指向核心素養的物理課堂“深度學習”教學設計

陳佳麗 董鴻飛 鄧素華

摘 要：依據深度學習理念改進課堂教學、落實核心素養是現階段亟待解決的課堂教學問題，是實現培養創新型人才隊伍的一個突破口。本文以“力按作用效果分解”為例，在高中物理課堂教學中通過聯系生活實際，利用“認知沖突、動手設計、實驗探究、應用遷移”等教學策略優化課堂教學，實現學生在認知、思維和情感方面的深度參與，創設指向核心素養的物理課堂深度學習過程，讓學生在掌握學科知識的過程中達到培養物理學科核心素養的目標。

關鍵詞：核心素養；深度學習；高中物理

中圖分類號：G633.7? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2024）05-0115-04

教育部基礎教育課程教材發展中心深度學習教學改進項目組對“深度學習”界定為在教師引領下，學生圍繞具有挑戰性的學習主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發展的有意義的學習過程[1]。高中物理學中的力的合成與分解是學生很難深度理解其中的物理思想的一個內容，教師以“力按作用效果分解”為載體，引領學生對力的合成與分解進行深度學習，分解等效替代物理學思想，在幫助學生對物理知識深度學習的過程中，探索如何落實物理學科核心素養的培養。

1 落實核心素養，促進學生在物理課堂教學中的深度學習

教師對教學內容、學習環境、教學評價等環節的設計是深度學習發生的保障[2]。本文以“力按作用效果分解”為例，通過設置“雞蛋很容易打碎”卻“不容易踩碎”的情境，引發學生認知沖突，在對可能的原因進行多方面的猜想后，引導學生用“力的分解”科學解釋雞蛋“不易碎”的原因。帶著疑問對力按作用效果分解這一知識進行學習，通過自制教具進行對比實驗，觀察木塊的運動和木塊與斜面間的相互作用，定性了解木塊重力按作用效果的分解，并理論推導出兩個分力的大小，最后引入壓力傳感器和拉力傳感器定量研究木塊重力按作用效果的分解。通過探索、定性和定量的分析過程，學生經歷深度思考與科學探究，全身心地參與課堂教學，并在知識遷移和應用的過程中走出物理課堂，體會物理學知識在大自然和生產生活中的實際應用。

1.1 形成認知沖突，引發深度思考

學生在已知“力的合成”“力的分解是力的合成的逆運算”基礎上，根據深度學習理念，利用學生在生活中的一些經驗和錯誤的理解，創設“踩在腳下的雞蛋為何不碎”這一具有挑戰性的學習主題開展教學。在教學過程中首先演示打碎生雞蛋的過程，讓學生猜測——如果拿四顆雞蛋踩在腳下，會不會碎？幾乎全班學生會認為踩在腳下的生雞蛋很容易碎，接下來，在幾個同學的合作下進行演示。學生發現雞蛋并沒有被踩碎，在對比實驗的過程中親身體會雞蛋的易碎而又堅硬。但是，學生對力是如何按作用效果進行分解的理解與應用還處于淺層學習的狀態，很多解釋只停留于表象，認知徘徊于低階而無法利用所學知識進行科學地解釋。各種疑惑便成為打開高階認知思維之門的鑰匙，引發學生的深度思考，促進物理課堂深度學習過程。

1.2 大膽猜想并分類評價，促進深度思考

在物理課堂教學中，通過搭建有效的概念“腳手架”是把復雜問題轉化為易解決的簡單問題的一種策略，能幫助學生提高分析和解決物理問題的能力[3]。學生在“不碎的雞蛋”問題中已經產生了很大困惑，此時，先將學生的視線轉移到對一個已知力進行分解的問題。通過幫助學生回憶力的分解是力的合成的逆運算這一知識點，對手中透明墊板上一個豎直向下的力F進行分解，在對比小組內其他同學的分解圖后，對一個已知力進行分解的多種方式進行深度思考，得出“如果不加任何限制條件，對于一個豎直向下的力F有無數組大小和方向都不同的分力”的結論。隨后，通過追問“在無數個平行四邊形中究竟該如何確定其中的一個？請設計實驗并驗證自己的猜想假設”引入下一步的科學探究環節——對木塊重力按作用效果分解中的作用效果的可視化。

1.3 設計實驗并動手實驗，實現深度理解

實驗探究與理論推導的結合可以讓學生經歷科學論證的過程。在猜想的基礎上，對所提供的實驗器材（100g的木塊、硬紙板、軟塑料墊板、傾角為30°的直角木支架）進行實驗設計，經歷科學的實驗探究過程，理解力按作用效果分解的實質。通過與“滑滑梯”的生活經驗相結合，引導學生從運動和相互作用的角度認識力的作用效果，培養學生盡量減小實驗誤差的意識，增強證據意識，提高科學論證能力。在以上循序漸進的探究過程中，引導學生深度思考力的分解。

