指向核心素養的高中物理單元設計之核心概念“加速度”

郭本剛

(江蘇省震澤中學,江蘇 蘇州 215200)

指向核心素養的高中物理單元設計之核心概念“加速度”

郭本剛

(江蘇省震澤中學,江蘇 蘇州 215200)

將高中物理中“加速度”部分內容有機、模塊化組合,按“ADDIE模型”的5個步驟設計,使其成為一個邏輯清晰、層次鮮明、具有整體性的教學單元,使概念的核心地位得以充分體現.

高中物理;單元設計;核心素養;核心概念;加速度

鐘啟泉教授在2015年6月12日《中國教育報》上發表“學會‘單元設計’”一文,指出:在應試教育背景下,……所謂的“成功經驗”,赤裸裸張揚的依然是碎片化“知識點”教學的惡習,癥結何在?可能有兩個因素在起作用,其一、沒有擺脫課時主義;其二、缺乏單元設計的基本功.……在基于核心素養的新一輪課程改革下,一線教師應研究課程的整體結構,積累單元設計的經驗,加速課堂轉型,為新時代期許的“學力”和“學習”而努力. 由此可見,基于核心素養的課堂轉型之關鍵在于單元設計及其有效實施.為此,筆者嘗試了以系統的學科知識為基礎,圍繞“加速度”主題展開探究活動的教學單元設計.整個設計強調脈絡化、情境化的學習,緊扣物理核心素養,在實驗探究中引導學生樹立應有的科學態度,更新物理觀念,提升科學思維水平.整個設計遵循“ADDIE模型”,即分析(Analysis)、設計(Design)、開發(Development)、實施(Implement)、評價(Evaluation)而展開.

1 “加速度”的教材邏輯及教學現狀(分析)

“加速度”概念是高中物理初遇的第一個重要概念,它是運動學的終極概念,是動力學的核心概念.學生在初中盡管對變速直線運動與力和運動的關系有過了解,但未深入到“加速度”層面.“加速度”在高中的學習主要涉及以下四方面:一是概念的引入和建立及數學化的定義;二是應用它研究勻變速直線運動的規律;三是加速度的決定因素,即牛頓第二定律的探究;四是應用加速度分析動力學問題.從各種版本教材的編排來看,都是先單刀直入地提出“如何比較速度變化的快慢”,然后拋出加速度的物理意義和定義,再應用它探究勻變速直線運動的規律,最后介紹最典型的理想化運動——自由落體,以及伽利略對它的研究.在學習“加速度”之前,則是著力于速度(包括瞬時速度)的定義,并介紹了測量速度的一些實驗手段以及描述其變化的方法.而加速度決定因素的研究,則放在相互作用(力)之后,與之前是割裂開來的.

當下的教材邏輯和教學現狀存在以下五方面問題:一是引入過于簡單.“加速度”不是很容易便能聯想到實際情境的,是一個高而深層次的概念,建構過程中會遇到很多障礙,包括概念建立的意義之領悟、定性到定量之轉變、抽象模糊到具體直觀之跨越等;二是內在邏輯混亂.從歷史上看加速度概念源于伽利略對自由落體運動的研究,但是教材先建立概念再實驗探究,概念建立則是先加速度再勻變速直線運動,顯得因果顛倒、循環論證;三是內容重點錯位.教材主要篇幅放在勻變速直線運動的規律上,伽利略的研究放在最后,其教學價值未能得到充分展現;四是核心地位不明.目前,其核心地位只體現在解題上,沒有從概念的建立過程上感悟其重要性,沒有圍繞它展開一系列的探究和思考;五是缺乏整體規劃.加速度決定因素的研究沒有緊跟其后,學生在初中對力已經有了比較深入的學習,“加速度與力、質量的關系”的研究基礎已經建立.

總而言之,“加速度”的教學需要教師基于物理學史的進程和物理學研究的內在邏輯加以全盤考慮和有效整合,在大量的情境經驗中有所感悟,讓學生在實驗探究中經歷緊張的腦力勞動,逐級抬高、逐步深入地建立起正確的思維認識,從而建構起具體直觀的概念.

