深度學習視域下指向高階思維的學習活動設計
——以“多普勒效應”教學實踐為例

劉 芳 孫德峰

(1. 北京市教育學院豐臺分院,北京 100073; 2. 北京市第十二中學，北京 100071)

隨著新課程標準的一步步落地,新一輪的課程改革正在持續推進中．新一輪課程改革圍繞物理學科的核心素養(物理觀念、科學思維、科學探究及科學態度與責任)展開,與之相對應的高考改革也將在2020年正式啟動．教育部發布的《中國高考評價體系》中明確了課標的地位,并對高考提出了“一核四層四翼”的考查要求．綜合新課標和新高考,“學科教學應當引導學生在真實問題情境中進行深度學習”這一教學理念正在當下的課程改革中逐步成為一線教師和教學理論研究者的共識．

眾所周知,教學是教師的“教”和學生的“學”發生相互作用的過程．教學過程就是在學生原認知的基礎上通過一系列的“學習活動”使學生發生知識進階、重新建構自己認知結構的過程．安德森修訂的布魯姆教育目標分類把在學習知識的認知過程分成:記憶、理解、應用、分析、評價和創造6個方面;其中記憶、理解、應用被稱為低階思維,分析、綜合、評價被稱為高階思維．顯然指向高階思維的學習活動更能使學生發生較高認知水平層次上的心智活動,促進較高層次的認知能力,更能實現促進學生發生深度學習并提升學生核心素養的課程目標．本文將以多普勒效應為例淺談教學過程中指向高階思維的學習活動設計,希望通過這樣的設計給課改中的同行者“拋磚引玉”,讓深度學習在我們的物理教學中真實發生并生機勃勃．

1 多普勒效應的已有學習活動設計

多普勒效應是人教版普通高中教科書選必修第1冊第3章《機械波》第5節的內容．《普通高中物理課程標準》(2017版)要求通過實驗,認識多普勒效應;能解釋多普勒效應產生的原因,能列舉多普勒效應的應用實例．人教版教材中用如圖1所示的實驗裝置或者其他類似的實驗裝置(也可以播放音頻或者視頻)進行演示實驗,學生通過觀察實驗形成對多普勒效應的認識．利用圖2的模擬實驗解釋多普勒效應的產生原因,再對多普勒效應在生產生活中的實際應用做一些簡單的介紹,使學生體會學科知識的科學價值．

圖1 多普勒效應的觀察實驗

圖2 多普勒效應的模擬實驗

分析以上兩個學習活動,不難發現圖1中的學習活動中要求學生觀察實驗得出結論,屬于理解層次的思維過程．學生在進行觀察時首先感覺到的是聲音響度的變化,音調的變化被掩蓋在了音量的變化之中,單純靠耳朵辨別音調發生的變化顯然缺乏一定的科學性．圖2中的學習活動可以幫助學生更好地理解多普勒效應產生的原因,雖然有一定的分析活動,但整體來看依然屬于低階的思維過程．結合學生的知識基礎和能力基礎進行總體分析,我們不難發現以上的學習活動對學生來說缺乏挑戰,也缺乏真實的問題情境和豐富的實踐體驗.這樣的學習活動必然很難激發學生的學習興趣和學習動機,當然更談不上促使學生通過深度學習提升核心素養的課程目標．為此,我們在這節課中進行了如下的嘗試．

2 指向高階思維的學習活動設計

2.1 基于反饋的自學和診斷

綜合分析課標對本節課的內容要求以及學生的知識基礎和能力基礎,我們將教材中的多數內容安排為自學內容．為了準確了解學生的自學情況,精準找到學生對于多普勒效應的相關知識的認知中存在的障礙點,我們通過精心設計的問題檢測學生自學的效果及可能遇到的認知障礙．課前自學診斷題目如下.

① 你能用簡單的語言描述一下多普勒效應嗎?

② 在學習本節課內容之前,在日常生活中你是否注意過此類現象?你是否曾經想辦法弄清楚產生該現象的原理或本質?

③ 你能否簡要地說明產生多普勒效應的本質原因?

④ 你嘗試過利用實驗驗證多普勒效應嗎?如果有,請簡單描述一下你驗證的過程;如果沒有,那你能否現在設計一個實驗來驗證一下多普勒效應?