1.3.1 探究一：定性分析和定量研究

物理學是一門高度定量研究的學科，許多物理問題都離不開測量。要想對一個問題進行高度統攝，就要先對問題居高臨下，統觀全局，從整體上做定性思考，才有可能抓住問題的本質[4]。在學生已知“如果不加任何限制條件，一個力可以分解為無數組大小和方向都不同的分力”的前提下，通過觀察斜面實驗，從動力學的角度思考木塊沿硬紙板加速下滑的原因，分析出是因為木塊重力對木塊產生了沿斜面下滑的作用效果后，再讓學生聯想實際生活中滑滑梯的經驗強化知識的理解。如果還是有一部分學生不理解，那么，在斜面頂端固定橡皮筋，橡皮筋下端與重物連接，當物體在斜面靜止時通過橡皮筋的伸張來可視化描述重力的沿斜面下滑的作用效果。在此過程中學生并不能明顯觀察到木塊對斜面也有擠壓的作用，因此，通過設計對比實驗，利用軟塑料墊板“放大”木塊擠壓斜面的作用效果，引導學生從相互作用觀進行思考，得出木塊重力還產生了壓彎斜面的作用效果，并由此聯想到年代久遠的滑梯都會有一定程度的形變。學生通過作用效果的可視化描述與探索，實現深度思考，結合實驗操作，實現對“作用效果”的深度理解。

高中生對物理學矢量意識不強，分析能力、概括能力、作圖能力、運用數學知識解決物理問題的能力還有待培養。學生在本節課中的困惑主要有：如何正確分解一個已知力？在已知分力方向的前提下如何確定分力的大小？這就需要能夠正確地利用平行四邊形定則，通過準確作圖，完成理論計算，得出G1=0.50N；G2=0.85N。學生完成如何對木塊重力進行分解的實驗探究過程，并對分力大小進行了理論推導，同時將物理問題與生活實際相聯系，對力按作用效果分解有了切身的感受，逐漸認識到物理學可以對生活中相關的現象進行描述和解釋，物理既來源于生活，又服務生活。

1.3.2 探究二：更加精準化的實驗研究

雖然已經過了實驗探索和理論推導，但是按作用效果的分解方式是否可靠？如何解決實際問題？等問題還困擾著學生。為落實科學探究的要求，教師要幫助學生創設有助于深度思考、深度探索的實驗條件和環境。可以利用數字化傳感器實驗技術使高中物理實驗思維和過程可視化，對實驗設計和儀器進行進一步改進，將不可見、不可做轉變為可觀察、可測量，幫助學生建立起客觀的物理概念，在科學探究的過程中深入地理解物理知識[5]。

壓力傳感器和拉力傳感器的引入將幫助學生更好地解決“將不可測量變為可測量”的問題，通過對實驗過程的設計，確定實驗器材的連接方式，并自己動手將拉力傳感器和壓力傳感器固定在合適的位置上，再將其與數據采集器和電腦相連接，如圖1。通過計算機軟件測量數據，直接讀出沿斜面方向上的分力大小為G1=0.49N，與垂直斜面方向上分力為G2=0.85N，根據平行四邊形定則得出G==0.97N≈0.98N。在數據分析的過程中，學生會發現實驗測量值與理論計算值有較大偏差，在解決此問題的過程中，學生會對減小誤差的方法進行多角度探究，對力是按作用效果分解的方式進行深入思考，最后通過更換軟硬合適、光滑度較高的斜面和保證細線與斜面的平行等減小實驗誤差，得出比較準確的結果，提高學生對知識、數據、實驗等都會不斷發展變化的認識。

深刻理解實驗探究過程是根據平行四邊形定則對力按其作用效果進行分解，將分解的思維過程變得可觀察，分解的結果變得可測量。通過分析、評價、創造認知思維的訓練提高學生的認知水平，培養學生解決問題能力和抽象思維結構，并將它們融入學生原有的認知中，達到對新知識的深度學習。

1.4 學會應用遷移，解決實際工程問題

通過設計“如何修建引橋”的問題，如表1設計引橋，讓學生扮演工程師角色去解決實際的工程問題。以課外小資料的形式補充學生引橋知識，先自主設計，再進行四人一小組合作交流，在設計過程中檢測學生將實際問題轉化成物理模型、聯系已有知識和經驗解決實際工程問題的能力。小組內對于引橋的不同設計體現出了學生發散思維和創造思維的簡單運用。接下來讓學生依據分類評價標準對小組成員的設計成果依次進行打分，引導學生對現有方案質疑，并要求恰當使用證據解釋自己的觀點，之后小組合作研制最終設計方案，小組發言人通過簡練的語言表明小組觀點，最后全班找出需要改進的問題，在反饋中貼近真正工程師的設計，得出一份較為合理的設計方案。

在工程問題的解決過程中，教師帶領學生經歷對“力按作用效果的分解”從記憶、領會的低階思維與創造思維深度融合[6]，培養學生在合作中既要堅持觀點又能修正錯誤，能依據普遍接受的道德與規范認識和評價物理研究與應用，具有保護環境、節約資源以及促進可持續發展的責任感。從而通過經歷解決一個實際問題的過程，在學生互評、教師的過程性評價中檢驗學生深度學習效果，將核心素養的培養落實到課堂教學過程中。