2 “加速度”單元的內容及結構(設計)

為解決上述問題,筆者打破傳統的“課時主義”的束縛,調整教材的順序,開發出跨章節、具有層次感的“加速度”單元.本單元設計的學生基礎已經具備,可以圍繞該主題開展五方面教學: (1) 針對“伽利略對自由落體運動的研究”,教師設置問題引領學生自學并激發思考使其有所感、有所悟; (2) 在現代技術支持下,對自由落體運動進行再研究,檢驗伽利略當年之假設和觀念; (3) 探究小車的運動規律,最終確立起兩個概念(勻變速直線運動和加速度); (4) 改變實驗條件(或各組比較),進一步領悟加速度的物理意義,并定性認識加速度的決定因素; (5) 應用控制變量法,探究加速度與力、質量的關系.

這樣的單元設計,始終圍繞“加速度”這一核心概念,教學邏輯順暢而嚴密,突出學生的主體地位和自主建構.它強調目標的遞進性和內容的循環性,符合認知發展的規律與特點,實現由低階思維(知識、理解、應用)向高階思維(分析、綜合、評價)的逐步遞進和循環上升.

3 “加速度”單元的教學計劃和流程(開發)

“單元設計”的基本思路在技術性層面上的三重心是目標的設計、方法的設計和評價的設計,方法設計旨在回答“怎樣實現目標”,其關鍵是知識結構和教學方式的設計.從建構主義學習來看,教學方式應該側重于思考性、研究性學習的設計,使學生在情境、協同、支架、任務、展示、反思下自主生成.基于此,筆者設計了如圖1所示的“加速度” 單元教學結構及相應目標.

4 “加速度”單元的課時計劃(實施)

單元需要整體規劃,但是目標要逐步實現,物理核心素養的四個方面需要在各課時中逐個突出,所以課時計劃是課程實施的關鍵,同時,單元設計又是課時計劃的指引.為此,筆者基于學生的認知,整合教材資源,基于核心素養應用不同的教學策略,設計了本單元的四個課時.

4.1 課時1:伽利略對自由落體運動的研究

勻變速直線運動的概念是伽利略在探索自由落體運動規律的過程中確立的,而“加速度”概念是它的順延,教學也應符合這個邏輯,讓學生在實驗探究和科學推理中實現自主建構,具體流程如圖2所示.讓學生重演歷史,在數據的分析中認識到自由落體運動(天然的加速運動)的速度增加方式是簡單的,是隨時間(而非位移)均勻增加的,從而建立起現代意義的加速度概念及其定義.

圖1 單元教學結構及相應目標

圖2

4.2 課時2:用現代技術研究自由落體運動并測定當地重力加速度

在現代技術支持下,不妨考慮直接驗證伽利略的假設,因為有可以測量瞬時速度的儀器,如光電門、打點計時器等,具體流程如圖3所示.整堂課以學生活動為中心,提升學生的探究意識和研究能力,倡導合作式學習、反思性學習.在此過程中,教師的作用主要有三:活動的組織指導、思維的引領調控和結果的總結評價.

圖3

4.3 課時3: 探究小車的運動規律并定性分析加速度的決定因素

在“實驗:探究小車的運動規律”(如圖4所示)中,讓學生借助v-t圖像分析數據,體驗小車的運動規律與自由落體運動是類似的,并計算出加速度大小.讓學生改變條件再實驗從而縱向對比(或組際間橫向對比),指出相同和差異,進而認識到之前那樣定義的加速度是有意義的,它描述了小車的速度變化快慢(物理意義),將速度隨時間均勻變化定義為勻變速具有現實意義,因為這樣的運動模型是普遍的,同時引導學生自覺發現加速度與力、質量兩方面因素有關.這樣的課堂內容充實,教學邏輯清晰而嚴密,充分挖掘了該實驗的教學意義,是教師引領下的學生自主體驗和生成.

圖4 實驗： 探究小車的運動規律

4.4 課時4:探究加速度與力、質量的關系

在課時3基礎上,本課時展開“猜想、假設→方案設計→數據收集→數據分析→評價、交流→反思、改進→完善、總結”.猜想和假設一定要基于事實,這種事實最好是實驗,因為實驗是可控、可調、可測的,可以基于初步實驗作定量假設.所以,課時4與課時3是沒有明顯界線的,甚至半定量的研究可以放在課時3進行.為了更好地開展本課時研究,加速度大小可以借助DIS快速得出,因為學生已經基本建構起概念.

