通過逆向設計提高混合式教學有效性的實踐探索*——以“萬有引力理論的成就”教學為例

張江寧

(江蘇省錫山高級中學 江蘇 無錫 214174)

盡管線上與線下相結合的混合式教學的有效性已經被實踐所證實，但是在普通高中并沒有得到廣泛的應用，其根本原因不僅是混合式教學環境的建設要求較高，更主要的是大多數教師對混合式教學的有效性仍然持懷疑態度．因此，要進一步推動混合式教學改革，就要通過有效的措施與成熟的方法讓混合式教學取得更為顯著的效果，從而讓廣大教師徹底消除顧慮，切實轉變觀念，積極推動教學方式的變革．值得欣慰的是，筆者所在學校經過多年的實踐探索，證明了混合式教學能夠有效地促進教學質量的提高，并在全校實現了常態化混合式教學．特別是物理教研組在“普通高中混合式學習常態化的實踐研究”和“指向物理核心素養的逆向教學設計的優化策略研究”兩項省級“十三五”規劃課題的研究中，將逆向設計的理念應用到混合式教學設計中，有效推進了混合式教學改革，促進了信息技術與學科教學的深度融合.

文獻[1]將逆向教學設計分為3個階段：先確定預期教學目標，再根據該目標思考如何收集達成預期目標的“證據”，最后圍繞目標安排學習和教學活動．逆向教學設計強調了評價先于教學，突出了學習證據采集、分析與應用，使教學更有針對性，更能夠促進學習目標的達成，從而提高教學的有效性．而混合式教學由于采用線上與線下相結合的方式，學習證據采集與學習的及時評價正是線上學習的優勢，如何將逆向教學設計的理念應用到混合式教學中具有十分重要的實踐價值．下面以人教版高中物理“萬有引力理論的成就”為例，談談混合式教學逆向設計的3個階段，期望能夠為一線教師推動混合式教學改革提供可以借鑒的經驗.

1 明確學習目標

逆向設計理念下的教學目標既是教學的起點，也是教學的終點，教學目標設計不僅要以《課程標準》與物理教材的內容要求、活動建議和教學提示等為依據，還要符合所教班級學生的學習現狀，才能有效提高目標達成度.

“萬有引力理論的成就”這節課的內容豐富而精彩，學生通過本節內容的學習，科學探究的意識與能力會得到進一步提升，運動與相互作用觀念會得到顯著加強．無論是“稱量地球質量”，還是太陽質量的計算，都非常適合讓學生通過小組合作的形式進行理論探究，有利于培養學生合作探究的意識與邏輯推理能力．教材中關于海王星的發現并不是直接陳述，而是通過對測量數據和萬有引力定律的質疑拋出問題、引發思考，突顯了測量數據在科學探究中的重要性，有利于培養學生的實證意識．教材中還增加了潮汐現象的內容，盡管篇幅不大，但進一步體現了萬有引力定律發現的重大意義，強化了相互作用觀念.

筆者所教班級的學生進入高中以來，主要以混合式學習方式進行物理課程的學習，可以通過教學平臺對學生的學習情況進行較為客觀的分析，教師在課堂上也有更多的機會對學生學習進行仔細觀察，從而設計出更有針對性的教學目標.

基于以上思考與教學實際，本節課的教學目標設計為：

(1)會用萬有引力定律分析地球與物體間的相互作用力，理解萬有引力與重力的關系，形成“稱量地球質量”的基本思路.

(2)應用行星運動模型推導計算“中心天體”質量與密度的表達式，體驗應用物理模型解決實際問題的方法.

(3)理解觀測數據的重要性，體驗從數據中發現問題、解決問題的方法，養成嚴謹認真、尊重事實的科學態度.

(4)認識萬有引力定律的科學成就，理解萬有引力定律發現的重要意義，體會科學的迷人魅力，提升運動與相互作用觀念.

2 確定學習證據采集方式

關于學習證據的采集與信息的反饋，必須做到及時、準確、有效．及時，不僅指數據要實時采集，還要及時對數據進行分析并反饋給學生和教師，及時作出學習的過程評價，數據采集的過程不能影響學生的學習，使學生的學習過程更為流暢；準確，指準確采集學習證據，正確分析數據，有針對性地反饋信息，促進后續學習的順利進行；有效，是指反饋信息的指向性要明確，評價要富有激勵性，要在有效促進學科素養發展的基礎上，進一步激發學生學習的熱情，使學生保持持續學習的意愿.

