“逆向設計+協作學習”幫助學生突破思維障礙
——以“探究加速度與力、質量的關系”為例

馬秀英

(浙江省平湖中學 浙江 嘉興 314200)

1 引言

牛頓第二定律采用的是探究式的學習方法，即通過控制變量法的實驗總結出物體的加速度與作用在物體上的合力成正比，與質量成反比，從而歸納出牛頓第二定律.但在實際教學中卻面臨這樣的困窘：既要讓學生了解實驗的原理并學會自己設計方案、處理數據，又受到課堂時間的限制.于是大多數教師的處理方法往往先理論教一教，再實驗做一做，一節課實驗常還處理不完，最后不了了之.在許多的課例和文章中、在聽課或日常教學設計中看到較多的也是先理論灌輸講授原理，再按部就班做一做實驗，大多是直截了當地提出了合外力的獲取和平衡摩擦的思想，諸如以下的引導提問： “合外力怎么獲取？平衡摩擦力的方法是什么？”又如“小車除了受到繩子拉力外，還受到其他什么力？如何能抵消摩擦阻力的影響或者說平衡阻力？如何判斷是否已經平衡阻力？”這樣真的能解決問題嗎？

在高三復習中發現，對于不同的實驗方案，學生解題時憑經驗而缺少分析的過程，特別是遇到具有一定創新性的實驗方案時，總是很難準確把握是否需要平衡摩擦力，是否需要滿足重物質量m遠小于小車質量M.究其原因，并沒有真正理解并學會解決本實驗的兩大難點問題，即小車受到的拉力與合力的關系，拉力與懸掛重物重力的關系.筆者正好連續兩年任教高三，對本實驗教學的困窘深有感觸，對如何提升學生的思維品質不斷思考.因此筆者在參加的滬上名師方夢非老師名師工作室與教研組聯合教研的活動中，嘗試利用DIS實驗系統為課堂爭取時間，但DIS系統軌道的摩擦力很小，不需要平衡摩擦力，而浙江近幾年選考中，如2017年11月及2020年7月的17題均考查了該實驗的平衡摩擦力這個點，而在其他幾次選考試題中也有某一選項涉及，或者是在 “探究功和速度變化的關系”時也涉及到是否平衡摩擦力，是否需要懸掛物的重力遠小于小車的重力的問題.說明這是考查的重點！《中國高考評價體系》中闡明高考必須堅持引導教學.將“引導教學”納入核心功能，有利于理順教考關系，增強“以考促學”的主動意識，達到“以考促教、以考促學”的目的，促進立德樹人根本任務的落實，共同形成更高水平的全面培養體系[1].因此在設計時采用鋪布軌道與DIS原軌道進行對照實驗擴大摩擦力的影響，以問題鏈引導學生自主思考得到平衡摩擦力的方法，突破思維障礙，提升思維能力，落實核心素養.

2 理論依據

許多教師從輸入端開始思考教學，即從教材、喜歡的方法，以及傳統的活動開始思考教學，而不是從輸出端開始思考教學.關注自己的“教”，而不是學生的“學”.花大量時間思考自己要做什么，使用哪些材料，要求學生做什么，而不是首先思考為了達到學習目標，學生需要什么[2].

逆向設計以目標為導向，以具體的結果為目標，然后根據這些結果相應地進行逆向設計.“以終為始”，從學習結果開始的逆向思考.只有明確知道預期結果，才能專注于最有可能實現這些結果的內容、方法和活動.逆向設計分3階段進行，確定預期結果，確定合適的評估證據，設計學習體驗和教學.以活動為導向的設計和灌輸式教學設計這兩大誤區的弊端在于沒有通過逆向設計方法徹底想清楚教學目的.

3 教學設計

為什么要用合外力？為什么細線要與長木板平行？為什么要平衡摩擦力？筆者認為，學生是在學習了牛頓第二定律后更清晰地了解公式中的F指合外力.而在之前的探究加速度、力與質量的關系實驗中學生被直接告知F指合外力是很突兀的，學生僅知其然而不知其所以然.這種強加于學生的“直接告知”跟學生的認知規律不符，造成學生在方法認識上沒有主動性，屬于元認知困難,因此教學設計要注重教學邏輯.

DIS系統可快速多次實驗、數據共享、開展協作學習等優點為課堂爭取了時間，鋪布軌道與原軌道實驗的對比，通過“逆向設計+協作學習”，在問題鏈引導下解決實驗時間的困窘而不削減學生的思維探究過程，從而在教學中提升學生的科學思維，落實核心素養.

3.1 “逆向設計+對比實驗”

展現直觀圖像，分析a-F圖像，學生自主探究確認F為合力，為平衡摩擦力打下基礎.以問題鏈方式引導學生深入思考并自主得到平衡摩擦力的方法.

教學片段一：

【學生活動】設計表格填寫小車在不同力作用下產生的加速度.

學生設計得非常漂亮,如圖1所示.

圖1 學生設計的表格

已知：固定有傳感器發射端的小車質量、DIS中用于改變小車質量的小質量塊的質量、空桶質量、用于改變懸掛重物質量的小螺母的質量.

學生共40人，4人一組，分10組.利用如圖2所示的原裝軌道(a)與鋪布軌道(b)對比實驗.

(a)原裝軌道

(b)鋪布軌道圖2 實驗對比

4組用原裝軌道與位移傳感器做M(小車與小質量塊的總質量)一定，a與F(細線的拉力)的關系實驗.

3組用鋪布軌道結合位移傳感器做M一定，a與F的關系實驗.

3組用原裝軌道與位移傳感器做F一定，a與M的關系實驗.

(10組實驗同時進行，各完成5組數據，注意細線平行軌道、桶與小螺母的總質量m遠小于小車與小質量塊的總質量M)

思考1:如何處理這些數據，能更直觀地看出a與F，M的關系？

學生：圖像法.