方案設計之始不必追求精致,可只著眼于控制變量法下的兩個假設及相應的數據分析方法.數據分析的手段要有設計,列表或作圖,要能直觀地得出結論,如:力一定時加速度與質量的關系怎么反映?應以質量的倒數作為自變量.面對實驗結果,如:圖像不過原點、無法擬合出直線等,務必實事求是.成功的教學不是“沒有問題”而是“產生問題”,教師要啟發學生提出問題,引導學生解決問題.所以,學生交流、師生對話、獨立反思是本課時的重要內容,正是在此過程中實現方案的改進和完善,使實驗向最理想的結果邁近.

實驗過程中,不妨引領學生思考這樣一些問題:倘若你所選的研究對象是小車,你是不是認為其所受合外力就是繩子拉力?那么,你怎么量度其大小呢?若以懸掛重物的重力作為合外力,其研究對象是誰?最后,學生還會存在很多疑惑,如:“為什么改變小車質量后不需要重新平衡摩擦力”,“為什么懸掛物質量遠小于小車即可認為拉力近似等于懸掛物重力”,等.教師應把它們搜集起來,激發學生興趣,使其成為學生今后進行理論探究的動力.

5 “加速度”單元的教后研討(反思)

有學者提出,反思性思考和行動是核心素養的核心.筆者認為,這話有一定的道理,反思性思考的意識和行動是一個人長遠發展所需的必備品格和關鍵能力之一,有時甚至至關重要.整個教學過程富含著教師引領下的學生反思,方案的改進、完善以及結論的升華正是基于學生的反思.筆者給學生布置的課后作業就是反思報告,要求學生在反思基礎上提出問題及初步解決方案或設想,要有猜想及假設、推理及依據、事實及分析、歸納及結論等等.教師匯總學生的這些反思性問題,將其與實驗報告一同作為評價學生的重要材料.同時,以學生的反思促教師的反思與成長,使教后研討更有針對性和實效性.

6 結語

縱觀整個設計,物理核心素養四個方面均有所體現,這種體現不是刻意為之,是邏輯必然,是過程使然.在物理觀念方面,涉及運動觀以及力和運動的關系之觀念,使學生初步建立這樣的觀念:“概念、結論要與可觀察的事實相符合,而且要用簡明的數學語言來表達它的結果”.在科學思維方面,領略了伽利略研究問題的方法,包括模型的建構、科學的數學邏輯推理、批判質疑和創新等,體會“為什么伽利略是近代科學之父,他的開創性工作有哪些?”在實驗探究方面,讓學生充分體驗所應具有的一切要素(問題、證據、解釋、交流等),使學生的能力得以提升,通過對話使課堂成為播撒思考的種子、展開交流的場所.在科學態度方面,堅持“面對結果務必實事求是,面對問題要迎難而上”,這是科學研究者所應具有的基本品格,不能將原因總歸結為“在實驗誤差允許的范圍內,……”,甚至無視某些情況是多次、多組反復出現的.

整個設計堅持物理教學的兩個重要原則“以實驗為基礎,以思維為中心”,通過合理的教學邏輯,使知識的學科邏輯順利轉化為學生的認知邏輯.核心素養指引下的單元設計,著眼于學生長遠發展所需之必備品格和關鍵能力,成為課堂轉型的有力推手,使課堂成為提升學生核心素養的場所和舞臺.在實施中,教師還要關注學生以下5個方面:學習的態度與感受、知識的習得與整合、知識的拓展與凝練、知識的有意義使用以及心智習慣(包括批判性思維、創造性思維和自我調整思維),不僅要關注容易測量的行為目標,也要重視不易測量的表現性目標,如情感態度、學習策略等.

1 鐘啟泉.基于核心素養的課程發展:挑戰與課題[J].全球教育展望,2016(1):3-25.

2 陳彩虹,趙琴,汪茂華,汪曉慧,吁思敏,向榮.基于核心素養的單元教學設計——全國第十屆有效教學理論與實踐研討會綜述[J].全球教育展望,2016(1):121-128.

3 白晶.勻加速直線運動模型的歷史意義和教育價值——從伽利略對自由落體運動的研究談起[J].物理教師,2016(5):21-23.

4 王榮飛.滲透物理方法教育的“電磁感應現象的兩類問題”教學設計[J].物理教師,2016(6):27-30.

5 王云生.課堂轉型與學科核心素養培養[M].上海:上海教育出版社,2016:69-86.

6 何圣靜.物理定律的形成與發展[M].北京:測繪出版社,1988:29-35.

本文系蘇州市教育學會“十三·五”科研課題“基于提升學生核心素養的初高中物理教學銜接的實踐與研究”階段成果之一.

2016-11-18)