基于深度學習促進核心素養發展的物理作業設計

趙 波 趙 柳 李春密

(1.北京師范大學物理學系,北京 100875;2.昆明市第十中學,云南昆明 650051)

1 問題的提出

2020年出臺的《中國高考評價體系》中明確指出高考的核心功能是“立德樹人、服務選才、引導教學”.[1]《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱“2020年修訂版高中課標”)提出了在初中物理教育的基礎上進一步促進學生物理學科核心素養的養成和發展的高中物理課程目標.[2]高考試題依據高校選拔人才需求和國家課程標準要求進行設計,對核心素養培育具有很強的導向作用,而深度學習是落實立德樹人根本任務、實現學生發展核心素養的重要途徑.[3]基于上述認識,筆者認為,基于深度學習的高考試題作業設計是將核心素養全面落實到物理教育教學活動中的一種可行的手段與載體.本文選取一道新課標卷物理高考試題,在探討試題對物理學科核心素養考查的基礎上對其進行改編,以適用于學生不同認知階段進行深度學習培育物理學科核心素養的不同要素.

2 深度學習的概念和特征

深度學習可以克服淺層學習、機械學習的弊端,使學生形成適應個人終身發展和社會發展需要應具備的必備品格和關鍵能力.深度學習與淺層學習的區別體現在以下6個方面(見表1).[4]

表1 深度學習與淺層學習的區別

從2014年9月起,教育部基礎教育課程教材發展中心研究團隊在借鑒國外研究成果和總結國內改革經驗的基礎上,從理論和實踐等層面對深度學習進行了深入研究.基于總項目組對深度學習的定義,本文將物理深度學習界定為:學習者在教師的引領下,能動地參與基于生活實際情境和物理實驗等情境化問題創設的挑戰性物理學習主題,體驗成功,在物理學科核心素養各個方面獲得全面發展的有意義的學習過程.[5]深度學習具有以下5個特征(見表2).[3]

表2 深度學習的特征

3 深度學習物理作業設計的特征

作業主要是指由學校教師依據一定目標布置的由學生在非教學時間完成的學習任務.[6]學生的學習包括課堂學習和課外學習,作業是學生課外學習的主要方式,它是學科教學不可或缺的環節,在教學中發揮著復習鞏固、提升素養、診斷反饋、過程性評價、激發求知欲等正向功能.但是,過多的作業負擔會對學生產生負向作用.為了克服因作業設計不當帶來的消極影響,需要挖掘作業的價值,以期用最少的作業量達到預期的學習目標.

對深度學習作業設計特征的描述,應以作業設計為主體,將深度學習表征為目標和內容與之融合.綜合既有研究,可將其特征總結為如下幾個方面.

(1)素養性.

素養性主要體現在深度學習作業設計的立意是指向發展學生的物理學科核心素養.

作業設計的導向從讓學生“知道什么物理知識”到“能運用物理知識解決什么問題”轉換,再進一步地向“能靈活運用所學知識現實地解決怎樣的物理問題或跨學科問題”轉換.在深度學習的物理作業設計中,學生在素養導向的學習任務引領下,全身心參與以生活實際情境和物理實驗為主的多種探究活動與情境互動,在物理概念和規律的探究與運用過程中,物理問題的分析與解決過程中,生成核心物理知識,完善物理觀念,充分訓練和提升科學思維、自主遷移與運用、科學探究等能力,形成積極的科學態度與正確的價值觀.

(2)情境性.

情境性主要體現在深度學習作業設計的任務內容和任務要求是分別通過“問題情境”與“情境活動”兩類載體來實現的.

基于《中國高考評價體系說明》,本文對物理作業設計中的“問題情境”及“情境活動”作如下界定.物理問題情境是指真實的物理問題背景,是以物理問題或物理任務為中心構成的活動場域.物理情境活動是指學生在物理問題情境中所進行的解決物理問題或完成物理任務的活動.[7]深度學習的物理作業設計,以2020年修訂版高中課標中的課程內容為內容標準,選取實踐、生活、社會、自然、科技與生產、物理學史、學習探索與科學探究等背景中真實發生的相關的事件作為設計作業內容的素材,再現物理概念和規律產生的背景或是呈現現實中的物理問題情境,將自主學習、合作、探究、實踐等學習方式融入作業設計中,引導學生在真實的物理背景下綜合運用所學物理知識解決實際問題的情境活動過程中,發揮主體作用全身心地主動活動,經歷物理知識的發現(發明)、形成、發展、運用過程,生發豐富的內心體驗,體會物理學科的思想方法和育人價值,從而發展學生自身認知、能力、情感、態度等.

(3)多元性.

多元性主要體現在深度學習作業設計的形式要根據學生的認知規律和培養目標進行設計.