【學生活動】數據采集后作出a-F圖像、a-M圖像.

思考2:用原軌道作出的a-F關系圖像是怎樣的？

生：圖3為原軌道對應圖像，由此看出直線幾乎過原點.

圖3 原軌道對應的圖像

師：在誤差允許范圍內，我們認為圖3中的圖線過原點，得到a與F成正比關系.

思考3:圖4為鋪布軌道對應的圖像，比較原軌道與鋪布軌道的圖像有何不同.鋪布軌道與原軌道對比不同在哪里？討論上述現象的原因并交流.

生：圖4中的圖線與F軸的交點在F軸的正半軸，且離原點較遠.原軌道與鋪布軌道的不同在于，鋪布軌道更顯粗糙.

圖4 鋪布軌道對應的圖像

思考4：由圖4可以看出當拉力F由零增大到某值的過程中時，a為零，那么產生加速度的是拉力F嗎？

生：不是.

思考5:不是拉力F是什么力？

生：合力！

思考6:我們又不知道摩擦力f，又該如何得到合力？我們能否想辦法仍然讓F成為合力？如果F是合力，那么其他幾個力什么關系？

生：其他幾個力平衡！

思考7：實驗過程中怎樣操作就可以讓其他3個力平衡呢？

【學生活動】思考平衡摩擦力的方法，進行交流.

思考8:如何處理a與M的關系？

圖5 a-M圖像

設計意圖:《追求理解的教學設計》一書中提到“理解永遠不能通過灌輸實現”.逆向設計鋪布軌道是為擴大摩擦力對于本實驗的影響，通過對照兩組數據，對比分析原軌道與鋪布軌道的a-F圖像，確認F為合力，通過對照組讓學生討論，自主分析得出平衡摩擦力方法而不強加于學生，發展學生的科學思維.

3.2 逆向設計+演示實驗

通過實驗事實獲得具體而豐滿的感性認識，使重物的重力與細繩拉力的關系不含糊！

教學片段二：

思考9：如何得知細繩的拉力？裝置中最直接得到的是什么力？

生：懸掛重物的重力.

思考10:當重物靜止或勻速運動時，細繩的拉力與重物的重力間是什么關系？

生：兩者相等.

思考11:當重物拉動小車使之勻加速運動時，細繩拉力是否仍然等于懸掛物的重力？

學生們陷入了沉思.

下面給大家測一測繩子的拉力.

【演示實驗】如圖6所示，用無線力傳感器測定繩子拉力與懸掛物體重力間的關系.

圖6 “牛頓第二定律”實驗測拉力

請一學生幫忙操作器材，教師在DIS系統中操作獲取數據.

步驟一：請學生按住小車，使重物及小車靜止，通過力傳感器得知細繩拉力與重力相等.

步驟二：再釋放小車，使重物下落，小車沿軌道前進.用F-t圖像顯示細繩拉力隨時間的關系.(可適當縮放縱坐標，使圖像顯示更明顯)

逐次增加所掛重物的重力，重復步驟二.

實驗發現：當m遠小于M時，拉力近似等于mg，否則差距較大.因此，利用上述學生實驗裝置進行實驗，在改變拉力時要注意滿足m遠小于M.

設計意圖:在本實驗中，由于還未得到加速度a與質量的關系，因此無法從理論上推理證明，但可以從實驗測量的數據上比較出兩者的關系，用事實數據證明，簡明清晰.學生的定向思維很牢固，前期學習了力的平衡后總會有學生有拉力與重力相等這樣錯誤的前概念，這就要提高學生的物理思維，形成正確的物理觀念.任何定律、規律或結論脫離條件就不適用.

3.3 協作學習+課堂延伸

通過受力分析，結合分組實驗得出的牛頓第二定律，安排作業分析推理“為什么m必須遠小于M”，得到結論與演示實驗相符.

教學片段三:

在分組對比實驗中，采用了生生協作的方式.組與組間的協作，實驗數據共享，既省時間又不代替學生思考，每一個分組都是實驗不可或缺的組成部分.

演示實驗則體現了師生間的協作.

在作業布置中，設置如下習題：

請大家嘗試推導，在實驗中為什么當懸掛物質量m遠小于小車質量M時，繩子拉力F約等于重物的重力mg.

設計意圖:通過逆向設計評估學生的學習情況.檢驗學生對于課堂學習的靈活運用能力，理論推理驗證之前的演示實驗結果.將課堂延伸至課下，提高學生科學思維的深度，厘清前后的邏輯關系.不僅讓學生知道然，更要清楚其所以然，這樣的安排也更符合學生的認知規律，從而更好地落實核心素養.

3.4 DIS軟件+極域課堂+同屏技術

DIS軟件、極域課堂、同屏技術相結合,省時而不削減學生的思維過程.

在學生進行表格設計和分組對比實驗時，都可以同屏，利用極域課堂進行數據的共享，方便協作學習，以及聽課教師近距離地感受學生實驗的真實過程，如圖7所示.

圖7 學生實驗場景

4 結束語

教學是根據學習的需要來開展的，采用逆向設計，是要清楚學生應該知道什么，能夠做什么，什么內容值得理解，什么是期望的持久理解.決定教什么和如何教之前必須思考如何開展評估，然后集中精力關注更重要的內容設計具體學習體驗和教學，以此展示學生的理解.因此，在高一高二備課組活動或在解決這種重要又難度較大的課題時，可以與高三教師聯合，或采用工作室與教研組聯合的方式，從高三教學目的出發更能切中學生思維障礙的要害，突破教學的難點.協作學習節約課堂時間的同時，讓學生體會到合作的重要性，一起提高實驗探究能力，發展科學思維，落實核心素養.