指向物理核心素養的建構主義單元設計*
——以“打點計時器的實驗設計”為例

曹東

(江蘇省懷仁中學 江蘇 無錫 214196)

“真實性學力——真實性學習——真實性評價”這就是基于“核心素養”的單元設計的基本訴求[1].建構主義學習設計的思路為單元設計提供了一條路徑.建構主義的學習設計由6個要素構成，即情境、協同、支架、任務、展示、反思.這6個要素作為有影響力的手段是重要的，但其順序是動態的.建構主義的單元設計是策劃每一位學生參與學習的“學案”.本文從建構主義學習設計的思路出發，以“打點計時器的實驗設計”為例，討論指向物理核心素養的建構主義單元設計.

1 創設真實情境 學生體驗 突破打點計時器的工作原理

真實性學力的獲得要在真實性學習的過程中獲得，真實性學習要發生在真實的情境中.學校里的學習是同真實性學習聯系在一起的.其焦點在于把學生置于真實的情境中，獲得真實的體驗，使學生所擁有的能力得到發掘.

具有教育價值的情境的設定必須把握3個關鍵詞：

(1)學習目標.教育歸根結底是經驗的再建構.學習目標并不是單純的提供經驗，而是借此來促進學生展開分析與思考.

(2)研究的問題.研究的問題是指為讓學生在共同的思考中發現意義，使學習得以形成而選擇出來的概念、過程與思考方式.

(3)評價.怎樣評價學生的學習？可以通過兩種評價，即每一個個體的成熟度的評價與整體班級的成熟度的評價，來把握學生的成長狀態與理解能力[1].

案例1：如何理解打點計時器的原理？

小游戲：如圖1所示，兩位學生一組，一位學生牽動一條長紙帶使紙帶沿直線向前移動；另一位學生手拿一支筆固定在紙帶正上方，聽口令，每隔1 s用畫筆在紙上點一個點.動手試一試：現在可以測出這位學生的手運動的速度嗎?

圖1 模擬打點計時器的小游戲

思考1：相鄰兩點的距離跟牽動紙帶的速度有什么關系？牽動紙帶的速度快慢不均勻，對相鄰兩點所表示的時間有沒有影響？

思考2：這樣測量平均速度準確嗎？如果不準確，原因在哪？如果有一種打點時間間隔嚴格相等的儀器，問題就可以解決了，引出兩種打點計時器的原理.

思考3:從原理上看,電火花計時器跟電磁打點計時器相比，哪個更好些,誤差可能會更小?

案例分析：以兩名學生互相配合，手拉紙帶同時打點這個實驗創設的真實情境，通過問題引導，每位學生寫出自己的答案，分組討論，交流答案，評價每個學生對打點計時器原理的理解成熟度，小組展示答案，評價班級的成熟度.創設真實情境，學生體驗，順理成章地突破打點計時器的工作原理.

2 設置合理任務 提供支架 協同學習 突破學習中的難點

任務是以自由的方式，廣泛的解讀，學生圍繞主題，在形成自身共享意義的同時,促進共同的思考.任務的設定必須回答3個問題：

(1)興趣——怎樣引發學生的興趣，促進意義的發現？

(2)學習——構成怎樣的學習記錄，把握任務的難易度？

(3)思考——學生提出了怎樣的問題？教師又如何回答？

支架理論的基礎是維果茨基的“最近發展區”.“最近發展區”是指“在成人的指導與幫助下可能問題的解決水準與在自主活動中可能的問題解決水準之間的落差”[2].教師為學生在既有知識和新建構的學習課題之間搭起腳手架，提供給學生固定的支點，通過協同解決問題，讓學生獲得新的知識與技能.

三人行必有我師.協同學習就是通過分組學習，基于探究，通過策劃協調全員學習的積極性，最大限度地發展每一位學生的學習能力.

協同學習必須回答3個問題：

(1)如何進行分組.

(2)如何讓學生發現意義.

(3)需要運用哪些媒體.

案例2：如何測量紙帶的平均速度和瞬時速度?

學生分組實驗步驟如下.

(1)將打點計時器固定在平板上沒有滑輪的一端，并連接好電路.

(2)將紙帶穿過打點計時器的限位孔，打開電源，拉動紙帶，關閉電源.

(3)換一條紙帶，將紙帶固定在小車尾部，并穿過打點計時器的限位孔.

(3)把一條細繩拴在小車上，細繩跨過定滑輪，下面懸掛適當的鉤碼.

(4)拉住紙帶，將小車移至靠近打點計時器處，接通電源.

(5)放手，使小車在平板上運動.

(6)斷開電源，取下紙帶，重復實驗，再打一條紙帶.

