“牛頓運動定律”單元教學的逆向設計探討

(安徽師范大學物理電子與信息學院,安徽 蕪湖 241002)

1 研究背景

隨著新一輪課程改革的實施,基于課程標準的學科教學研究正在不斷深入。基于課程標準的教學實質是“教學目標源于課程標準、評估設計先于課程設計、指向學生學習結果的質量”。[1]2018年教育部正式頒布《普通高中物理課程標準(2017年版)》,預示著高中物理教學改革進入一個新階段,同時也提出了眾多問題,其中較為突出的是物理學科核心素養目標的落實，逆向設計為此提供了可行途徑。

2 逆向設計簡介

逆向設計是由美國的維金斯和麥克泰格提出,強調“以終為始”,從學習結果開始逆向思考。逆向設計更多聚焦于核心概念與基本問題等高聚合因素，針對一個單元進行設計,可以作為課標與課時教學設計之間的一個紐帶,將兩者更好地連接起來，逆向教學設計的邏輯如表1所示。

表1

3 “牛頓運動定律”單元教學的逆向設計

逆向設計的目的是促進學生對知識的深度理解,避免他們重走死記硬背之路。筆者依據逆向設計的理論,對普通高中物理必修一第四章“牛頓運動定律”進行教學設計。

3.1 確定預期結果

在逆向設計的第一個階段,教師需要確定哪些知識和技能是要讓學生掌握的以及需要達到的程度。要明確兩個目標:(1) 學生需要真正理解的是什么？即理解事項;(2) 學生需要知道和會做的是什么？即知識和技能。

理解事項并不是簡單地將學生需要理解的知識點一一羅列出來,而是要呈現出本章的核心概念,也就是大概念。學生可以自己通過這些大概念去發掘其他的所有零碎的知識點,這樣不僅可以擯棄傳統的“灌輸式”教學,而且還能培養學生的核心素養，“牛頓運動定律”這章大概念的提煉過程如圖1所示。

圖1

理解事項1:慣性是物體具有保持原來的勻速直線運動或靜止狀態的性質。

大千世界,物體運動雖各種各樣,但這都取決于不同物體在不同受力情況下的運動。如果回到起點,物體不受任何力的作用,那么物體將保持勻速直線運動或靜止狀態,這也就是牛頓第一定律所要闡述的內容。

理解事項2:力是改變物體運動狀態的原因。

物體原始的運動狀態是勻速直線運動或靜止狀態,外力是改變此狀態的原因。牛頓第二定律闡述的是加速度與力以及質量之間關系,實質上是力與運動狀態之間的關系。

理解事項3:實驗和邏輯推理相結合，是重要的科學研究方法。

在物理學的發展過程中,實驗一直起著非常重要的作用,它是促進科學發展必不可少的手段。嚴謹的推理也是物理學發展過程中必不可少的環節,將實驗與科學推理結合起來,不僅培養了學生的實驗能力，還訓練了他們的思維。

理解事項4:國際單位制不僅能檢驗物理量之間的關系,更能凸顯物理量的意義。

新的物理量是通過其他物理量導出的,物理量之間的聯系也關乎物理單位之間的聯系,檢驗物理量之間的關系，不僅可以通過物理知識來判斷,還可以從單位入手。同時,單位也是物理區別于數學的重要方面,物理數據不僅僅是數字,更重要的是有其物理意義。

3.2 確定合適的評估證據

在逆向設計的第二個階段,教師要關注：學生的學習效果如何?有沒有達到預期的目標?需要用具體的證據來說明目標達成的效果。

3.2.1 表現性任務

究竟何為理解?不同的研究者對其解釋各不相同,維金斯和麥克泰格認為理解是多維的、復雜的,有不同的類型、不同的方法,同時和其他知識目標也有概念上的重疊，他們提出從理解的六個層面進行展示。[2]逆向設計本身就是追求理解的教學設計,所以尋求證據來證明預期結果實現的時候,就需要從理解的六個層面出發,找出所需的充足證據，理解的六個層面的解釋以及本單元中所需的證據如表2。