深度學習的物理作業設計,需要依據教學目標、教學內容、學生已有的知識和經驗,設計出具有辨析性、探究性和實踐性的作業.依據學生的認知規律和最近發展區理論,教師需要根據學生的認知發展階段設計前置體驗型作業和后置作業,其中后置作業可以分為“基礎型—提升型—拓展型”進階式的作業.不同核心素養要素的培養方式存在差異,因此體現不同核心素養的作業也具有不同的設計類型.例如培養物理觀念可以采用基礎型習題的形式,培養科學思維可以采用拓展型習題的形式,培養科學探究可以采用小課題的形式等.

(4)標準性.

標準性主要體現在深度學習作業設計的難度分布、水平層次、評價標準分層要以2020年修訂版高中課標中的學業質量水平和物理學科核心素養的水平劃分為標準.

落實國家減輕學生作業負擔的要求,實現減負提質增效,要求教師根據教學目標和內容、結合班級學生實際情況,設計作業的難度、數量和各個層次水平作業的比例.作業的梯度、難度和水平層次設計,可以通過情境創設分層、問題設置分層兩條路徑解決.而作業的具體難度及分層評價標準,則需要統一的質量水平劃分標準,顯然,2020年修訂版高中課標中的學業質量水平和物理學科核心素養的水平劃分滿足了這一需求.作業難度不應超出國家2020年修訂版高中課標的要求.

(5)發展性.

發展性主要體現在深度學習作業設計的目標是促進學生思維發展,培養和提升學生高階思維水平.

具體而言,深度學習的物理作業設計的內容與形式,應有利于促進學生生成結構化的知識體系,把握知識本質與內在聯系,培養邏輯分析與推演變式能力、自主遷移運用與實踐創新等能力.研究發現,在應試教育“唯分數論”的強大影響和桎梏下,我國基礎教育階段,作業的功能被單一固化為鞏固知識與技能,作業的內容被窄化為去情境化的結果性知識的記憶、理解與熟練.作業的形式被淺表化為記憶、再認或應用而缺乏深層次理解和創造性應用.作業設計只關注學科知識重難點而無視學生已有知識、能力與興趣.[7]大量反復“機械刷題”的結果是把學生培養成為了只能在既定的狀態與情境中發揮作用的“定型熟練者”,而非核心素養要求培養的能在任何情境中靈活運用所學知識解決問題的“適應性熟練者”.深度學習的物理作業設計,應避免低水平、低效無效、機械重復的作業,應在注重基礎性的前提下突出應用性、綜合性和創新性,設計促進學生各方面能力與素質發展的分層作業、實踐式作業、探究式作業、情境化作業、學科融合類作業和個性化作業等.

(6)成長性.

成長性主要體現在深度學習作業設計的價值取向是立德樹人,促進學生成長.

深度學習的物理作業設計的內容,不僅需要涉及學生的認知側面,而且還需要涉及學生的學習態度、人格、意志與情感、理性精神、價值觀等情意(非認知)側面,促進學生全面綜合發展,凸顯學科育人價值.深度學習的物理作業設計,可以通過聯系中國優秀傳統文化與航天等領域現代科技成果的作業情境創設培養學生的愛國精神與文化自信,通過探究類、實踐類任務式作業培養學生合作互助、溝通交流與勞動觀念,通過復雜情境活動創設的挑戰性物理學習主題培養學生鍥而不舍、堅韌不拔地致力于問題解決的意志和情感.通過反思性作業自我評價與小組互相評價實現自我理解,塑造自我認識,完善人格.

根據深度學習的特征,判斷某個物理作業設計是否符合深度學習的理念,可以從作業形式、作業內容、學生活動、作業過程、作業結果5個維度進行分析(見圖1).

4 深度學習物理作業設計案例

4.1 高考真題及評析

例1.(2021年高考全國甲卷物理試題第14題)如圖2所示,將光滑長平板的下端置于鐵架臺水平底座上的擋板P處,上部架在橫桿上.橫桿的位置可在豎直桿上調節,使得平板與底座之間的夾角θ可變.將小物塊由平板與豎直桿交點Q處靜止釋放,物塊沿平板從Q點滑至P點所用的時間t與夾角θ的大小有關.若θ由30°逐漸增大至60°,物塊的下滑時間t將

圖2

(A)逐漸增大. (B)逐漸減小.

(C)先增大后減小. (D)先減小后增大.

答案:(D).