⑤ 通過課前自學多普勒效應及其相關內容后,你還對什么問題感興趣?或者說你還有什么疑問希望在課上得到解決?

對診斷的結果進行深入分析,我們發現:通過課前的自學,學生對多普勒效應有了初步了解,甚至有相當一部分學生能夠對多普勒效應的本質進行正確的說明．但診斷結果同時表明發現學生的“實踐”意識還有待提高,幾乎沒有學生在學習了一種新的物理現象之后能主動去驗證和研究;對于多普勒效應的本質學生雖然能給出定性的說明,但很難從定量的角度進行系統的論證．診斷結果不僅凸顯了課堂教學中指向高階思維的學習活動設計的必要性,也為發展學生的高階思維做好了鋪墊．

2.2 基于評價的科學實驗觀察

教材中的演示實驗提出的問題是:蜂鳴器在轉動的過程中,聲音有什么變化?正如前文中所說,這個實驗中聲音的響度和音調同時發生變化,如果僅僅讓學生通過耳朵進行區分,缺乏科學性和嚴謹性．另一方面觀察屬于理解層面的思維活動,指向的是學生的低階思維．如何將這樣的學習活動進行改進,設計指向學生高階思維的學習活動呢?我們做了如下的嘗試:一是針對教材中的演示實驗提出設計指向高階思維的問題:你觀察到的現象中哪些可以作為發生了多普勒效應的證據?如何讓證據更加具有可視性和說服力?二是引導學生對課本中的演示實驗提出改進建議．課堂教學中,我們在學生建議的基礎上利用手機等智能設備將多普勒效應中聲音頻率的變化從定性觀察轉化為定量觀察．以上的學習活動設計使得簡單的實驗觀察變為了評價性的學習活動.這樣的學習活動要求學生能夠尋找證據解釋結論,對證據進行評估;為了使證據更有說服力從而對實驗方案提出改進.顯然,這樣的學習活動設計引導學生通過分析、評價的過程中發展學生的高階思維,促進了深度學習的發生．

2.3 基于分析的現象定量描述

普通高中物理課程標準中對于多普勒效應這一節的教學要求中并沒有多普勒效應的定量理論解釋．考慮到筆者所教學生學習能力較強,同時為物理學習興趣和學習能力較強的學生拓寬通往科學研究領域的視野,我們在課堂教學中在學生能力的范圍內,增加了理論推導這一教學內容．課堂教學中將啟發學生利用所學知識,構建物理模型,嘗試從理論上探究觀察者聽到的聲音頻率與聲源發出頻率的關系．為了降低學生的理論推導難度,借助Flash動畫引導學生自主完成理論推導全過程．

如圖3所示,D為觀察者位置(假定不動),S為波源,發出周期為T(相應頻率為f)的機械波,在空氣中的傳播速度為v0,波源以vS向左做勻速直線運動．t=0時刻,S位于A位置,發出的波經t時間到達觀察者處(傳播距離為v0t);隨后經過時間T,S位于B位置,發出下一列波,在t時刻,波傳至如圖所示位置[傳播距離為v0(t-T)]．顯然,觀察者聽到相鄰兩列波的時間間隔T′滿足關系式，可解得

所以觀察者測得v0T′+v0(t-T)+vST=v0t的頻率滿足

學生自主完成觀察者靠近波源,波源不動時的定量推導,最后綜合可得波源和觀察者有相對運動時,觀察者接收到的頻率滿足

圖3 觀察者不動，波源靠近觀察者

這一過程的學習活動設計,不僅豐富了學生對多普勒效應的認知,滿足了學生關于多普勒效應定量描述的好奇心．更重要的是:在對物理現象從‘’定性”到“定量”的描述中,使學生完成了一個學習進階的過程．對多普勒效應的定量描述需要學生結合現象抽象出與現象有高度相關性的物理模型,圍繞模型選擇模型中適用的物理定律或者定理,通過嚴密的數學邏輯推理最后得到結論．在這一學習活動過程中,學生在分析和綜合方面的高階思維將得到進一步地發展和提升．