由于筆者所在學校自主開發的混合式學習平臺基本覆蓋了高中階段的不同學習場景，學習證據采集的方式較多，所以，更要進行認真設計，以免方式不當影響教學效果．由于本節課以自主學習與理論探究為主，筆者選用了該平臺的自適應學習模塊進行數據采集并組織教學.

在自適應學習模塊的支持下，課堂上每個學生都能夠按照自己的節奏進行學習，教師又能夠從講授中解放出來，參與學生的討論，幫助學生解決學習中的個性化問題，教學的針對性更強，學生學習效率明顯提高．我們把這種模式稱為“雙線課堂”，同一個教師有兩重身份，即線上的虛擬身份與線下的真實身份，學生也可以選擇線上與線下的不同方式進行學習.

課堂上，學生可根據平臺反饋的信息對自己的學習作出準確的評價，從而選擇適合自己的學習方式．平臺將不同形式(如文本、圖片、表格、動畫、微課、視頻、課堂檢測等)的學習內容融合在一起，可按任意順序編排，不需要在不同的界面間進行切換，所以，學習過程相當流暢，學習效率明顯提高.

3 設計學習活動

本節課根據預設的教學目標，設計了5項活動．學生在紙質導學案和平臺反饋信息的引導下，通過自主學習與合作探究的方式完成各項學習任務．我們要求能夠在線下完成的任務盡量在線下完成，線下完成不了或線上效果明顯更好的才在線上完成．比如，通過文本、圖片等靜態資源學習的過程必須在線下完成，通過微課、視頻等動態資源的學習過程只能在線上完成，學生可選擇倍速播放微課以提高學習效率，也可回放以促進理解．再如，學生應先在紙質導學案上完成課堂檢測，再將結果上傳到平臺(輸入客觀題答案或將主觀題解答過程拍照上傳)．小組討論則要求線下進行，畢竟面對面的交流更加靈活方便．這樣，一方面可以避免學生長時間盯著平板電腦的屏幕，以保護學生的視力；另一方面也使學習方式多樣化，以提高學習效果.

【活動一】“稱量”地球的質量

討論1：如果不考慮地球的自轉，你認為地面上的物體受到地球對它的萬有引力與重力是什么關系？牛頓發現萬有引力定律后，他算出了地球的質量嗎？為什么？

討論2：卡文迪什測出了引力常量G=6．67×10-11N·m2/kg2后，稱自己的實驗是“稱量”地球的質量，怎么稱量？需要測量哪些物理量？

在閱讀教材中“稱量”地球質量部分的內容與小組討論的基礎上完成檢測1.

【檢測1】在某行星表面高h處讓一小球自由下落，經過t落地，已知行星半徑為R，引力常量為G，則( )

學生在完成檢測1并提交后，立即獲得反饋信息，并可根據自己的情況選看提示、解析或微課．筆者在微課中引導學生對問題情境進行了拓展，將自由落體改為豎直上拋和平拋運動，讓學生認識到，測量行星質量的關鍵是要測出行星表面的重力加速度，讓運動與相互作用觀念在學生的頭腦中進一步深化.

【活動二】計算中心天體的質量和密度

討論3：能否通過測出太陽的表面重力加速度，從而算出太陽的質量？如果能，請設計方案；如果不能，那如何測量？(要求先小組討論，再參看微課1)

微課1：首先啟發學生，太陽表面溫度大約是5 500 ℃，太陽的質量為地球的33萬倍，你認為能直接到太陽表面去測太陽的表面重力加速度嗎？再引導學生思考，要根據萬有引力定律計算太陽的質量，需要測量哪些量？

學生在微課的啟發下，不難推導出計算太陽質量的表達式．接著，要求學生完成檢測2.

A．20倍 B．16倍 C．14倍 D．1倍

學生完成檢測2后，可以選看提示、解析或微課，筆者在微課中引導學生得到行星軌道半徑的3次方與公轉周期的2次方比值只與中心天體的質量成正比關系．從而讓學生認識到通過萬有引力提供做向心力的方法只能計算中心天體的質量，不可計算環繞天體的質量.