思考1：根據紙帶上的點跡，如何求AB段的平均速度？如何求E點的瞬時速度？

思考2：如圖2所示，用AD，BC段的平均速度替代E點的瞬時速度，哪一種更準確？如果測E點附近一小段的平均速度去替代E點的瞬時速度，哪一種方法更好？

圖2 打點計時器獲得的紙帶

教師演示：不同寬度的擋光片經過同一光電門時，通過傳感器測量到瞬時速度，突破瞬時速度的概念.

案例分析：學生自由組合，合理分組實驗.通過問題引導分析實驗的結果，“如何測量平均速度？”這個問題評價學生對平均速度概念的理解深度.“瞬時速度如何測量？”這個問題讓學生陷入思考，觸發了學生最近發展區.學生對瞬時速度已經有了初步理解，能夠理解“用BC段的平均速度替代E點的瞬時速度”這種方法更好，但是還是比較模糊.這時教師充當協同學習中重要的一員，利用傳感器和多媒體演示：不同寬度的擋光片經過同一光電門時，通過傳感器測量到瞬時速度.學生通過數據發現：當擋光片寬度窄到一定寬度，測量的平均速度幾乎不變，這時的平均速度已經很接近瞬時速度.這是測量瞬時速度符合實際的方法，讓學生深入理解瞬時速度的概念.

3 展示學習成果 反思中升華 評價自己的學習

展示的主要目的是讓學生的思維可視化.教師可以根據展示的結果評價學生是怎樣學習的.教師可以通過評價反思學生的學習進度制定今后的學習計劃.同時接觸到別人學習見解的學生會加深對自己學習成果的理解.

元認知是關于思考的思考.通過反思，學生可以獲得體驗到的經驗，體會到所獲得的經驗，并能從對話中獲得經驗.

案例3：研究小車在重物牽引下的運動，小車的速度隨時間怎樣變化

挑選清晰的紙帶并測量計算幾個計數點的瞬時速度，記錄數據，填入表格，作出速度-時間圖像.學生分組展示自己的實驗結果，交流討論，尋找小車的速度與時間的關系，計算小車運動的加速度大小.

教師進一步引發思考：在“探究小車速度隨時間變化的規律”的實驗中，打點計時器接在50 Hz的低壓交流電源上．

(1)某學生用以下方法繪制小車的v-t圖像.先把紙帶每隔0.1 s剪斷，得到若干短紙條.再把這些紙條并排貼在一張紙上，使這些紙條下端對齊，作為時間坐標軸，標出時間.最后將紙條上端中心連起來，于是得到v-t圖像.

(2)這樣做有道理嗎？說說你的看法.

(3)課后作業評價：把紙帶穿過打點計時器，用手握住，啟動計時器.用手拉動紙帶，在紙帶上記錄了一行小點.從便于測量的位置找一個點做起始點，在每隔相等時間間隔的位置剪開.請你試著把這些紙帶并排貼在一張紙上，得到一個直方圖，你能從中看出手拉紙帶的速度是怎樣變化的？

案例分析：學生通過實驗，采用描點作圖的方法做出速度-時間圖像并計算了加速度.教師進一步引發思考,給出某學生的不同想法，讓大家開始反思自己的做法和該同學做法的差異，評價不同組同學的學習結果.通過相互評價讓學生進一步反思，加深對自己學習成果的理解.課后作業讓大家嘗試別人的做法，一方面通過體驗加深自己的理解，一方面讓自己的思維可視化，評價自己的學習成果.學習評價首先在于改善、促進學生的學習.案例中的評價以形成性評價為主.形成性評價是在活動過程中旨在有效地實現活動自身而開展的一種過程性評價，以單元或以課時為單位來實施[3].

第一步，描點作圖，第二步，紙帶剪貼理解速度-時間圖像，第三步，通過協同學習理解速度-時間圖像的真正含義.每一步都在評價學習的理解程度.

綜上所述，以“打點計時器的實驗設計”為例討論指向物理核心素養的建構主義單元設計.以案例的形式展示了其中一課時的學生參與學習的“學案”和學生作業.

打點計時器作為高中階段學生實驗學習的重要器材，與其有關的實驗有許多.例如“探究小車速度隨時間變化的規律”“用電火花計時器(或電磁打點計時器)探究勻變速直線運動”“探究加速度與力、質量的關系”“用電火花計時器(或電磁打點計時器)驗證機械能守恒定律”等等.這一系列實驗都是以打點計時器的使用為基礎，我們可以把這些實驗的學習歸結為“打點計時器的實驗設計”的學習單元，站在力學實驗學習的高度俯瞰，合理設置目標，分節分課時逐步去評價學習目標，一步步地達成單元設計的目標.