2.4 基于創新的定量驗證實驗

在完成了多普勒效應的定量描述后,一般的課堂教學中會引導學生利用定量描述的結果,對現象嘗試給出定性的解釋．這一過程不僅使學生驗證了定量描述的合理性,也使學生的思維過程實現了邏輯上完整的閉合鏈條．但一個定量描述是否正確僅從定性的角度來進行驗證,不免會使人感到缺乏足夠的說服力,也不是物理學的發展過程以及科學研究過程的真實呈現．物理是以實驗為基礎的學科．物理學研究中,一個理論是否正確,必須依靠實驗去檢驗,從定量的角度進行實驗的檢驗才能使科學理論的形成更嚴謹．我們在課前診斷環節設計了問題4:讓學生自主設計實驗,通過實驗驗證定量解釋的合理性．課堂教學中,圍繞某同學課前檢測中提出的實驗設計方案,設計了分組的學生活動:對該同學的方案進行評價和改進．通過小組的討論與面向全體同學的交流,形成了最終的定量驗證實驗方案．方案如下:

圖4 多普勒效應定量描述的驗證實驗

如圖4所示,將手機1用網兜裝好后系在半徑約為1 m的繩子上,用手甩動繩子使手機1在水平面內盡量做勻速圓周運動,測量手機1做圓周運動的半徑r．在手機1中利用“phyphox”軟件發出某一特定頻率的聲波,將手機2置與手機1同一水平面后在手機2中利用“phyphox”軟件,接收聲波信號并通過視頻記錄接收到聲波信號的實時頻率．利用視頻回放功能找出接收信號的最大和最小頻率,并讀出手機1做圓周運動的周期T．通過多普勒效應的理論推導公式求得手機1做圓周運動的線速度．同時通過圓周運動的周期、半徑、線速度的關系估算手機1做圓周運動的線速度．通過兩個速度的比較驗證理論解釋的合理性,同時對誤差產生的原因做出科學的解釋．

實際課堂教學中我們不僅完成了實驗方案的改進,還與學生一起完成了全部的實驗驗證過程．與學生一起進行實驗操作時課堂氛圍非常熱烈,學生利用圓周運動估算出手機1做圓周運動的線速度大小v=6.3 m/s,通過多普勒效應求得手機做圓周運動的線速度大小v=8 m/s．在發現兩個速度非常相近時學生們的臉上散發出了由衷的激動和喜悅．

科學理論的形成過程是科學推理和科學實驗不斷互證的過程．以上的學習活動設計引導學生圍繞定量的實驗驗證展開,活動的目標是讓學生在真實情境中發現問題,構建模型、設計實驗并進行評價和交流．這樣的學習活動不僅能促使學生發生深度的思考,更讓學生充分體會到科學實踐的重要性以及科學理論的嚴密性．

2.5 基于質疑和反思的學習評價

經歷了前面4個環節的學習活動后,學生的思維變得異常的活躍,課堂教學如果就此結束不免給人一種戛然而止的錯愕感．如何讓學生的思維繼續保持在較高的層級上,在前面已有的基礎上形成更高的突破呢?我們在課堂小結環節給學生提出了這樣的問題:問題1,實驗驗證的過程速度測量值和理論值之間的差異是如何產生的呢?問題2,對于多普勒效應定量描述的理論結果,你還有哪些疑問或者思考?

課堂教學實踐再次證明:給學生一個舞臺,學生會給你無數驚喜．結合上面的兩個問題,學生將多普勒效應的定量描述從一維的特殊情形討論并修正為二維的一般結論．更有學生提出了“超波速”運動形式、艏波(沖擊波)以及馬赫數等大學物理中的一些概念．

通過這樣的課堂小結,不僅提升學生深入的觀察和思考能力,更提升了學生質疑創新維度的核心素養,進而激發優秀學生深入學習物理的興趣,引導更多的學生進入物理專業的學習．

3 小結

華東師范大學的崔允漷教授曾經指出深度學習有四個關鍵點:一是高認知,高認知的起點就是理解;二是高投入,高投入就是學習過程中學生要全神貫注;三是真任務、真情境;四是反思．顯然指向深度學習的課堂教學應當讓學生明白自己的起點在哪里,明確自己要去哪里,通過指向高階思維的學習活動讓學生經歷從起點到終點的學習過程．指向高階思維的學習活動設計要在學生已有的知識基礎上圍繞真實情境展開,讓學生在真實的問題解決過程中經歷知識或者技能的應用,從而達到提高學生思維水平,提升學生整體素養的課程目標．