物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)與條件，那么：

（1）行星繞太陽做圓周運(yùn)動(dòng)卻不飛離太陽的原因是什么？

（2）如果把行星繞太陽的運(yùn)動(dòng)看作是勻速圓周運(yùn)動(dòng)，行星與太陽間的引力方向是怎么樣的？引力的大小與哪些因素有關(guān)？

（3）想要推導(dǎo)出太陽與行星間的引力規(guī)律，可以利用哪些已經(jīng)學(xué)過的知識？

［學(xué)生活動(dòng)］閱讀討論，回顧物理學(xué)史，了解不同物理學(xué)家關(guān)于行星受力的觀點(diǎn)，初步形成引力規(guī)律探究的有關(guān)思路。分組展示，通過開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律和牛頓第三定律得到太陽與行星間引力的影響因素。

［設(shè)計(jì)意圖］讓學(xué)生更好地體會(huì)牛頓的思維過程，同時(shí)將前后知識遷移，內(nèi)化為自己的科學(xué)探究能力。

（三）示證新知

［教師活動(dòng)］采用“分步走”教學(xué)策略，設(shè)置問題串：

（1）太陽與行星間的引力遵循什么規(guī)律？

（2）表達(dá)式中的[G]是比例系數(shù)，[F]表示太陽與行星之間的引力，由于太陽和行星之間存在引力所以行星不能飛離太陽。請大家繼續(xù)思考，是什么力使得月球環(huán)繞地球運(yùn)動(dòng)？假設(shè)地球?qū)υ虑虻淖饔昧εc太陽對行星的引力是同一種性質(zhì)的力，其表達(dá)式是怎樣的？

（3）月球在這個(gè)力作用下做什么運(yùn)動(dòng)？其向心加速度表達(dá)式是怎么樣的？

（4）假設(shè)地球?qū)Φ孛嫔系奶O果的作用力也是同一種性質(zhì)的力，其表達(dá)式是怎樣的？

（5）蘋果在這個(gè)力的作用下做什么運(yùn)動(dòng)？其加速度表達(dá)式是怎么樣的？

（6）創(chuàng)設(shè)情境：在牛頓那個(gè)時(shí)代，重力加速度[g]、月球與地球的球心間距[r]、月球的公轉(zhuǎn)周期[T]都能較精確地測定，已知[g=9.8 m/s2]，[r=3.8×108 m]，[T=27.3]天，月球軌道半徑[r]約為地球半徑[R]的60倍，那么[a月]與[a蘋]之比如何？

（7）既然太陽與行星之間、地球與月球之間、地球與蘋果之間的引力都遵循與物體的質(zhì)量乘積成正比，跟它們的距離的二次方成反比的規(guī)律，那么，我們可以更加大膽地猜想：是不是任意兩個(gè)物體之間都存在這樣的力？該如何證明我們的觀點(diǎn)？

（8）萬有引力定律是怎樣反映物體之間的相互作用規(guī)律的？

（9）萬有引力定律怎樣用數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述？請說明每個(gè)符號代表的物理意義。

（10）萬有引力定律公式的適用條件是什么？

（11）你認(rèn)為萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)對人們的生產(chǎn)生活、科學(xué)發(fā)展等有什么重要的意義？

（12）引力常量的測定有何實(shí)際意義？

［學(xué)生活動(dòng)］觀察蘋果落地，思考問題（1）（2）（3）（4）并回答；通過“思考與討論”中的數(shù)據(jù)，分組探究（5）（6）（7）（8）（9）（10）（11），經(jīng)過計(jì)算后展示；觀看視頻，了解卡文迪許實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)原理，回答問題（12），并體會(huì)實(shí)驗(yàn)的精妙。

［設(shè)計(jì)意圖］引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識在科學(xué)規(guī)律發(fā)現(xiàn)過程中大膽猜想與嚴(yán)格求證的重要性，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。讓學(xué)生了解物理學(xué)史，領(lǐng)略物理實(shí)驗(yàn)的魅力，明確物理實(shí)驗(yàn)對科學(xué)發(fā)展的重要作用。

（四）應(yīng)用新知

［教師活動(dòng)］引導(dǎo)學(xué)生解答問題：空間站為什么能夠繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)而不會(huì)飛離地球？

