指向深度學(xué)習(xí)的高中物理大概念教學(xué)策略*
——以“牛頓第一定律”教學(xué)為例

任虎虎

(江蘇省太倉(cāng)高級(jí)中學(xué) 江蘇 蘇州 215411)

大概念又稱大觀念，是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，克拉克基于布魯姆等人的研究，認(rèn)為大概念能理解和聯(lián)結(jié)小概念；懷特利強(qiáng)調(diào)大概念是理解的建筑材料，用以使人們能夠聯(lián)結(jié)其他零散的知識(shí)點(diǎn).埃里克森認(rèn)為大概念是指向?qū)W科中的核心概念；威金斯和麥格泰認(rèn)為大概念相當(dāng)于車轄，能夠?qū)⒍喾N知識(shí)有意義地連結(jié)起來(lái)，并倡導(dǎo)基于逆向設(shè)計(jì)揭示和理解大概念[2].哈倫從科學(xué)教育角度提出了14個(gè)科學(xué)教育的大概念；査莫斯在研究STEM的大概念時(shí)，認(rèn)為其可以分為兩類:內(nèi)容大概念和過(guò)程大概念[3].

國(guó)內(nèi)，2018年1月教育部頒布了20個(gè)學(xué)科的普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)，并在前言中明確指出“重視以學(xué)科大概念為核心，使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，以主題為引領(lǐng)，使課程內(nèi)容情境化，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí).”[4]韋鈺院士提出圍繞大概念實(shí)施科學(xué)教育，李剛和呂立杰兩位專家提出了指向核心素養(yǎng)落實(shí)的大概念課程設(shè)計(jì)路徑，郭玉英教授及其團(tuán)隊(duì)提出圍繞大概念組織知識(shí)內(nèi)容,設(shè)計(jì)合理的學(xué)習(xí)進(jìn)階實(shí)施教學(xué).

1 什么是大概念教學(xué)和深度學(xué)習(xí)

1.1 大概念教學(xué)的內(nèi)涵

大概念是指在一個(gè)學(xué)科領(lǐng)域中最精華、最有價(jià)值的內(nèi)容，在學(xué)科中發(fā)揮著概念“魔術(shù)貼”或“文件夾”的作用.大概念教學(xué)就是以大概念為核心選擇與整合分散的概念、事實(shí)、經(jīng)驗(yàn)和問(wèn)題等，并通過(guò)整體設(shè)計(jì)與實(shí)施，幫助學(xué)生形成深層次的、有意義的、結(jié)構(gòu)化的和可遷移的概念體系.

1.2 深度學(xué)習(xí)的內(nèi)涵

深度學(xué)習(xí)是對(duì)學(xué)習(xí)狀態(tài)的質(zhì)性描述，涉及學(xué)習(xí)的投入程度、思維層次和認(rèn)知體驗(yàn)等層面，強(qiáng)調(diào)對(duì)知識(shí)本質(zhì)的理解和對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的批判性吸收與利用，追求有效的學(xué)習(xí)遷移和真實(shí)問(wèn)題的解決，屬于以高階思維為主要認(rèn)知活動(dòng)的高投入、有意義的學(xué)習(xí)過(guò)程[5].

2 為什么基于大概念的教學(xué)能促進(jìn)深度學(xué)習(xí)

2.1 大概念教學(xué)是深度學(xué)習(xí)的邏輯起點(diǎn)

深度學(xué)習(xí)是為解決知識(shí)呈現(xiàn)的碎片化，知識(shí)理解的淺層化，知識(shí)探究的去情景、去背景等問(wèn)題而提出的，期望學(xué)生理解知識(shí)的本質(zhì).而大概念是基于事實(shí)抽象出來(lái)的核心本質(zhì)，大概念教學(xué)是整合分散的知識(shí)點(diǎn)，超越知識(shí)，把握知識(shí)背后的思想方法、意義和價(jià)值觀念，建立概念網(wǎng)絡(luò).可見，這與深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)不謀而合.