試題評析:本題以等底斜面上的物體運動為素材,創設了研究物體運動時間與斜面傾角關系的學習探索問題情境.此類問題屬于牛頓第二定律應用中的“從受力確定運動情況”問題,在人教版的新(2019年版)、舊(普通高中課程標準實驗教科書)教材中都有篇幅專門介紹.[8,9]本題考查了牛頓第二定律、勻變速直線運動等基本知識和基本規律,功能關系(動能定理、機械能守恒定律)、動量定理等基本知識和基本規律,涉及了受力分析、正交分解、運動分析等基本方法,涵蓋了處理力與運動問題的核心知識和必備技能,具有一定的基礎性.學生只需調動牛頓運動定律應用或動量定理應用中的一類知識與技能便可解決問題.綜上分析,本題是簡單情境活動層次的學習探索情境問題,學業質量屬于2020年修訂版高中課標中的水平4層次,體現了基礎性的考查要求.

在作業設計時,針對不同階段學生的認知水平做如下改編,以適用于不同階段學生進行深度學習培育物理學科核心素養的不同要素的需求.

4.2 基于高考真題的作業設計

4.2.1 通過核心方法,形成物理觀念

例2.如圖3所示,分別為公園的滑梯、上海南浦大橋螺旋狀引橋、湖南張家界天門山盤山公路,請你仔細觀察,它們有什么特點?并思考為什么公園滑梯傾角較大,而大橋引橋、盤山公路等傾角又不能太大?

圖3

設計意圖:本題以生活化的公園滑梯、現代化的立交橋、巧奪天工的盤山公路為素材,創設了簡單分析建筑中的力學原理的生活實踐問題情境.要求學生能用力的合成與分解的知識,簡單分析斜面上物體受力問題.本題既有學生熟悉的生活化場景,又有體現我國經濟高速發展的現代化縮影,還有祖國大好河山的秀美風光,設計的目的就是鏈接學生生活經驗,在經驗和知識之間建立起關聯,促進知識重構和生成,形成相關物理觀念.同時讓學生感受祖國舉世矚目的成就,接受大自然美的熏陶,培養學以致用觀念和民族自信.

本題具有一定的基礎性和應用性,學業質量屬于2020年修訂版高中課標中的水平2層次,適合作為高一力的合成和分解的課前前置體驗型預習作業題使用.

例3.某游樂場要在空地上建一個滑梯,如圖4所示,根據空地的大小,滑梯的水平跨度確定為6 m.如果你是設計師,為使滑梯者能以最短時間從滑板上滑下,將滑梯者視為質點,不計一切阻力,設計時,滑梯高度應為多少?

圖4

設計意圖:本題以學生熟悉的游樂場滑梯為素材,創設了求解符合設計要求滑梯高度的生活實踐問題情境.要求學生能用牛頓第二定律得到加速度的表達式,利用勻變速直線運動的規律找到時間和滑梯高度的函數關系,能用數學(跨學科知識)中的三角函數找到位移、高度、底邊、傾角之間的關系式,用函數關系式討論時間的極值.或者學生也可以利用功能關系找到滑梯者滑到最低點的速度表達式,利用動量定理找到時間和滑梯高度的函數關系式.本題涉及牛頓運動定律應用和動量定理應用的基本知識、基本方法和基本技能,有利于培養學生運動與相互作用觀念或能量觀念.

本題具有一定的基礎性,學業質量屬于2020年修訂版高中課標中的水平4層次,適合作為高一牛頓運動定律的應用或高二動量定理新授課的課后作業的訓練題或單元復習的復習題使用.

4.2.2 通過推理論證,促進科學思維

例4.如圖5所示,將光滑長平板的下端置于鐵架臺水平底座上的擋板P處,上部架在橫桿上.橫桿的位置可在豎直桿上調節,使得平板與底座之間的夾角θ可變.將小物塊由平板與豎直桿交點Q處靜止釋放,物塊沿平板從Q點滑至P點所用的時間t與夾角θ的大小有關.若θ由70°逐漸減小至20°,物塊的下滑時間t將如何變化,請你動動腦筋嘗試用幾種不同的方法分析并寫出具體的分析論證過程.

圖5

設計意圖:本題在高考題的基礎上改變了題型和數據,并要求學生用多種方法進行解析.題型由選擇題調整為科學論證題,要求學生在綜合運用所學知識進行推理論證的基礎上,基于證據作出判斷,這一過程就是培養學生批判性思維的過程.將θ由“逐漸增大”調整為“逐漸減小”,有利于培養學生的逆向思維和知識遷移與運用能力.

本題可以運用相互作用觀利用牛頓運動定律分析,也可以運用能量觀利用能量和動量分析.除核心解法,本題也可以運用“等底斜面”模型或“等時圓”模型(如圖6所示)的規律快速得到正確答案.從不同視角“一題多解”可以突破學生的思維定式,啟發學生多角度地思考物理問題,培養高中生發散思維和思維的靈活性、敏捷性和創造性,激發學生對物理學習的興趣.