表2

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

任務2:為某一商場設計電梯。這就要考慮電梯的容納空間和限載人數，達到設計的最優化,最重要的是要認真考慮安全問題,最多能承載的重量一定要計算好,否則后果不堪設想。

3.2.2 其他證據

僅用表現性任務來檢驗學生的理解還不夠,需要提供量化證據來進一步檢驗，可以采用“課堂測驗”“課后作業”“章末測驗”等手段。

3.3 設計學習體驗和教學

預期目標和評估證據都已經準備好了,如何達成這些目標？如何讓評估證據發揮作用?這就需要教師精心設計教學過程,不僅要選擇好教學內容,還要選擇合適的材料和資源,運用合適的教學方式，呈現豐富多彩的課堂教學。根據WHERETO要素，筆者列出了如表3所示的本章教學活動設計要點。

表3

提問是每個教師在課堂上必然會經歷的環節，問題一定要問在點上，對學生有所啟發，能夠促進學生進一步思考，挖掘更深入的問題，這才是好的問題，是逆向設計中提出的基本問題，本章的基本問題如下。

基本問題1:力是維持物體運動狀態的原因嗎?

該問題將引導學生從力與運動狀態之間的關系入手,理解牛頓第一定律的內涵。從本質上理解力與運動以及運動狀態之間的關系,力并不是維持物體運動的原因。

教學活動1:組成兩組辯論隊伍,以“物體的運動需要力的維持嗎”為辯題進行辯論。

教學活動2:在學生已經了解物理史實的基礎上,讓學生分組、選擇實驗器材，模擬伽利略的理想實驗,對自己的實驗進行講解，大家一起交流、討論、反思。

設計意圖：引導學生在辯論過程中發現問題,找到原因。讓學生重做理想實驗,是想讓學生親自體驗力并不是維持物體運動的原因,轉變學生在日常生活中建構的前概念。

基本問題2:力與物體運動狀態的改變有怎樣的關系?

該問題驅使學生深入理解力與物體運動狀態的改變之間的關系。

教學活動1:讓學生猜想加速度與力、質量之間可能存在的關系,并設計驗證該猜想的實驗方案，包括講述實驗過程中可能出現的問題以及解決的方法。

教學活動2:向學生展示2007年英國科學家霍金在大西洋上空的一架飛機中體驗的一種現象以及中國宇航員翟志剛在“神七”飛船的出艙活動。

設計意圖：牛頓第二定律所闡述的本質就是力與物體運動狀態的改變之間的定量關系,是力學中重要的規律之一。讓學生自己設計實驗探索加速度與力、質量之間的關系,是讓學生理解力與運動狀態改變之間關系的橋梁，同時借助實驗加深學生的理解。

基本問題3:在牛頓運動定律的形成過程中,實驗和邏輯推理是如何結合的?它們的結合又是如何促進科學研究方法發展的?

該問題將幫助學生深刻地理解物理知識的建構途徑和科學研究方法的發展過程。

教學活動1:制作實驗裝置,裝置中用光滑的鋼絲替代光滑的斜面,穿過鋼絲的金屬小球替代斜面上運動的物體。裝置中設置3個不同傾角的軌道,比較小球運動的時間。

教學活動2:讓學生給商場設計電梯,并給出相應的說明書(要考慮空間與承載的問題)。

設計意圖：這是對學生遷移能力的考查,學習不僅僅為了一紙證書,更重要的是學生可以運用這些知識解決問題,并進行再創造,將學到的知識進一步深化才是學習的真諦。

基本問題4:單位制在物理學中有什么意義?

該問題將會讓學生對單位制有深入的了解,能夠認識到單位制在物理學中的重要性。單位制的出現將一串數字符號賦予特定的物理意義,使得各個物理量之間的聯系更加緊密。

4 小結

逆向設計是一種針對單元進行的教學設計,不僅可以使教學時間安排得更合理,最重要的是該教學設計更能體現學生的學。學生對知識的理解是建立在自己探索的基礎上,克服傳統教學中死記硬背、不懂變通的弊端，逆向設計是培養學生核心素養的有效途徑。