2 以更深層的拓展，檢驗深度學習成果

2.1 深層拓展一：認知由平面走向立體

通過引導學生解密“不易碎的雞蛋”，利用“力按作用效果分解”對問題進行科學的分析，將本節課所學知識運用到生活中的實際問題。對剛入高中的學生來說，空間受力分析是一個難點，因此首先將雞蛋由立體轉化為某一豎直切面的分析，分割出豎直切面上的曲線，再選擇曲線上的一點，對作用于該點的豎直向下的F力進行分解，如圖2所示。其次，講解點的聚集而形成曲線，能夠分散F力，以此推理，雞蛋表面弧線上的各個點都是如此。最后，解釋以豎軸為中心的曲線轉動會形成一個拱形面，無數個豎直平面再次分散F力。經過兩種分散，使F1和F2不足以破壞雞蛋時，雞蛋便會完好無損。接下來，利用3D動畫技術，幫助學生在現有理解的基礎上突破對于空間受力情況的理解，在體現現代信息技術工具解決常規方法難以實現的實驗現象的同時，一步步揭開不碎雞蛋的物理本質，強化學生對“力按作用效果分解”的理解，加強學生學科知識、科學技術和科學方法都可以不斷發展變化的認識。

2.2 深層拓展二：認知從物理走向生活、走進自然

力按作用效果的分解在生活中十分廣泛地存在，教師引導學生從不碎的雞蛋到人類的頭部、烏龜的龜殼、鳥類的頭部再到天體，從物理學的視角正確描述和解釋它們拱形或球形的結構中所蘊含的力按作用效果分解的奧妙。并且，人類利用這一知識設計橋梁、屋頂的工程設計和產品制造等普遍服務于我們的生活，提高我們生活中的舒適感。

課程的最后，通過設計發散性的問題：如果把雞蛋旋轉90°后實驗結果會如何？“不易碎的雞蛋”除了力的分解知識以外還會涉及哪些知識？引導學生在對未知事情的好奇中，進行無盡的聯想和探索。培養學生能夠不斷發展并優化自己科學思維、科學方法、科學態度的能力。

3 總結與展望

本文以“力按作用效果的分解”為例，探索利用“認知沖突、動手設計、實驗探究、應用遷移”等環節優化高中物理課堂教學。通過在課堂上設置環環相扣的學習任務，搭建物理概念的“腳手架”，讓學生在逐個擊破小問題的過程中深度思考所學知識，訓練低階思維與創造思維的深度融合。在定性探究過程中幫助學生深入理解何為按作用效果進行分解，促進學生動力學觀念、運動與相互作用觀念的形成發展，學會運用動力學觀念解釋自然現象。在定量驗證讓學生經歷科學實驗探究的一般過程，用科學的研究方法驗證力按作用效果的分解方式，讓學生經歷把一個整體的事物分解為幾個要素進行科學探究，以及把問題的幾個要素結合成一個整體進行綜合認識的思維過程，提高學生的分析與綜合能力。學生在觀察、實驗的基礎上通過科學推理和科學論證得到結論，通過數據分析再優化實驗設計，加強知識、技術和實驗的優化發展意識。探索通過調動學生學習的積極性和主動性，對學生進行科學思維的教育，讓學生學會用科學的態度面對問題和解決問題。同時，將深度學習的課堂評價貫穿于整個學習活動，有效評價促進教與學都能按照預定目標發展，讓學生能及時看到、聽到、體驗到所學知識的學習成果、同學評價、教師評價，對知識、能力、課堂表現等方面的表現進行自主反思，達到學習知識、提升能力，設計追問和深度學習情景的目的是激發學生的內驅力，促使學生真思考、真學習，逐步達到深度學習，同時在學生深度學習的過程中落實對學生物理學科核心素養的培養，在接下來的研究中，將繼續探索指向核心素養的深度學習的課堂教學模式，進行教學實踐研究，以期為學科教師在指向核心素養的深度學習教學提供案例參考，為課堂教學模式的改革提供經驗借鑒。

參考文獻：

〔1〕胡久華，羅濱，陳穎.指向“深度學習”的化學教學實踐改進[J].課程教材教法，2017，37（03）：90-96.

〔2〕吳雙，張磊.物理教學中促進學生深度學習的策略探索[J].物理通報，2018，37（07）：10-15.

〔3〕許湘苗，張軍朋.物理綜合性問題的一種教學策略：搭建物理概念腳手架[J].物理通報，2013，32（03）：115-118.

〔4〕應發寶.基于從定性感知到定量探究的多普勒效應學習進階設計[J].物理教師，2019，40（02）：7-12.

〔5〕王劍.利用DIS實驗定性定量結合改進自感現象教學[J].物理通報，2019，38（S1）：94-96.

〔6〕孟根巴根，孫藝峰.物理學科核心素養與認知思維深度融合的可視化教學研究——以沸騰概念的可視化研究為例[J].現代中小學教育，2020，36（08）：48-52.