圖6 等時圓分析圖

本題有一定的綜合性,學業質量屬于2020年修訂版高中課標中的水平4層次,適合作為高三一輪復習階段教師的講解例題或二輪復習階段學生的課后訓練題使用.

4.2.3 通過實踐作業,培養科學探究

例5.為了測量物塊與長平板之間的動摩擦因數μ,某實驗小組使用位移傳感器設計了如圖7(甲)所示的實驗裝置.讓物塊從傾斜長平板上的P點由靜止釋放,位移傳感器可以測出物塊到傳感器的距離x.把位移傳感器與計算機連接,描繪出物塊到傳感器的距離x隨時間t的變化規律如圖7(乙)所示.

圖7

(1)根據圖(乙)可計算出物塊沿長平板下滑時的加速度大小為a=________m/s2;

(2)已知當地的重力加速度為g,為了測定物塊與長平板間的動摩擦因數μ,還必須測量的物理量是_________(填正確答案標號).

(A)物塊的質量. (B)長平板的傾角.

(C)長平板總長度. (D)點P距鐵架臺高度.

答案:(1)4;(2)(B).

設計意圖:本題以位移傳感器為素材,創設了測量動摩擦因數的學習探索問題情境.“光滑的長平板”是一種理想化的物理模型.事實上,兩個物體接觸且有相對運動時,總有摩擦存在,本題旨在將“理想模型問題”回歸到“真實情境中的問題”,讓學生在運用所學知識解決真實問題的過程中,培育和提升其科學探究素養.本題有一定的創新性,學業質量屬于2020年修訂版高中課標中的水平4層次,適合作為高一牛頓運動定律應用新授課結束后單元復習的訓練題使用.

為了增加探究性和開放性,訓練和培養學生的創新意識和高階思維,也可以在此基礎上設計任務式作業,如設計為學生課外活動研究的小課題(如例6)或拓展為等高模型、等底模型、等邊模型、等時圓模型等與學生熟悉的情境結合進行改編(如圖8所示),題型可以設計為選擇題、實驗題或計算題等.[10]

圖8 可拓展的情境模型

例6.能否利用斜面來測量物塊與長木板之間的動摩擦因數?你能想到哪些方案?和大家交流一下,并選擇一種方案來進行測量.完成測量后請思考,除了利用斜面,你還能想到其他方法嗎?和同學們交流一下你的方案.

4.2.4 通過聯系實際,培養科學態度與責任

例7.如圖9所示,等腰三角形的屋頂,是我國古代建筑中經常采用的結構形式.試設計一角度(屋頂的瓦面與水平面的夾角),使雨水能以最短時間從屋頂瓦面流下.(假設雨水與瓦面間的摩擦阻力不計,一般說來等腰三角形屋頂的底邊是一定值).

圖9 中國古代建筑代表故宮

設計意圖:實際上本題為筆者借用的一道陳題,也是高考題的原型題.本題以中國古代建筑為素材,創設了計算符合要求的屋頂角度的生活實踐問題情境.在讓學生感受到從生活走向物理,從物理走向社會的同時,體會中華傳統文化中的中國智慧,培養學生的愛國精神和文化自信.本題聯系古今,有一定的應用性和綜合性,學業質量屬于2020年修訂版高中課標中的水平4層次,可作為新授課結束后單元復習的訓練題使用.

在具體學習過程中,由于一些錯誤的前認知,部分學生會從感性認識出發,認為傾角越大下滑時間越短.教師可以設計相應的問題引導學生進行深度學習,例如“是不是傾角越大越好?為什么?”等,通過建模后計算和分析討論,學生會發現由于底邊不變,若傾角變大,則加速度變大的同時,需要下滑的位移(斜邊)大小也變大,所以下滑的時間不一定變短.同時考慮到實際情況,若傾角變大,瓦片重力沿斜面向下分力也變大,則瓦片容易往下溜而不容易固定.通過這樣的作業設計,讓學生在面對問題時能在猜想的基礎上,學會理性地邏輯思辨,形成實事求是的科學態度.[11]

5 結束語

本文從理論和實踐兩個角度探討了基于深度學習促進核心素養發展的物理作業設計特征和實例,對一道高考試題改編,使之適合學生不同認知階段核心素養不同要素的培養.目前深度學習物理作業設計的研究和案例相對匱乏,作業是教學活動的重要環節、課程的重要組成部分、新課程改革的關鍵領域,也是核心素養培育的重要途徑,在此拋磚引玉,希冀引發大家對深度學習作業設計的關注和研究.同時也希冀引發大家對高考試題深度研究和二次開發,重視和創新高考試題使用,[12]使其在引導教學方面發揮更大的作用和價值.