思考1：中心天體的質量測出后，如何進一步計算出中心天體的密度？請將推導中心天體密度公式的過程在檢測3中提交.

這一問題難度不大，但結果容易錯．原因是計算天體密度時涉及到兩個半徑，一是環繞天體(或探測器)的軌道半徑r，二是中心天體本身的半徑R.

思考2：如果軌道半徑r等于中心天體的半徑R，要計算中心天體的密度，則需要測量哪些物理量？請將推導過程在檢測3中提交.

【檢測3】提交中心天體密度公式的推導過程(包括軌道半徑r與中心天體本身半徑R相等的情況).

(如果上述計算中心天體密度的表達式正確，可跳過微課2，直接完成檢測4．)

微課2：通過微課強調r=R+h，但在h=0時，r與R可以約去，只要測出貼近中心天體表面運行的天體(或探測器)的環繞周期T就可計算出中心天體的密度.

【檢測4】已知某行星的半徑為R，該行星的一顆衛星圍繞行星做勻速圓周運動，環繞周期為T，衛星到行星表面的距離也等于R，引力常量為G，不考慮行星的自轉，則下列說法正確的是( )

【活動三】發現未知天體

微課3：該微課采用了一段發現海王星的視頻，把計算海王星的軌道與實際觀測到的軌道作了一下對比，發現有一些區別，引起學生對軌道存在偏差的原因的思考.

討論4:根據萬有引力定律計算的海王星軌道與實際觀測到的軌道存在偏差的可能原因有哪些？請在小組討論的基礎上完成檢測5.

【檢測5】天王星的運動軌道與根據萬有引力定律計算出來的軌道存在一些偏差，你認為是下列哪個原因？( )

A．天文觀測數據不準確

B．萬有引力定律的準確性有問題

C．離天王星較近的土星對天王星引力的影響

D．天王星軌道外面還有一顆未發現的行星對天王星引力的影響

微課4：介紹兩位年輕的學者(英國劍橋大學的學生亞當斯和法國天文學家勒維耶)各自獨立地利用萬有引力定律計算出這顆“新”行星軌道的史實，以激勵學生發奮學習，爭取早日成才.

【活動四】用萬有引力定律解釋神奇的自然現象

閱讀教材中預言哈雷彗星回歸部分的內容，思考下列問題.

思考3：有沒有哪位天文學家觀察到哈雷彗星繞太陽運動一周的時間？

思考4：哈雷是用什么方法預測哈雷彗星回歸的日期的？

微課5：播放一段《哈雷彗星，2061年它將再次來臨》的視頻.

思考5：牛頓用月球和太陽的萬有引力解釋了潮汐現象，你認為潮汐現象主要是由太陽和月球中的哪個星球引起的？(太陽的質量約為月球質量的2.7×107倍，地球離太陽的距離約為地球離月球距離的3.9×102倍)

【活動五】匯報交流

通過教學平臺隨機抽取1個小組，請該組推薦一位學生進行匯報，總結應用萬有引力定律測量中心天體質量、密度的方法，并對萬有引力的理論成就發表自己的見解，再請其他小組進行補充．(學生匯報時，將自己平板的屏幕投影到大屏上)

實踐表明，通過逆向教學設計，能夠更好地發揮智慧教學平臺的優勢——及時作出個性化學習評價．如果不對評價內容、評價方式進行事先規劃，就不能有效地設計教學活動，甚至無法設計教學活動，而評價的內容與方式又必須服從于教學目標．可見，混合式教學對教學的逆向設計具有一定強制性，這樣，就不難解釋為什么混合式教學具有顯著的教學效果了．學生的學習是能動的，是他們對教學改革提出了合理的建議，是他們對混合式教學平臺提出了改進的意見．學生是學習的主體，是信息時代的原住民，對信息技術與學科教學融合的理解有著與生俱來的優勢．混合式學習平臺支持下的“雙線課堂”讓教師由課堂教學的主宰者和知識的灌輸者，轉變為課堂教學的組織者、指導者，學生建構意義的幫助者、促進者，學生良好情操的培育者[2].