2.2 大概念教學(xué)是深度學(xué)習(xí)的過(guò)程保障

大概念不僅是核心的概念，還是一種思維工具，發(fā)揮著概念“文件夾”和“透鏡”的作用，有助于使新的、不熟悉的概念看起來(lái)更熟悉，大概念能實(shí)現(xiàn)學(xué)科內(nèi)縱向、學(xué)科間橫向核心內(nèi)容的有機(jī)整合，優(yōu)化學(xué)習(xí)路徑，為單元、課時(shí)教學(xué)設(shè)計(jì)指明方向，保障深度學(xué)習(xí)真實(shí)發(fā)生.

2.3 大概念教學(xué)是深度學(xué)習(xí)的價(jià)值追求

深度學(xué)習(xí)的結(jié)果為能靈活應(yīng)用所學(xué)物理知識(shí)和方法解決實(shí)際問(wèn)題，知識(shí)只有上升達(dá)到概念層面才能被遷移，學(xué)科大概念作為概念的概念有強(qiáng)大的解釋能力和遷移能力.所以掌握處于學(xué)科中心、最有價(jià)值的大概念是深度學(xué)習(xí)的價(jià)值體現(xiàn)和必然結(jié)果.

3 如何實(shí)施高中物理大概念教學(xué)

3.1 從整體到局部 明確核心目標(biāo)

傳統(tǒng)教學(xué)中教師較多關(guān)注于課時(shí)層面的設(shè)計(jì)與實(shí)施，較少?gòu)恼w出發(fā)關(guān)注單元層面的設(shè)計(jì)與實(shí)施，即關(guān)注局部忽視整體，這樣很難落實(shí)新課標(biāo)的理念和培育學(xué)科核心素養(yǎng).教學(xué)設(shè)計(jì)要兼顧整體和局部，要處理好“森林與樹木”的關(guān)系，基于大概念從整體到局部明確核心目標(biāo)是教學(xué)的魂.

新課標(biāo)提出“在機(jī)械運(yùn)動(dòng)情景下培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)動(dòng)與相互作用的觀念”，這就是本章需要揭示和理解的大概念.其中牛頓第一定律的學(xué)習(xí)要提升學(xué)生對(duì)運(yùn)動(dòng)與相互作用關(guān)系的認(rèn)識(shí)，初步形成正確的運(yùn)動(dòng)與相互作用觀.

從整體到局部的目標(biāo)分析如圖1所示.先揭示錯(cuò)誤前概念：力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因.接下來(lái)明確兩個(gè)核心目標(biāo)：力不是維持物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因；力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因.學(xué)生學(xué)習(xí)的過(guò)程就是要由表及里、從外向內(nèi)，逐步抽象概括大概念.

圖1 牛頓第一定律的核心目標(biāo)

3.2 基于探究整合 促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變

大概念對(duì)學(xué)科專家來(lái)說(shuō)是清晰和有用的，但對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)是模糊和抽象的，需要在現(xiàn)象和事實(shí)的基礎(chǔ)上激發(fā)認(rèn)知沖突，不斷探究整合、不斷抽象概括、不斷理解升華，實(shí)現(xiàn)從迷思概念到科學(xué)概念的轉(zhuǎn)變，使概念持續(xù)“變大”.

教學(xué)中，用一個(gè)正方形的硬塑料板，中間有一個(gè)可通氣圓柱樁，通過(guò)圓柱樁氣流可以從上面到硬塑料板下面，如圖2所示.剛開始讓學(xué)生在桌面上嘗試用力持續(xù)輕推該裝置，裝置向前運(yùn)動(dòng)，當(dāng)力撤去后，隨即靜止.據(jù)此大家能得出什么結(jié)論？

圖2 自制裝置

生甲：運(yùn)動(dòng)需要力來(lái)維持.

師：這正是亞里士多德兩千多年前的觀點(diǎn)，接下來(lái)請(qǐng)大家用力猛推該裝置，觀察現(xiàn)象.

生乙：發(fā)現(xiàn)離開手后，還會(huì)向前運(yùn)動(dòng)一段距離才靜止？

師：這說(shuō)明了什么？

生丙：桌面對(duì)它的摩擦力反而阻礙了運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)不需要力來(lái)維持.