［學(xué)生活動(dòng)］分組討論并展示，列舉生活中萬有引力存在的證明。

［設(shè)計(jì)意圖］讓學(xué)生在解決問題的過程中獲得學(xué)習(xí)的成就感，在展示的過程中加深對所學(xué)知識的理解，提高學(xué)生的表達(dá)能力。

（五）融會(huì)貫通

［教師活動(dòng)］展示相關(guān)習(xí)題，引導(dǎo)學(xué)生分析：太陽質(zhì)量約為月球質(zhì)量的[2.7×107]倍，太陽與地球間的距離大約是月球與地球間距離的[3.9×102]倍，并比較太陽和月球?qū)Φ厍蛞Φ拇笮￡P(guān)系。

聯(lián)系生活實(shí)際：估算你和同桌間萬有引力的大小，分析：任意兩名同學(xué)間都存在萬有引力，但是卻沒有吸在一起，這是為什么？

［學(xué)生活動(dòng)］小組探究、解決問題。

［設(shè)計(jì)意圖］幫助學(xué)生鞏固知識，深化理解，建立物理與生活的聯(lián)系。

（六）課堂小結(jié)

組織引導(dǎo)學(xué)生從不同的角度對本節(jié)課進(jìn)行總結(jié)：問題類型以“課堂上可以學(xué)到哪些有價(jià)值的內(nèi)容？”“求解答案時(shí)，會(huì)問自己已知條件、結(jié)論嗎？”等思考性、引導(dǎo)性問題為主，幫助學(xué)生拓展思維廣度和深度［4］。為此，制訂如表3、表4所示的評價(jià)方式。

十、板書設(shè)計(jì)

十一、教學(xué)反思

教學(xué)時(shí)，教師基于首要教學(xué)原理，利用波紋環(huán)狀教學(xué)設(shè)計(jì)模式，明確要解決的問題：地球?yàn)槭裁喘h(huán)繞太陽運(yùn)動(dòng)？從而設(shè)計(jì)出問題序列，引導(dǎo)學(xué)生一步步深入探究運(yùn)動(dòng)模型的受力特點(diǎn)；聚焦勻速圓周運(yùn)動(dòng)向心力的來源、開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律、牛頓運(yùn)動(dòng)定律等；適配小組合作探究的教學(xué)策略。最終確定了本文的教學(xué)設(shè)計(jì)，合理安排教學(xué)評價(jià)，發(fā)揮學(xué)生的主體性，引導(dǎo)學(xué)生提出問題、自主探究。通過新舊知識遷移引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手推導(dǎo)，通過“月—地檢驗(yàn)”創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生在積極參與、樂于思考的學(xué)習(xí)情境中形成物理思維，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任素養(yǎng)。讓學(xué)生在教師的引導(dǎo)下解決認(rèn)知沖突，運(yùn)用已有知識，通過分析、推理得出萬有引力定律，理解萬有引力定律。經(jīng)歷科學(xué)探究過程，不僅鞏固了原有知識，更形成了物理思維，體會(huì)科學(xué)成果的來之不易。另外，物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，本節(jié)課通過卡文迪許演示視頻，讓學(xué)生看到了物理實(shí)驗(yàn)的魅力，體會(huì)物理實(shí)驗(yàn)在人類發(fā)展中的重要作用。回顧導(dǎo)入視頻，引導(dǎo)學(xué)生將物理知識與現(xiàn)實(shí)生活聯(lián)系起來，讓學(xué)生體會(huì)物理學(xué)科和我國科技發(fā)展的緊密聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)好物理、為國出力的愛國思想。

［ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻(xiàn) ? ］

［1］ ?梅里爾.首要教學(xué)原理［M］.盛群力，鐘麗佳，譯.福州：福建教育出版社，2016：251-252.

［2］ ?中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版2020年修訂［S］.北京：人民教育出版社，2020：15-16.

［3］ ?孔祥艷，李琳.基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的“萬有引力與宇宙航行”單元教學(xué)設(shè)計(jì)［J］.中學(xué)物理，2020，38（21）：12-16.

［4］ ?何立娟.首要教學(xué)原理視角下的高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐［D］.呼和浩特：內(nèi)蒙古師范大學(xué)，2019.

（責(zé)任編輯 易志毅）