師：這里如何減小摩擦力的影響，讓其在離開手后運(yùn)動(dòng)的距離更遠(yuǎn)一些呢？

生丁：可以在桌面上涂潤(rùn)滑油.

師：很好，老師現(xiàn)在給每一小組再提供一個(gè)氣球，大家結(jié)合裝置討論可以采取什么措施呢？

學(xué)生想到將氣球吹大后直接套在通氣圓柱樁上，這樣氣球內(nèi)的氣體通過(guò)小孔流到塑料板和接觸面間，形成一個(gè)氣墊，有效地減少了摩擦.為了使現(xiàn)象明顯，可以將加氣球后的裝置放在教室地面上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，推一下發(fā)現(xiàn)可以運(yùn)動(dòng)很長(zhǎng)一段距離才停止.

接下來(lái)用伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行探究，如圖3所示.第一次在軌道上鋪一層毛面的棉布，將小球從某一高處自由釋放，小球滾到另一側(cè)上一小段距離，第二次在軌道上鋪一層絲綢，將小球從同一高處自由釋放，小球滾到另一側(cè)比第一次更遠(yuǎn)的距離；第三次軌道擦干凈，將小球從同一高處自由釋放，小球可以滾到另一側(cè)接近等高的地方，通過(guò)這一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，合理外推：當(dāng)沒(méi)有摩擦阻力的影響，小球?qū)?lái)到等高的位置.第四次將另一側(cè)軌道傾角調(diào)小，發(fā)現(xiàn)小球仍差不多滾到和原來(lái)等高位置，但運(yùn)動(dòng)距離更遠(yuǎn)一些.繼續(xù)外推：當(dāng)另一側(cè)放置水平，由于小球找不到等高的位置將永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去.這就是伽利略的觀點(diǎn)：物體一旦具有某一速度，如果沒(méi)有摩擦阻力，物體將保持這個(gè)速度一直運(yùn)動(dòng)下去.

圖3 伽利略斜面實(shí)驗(yàn)儀

后來(lái)經(jīng)過(guò)笛卡爾的補(bǔ)充、牛頓的綜合最終形成牛頓第一定律：一切物體在不受力時(shí)總保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止.

定律的前半句說(shuō)明物體有保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的屬性，即慣性，后半句說(shuō)明力的作用是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài).牛頓第一定律明確了運(yùn)動(dòng)與相互作用的關(guān)系，為幫助學(xué)生建立運(yùn)動(dòng)與相互作用觀奠定基礎(chǔ).

3.3 注重科學(xué)論證 達(dá)成意義理解

物理學(xué)科以理性思維為中心，科學(xué)論證就是建立在思維之上，是學(xué)習(xí)共同體圍繞某一問(wèn)題，收集證據(jù)并運(yùn)用一定的論證方法解釋、評(píng)價(jià)自己及他人的觀點(diǎn)，促進(jìn)思維的交鋒，最終達(dá)成雙方可接受結(jié)論的活動(dòng).科學(xué)論證是促進(jìn)深度學(xué)習(xí)和大概念發(fā)展的重要途徑.

首先讓學(xué)生觀看汽車在安全測(cè)試過(guò)程中沒(méi)系安全帶和系安全帶的對(duì)比視頻，然后提出問(wèn)題.

師：通過(guò)這個(gè)短片，說(shuō)說(shuō)實(shí)際行車過(guò)程中為了避免交通事故的發(fā)生，應(yīng)該如何做？

生戊：應(yīng)該避免酒后駕駛、系好安全帶、不能超載、不能超速.

師：從這個(gè)問(wèn)題中請(qǐng)大家猜想慣性與哪些因素有關(guān)？

生己：與質(zhì)量和速度有關(guān)，質(zhì)量越大、速度越大慣性就應(yīng)該越大.

師：請(qǐng)大家現(xiàn)在小組討論論證慣性與質(zhì)量、慣性與速度的關(guān)系.

生庚：如圖4所示，當(dāng)在水平面上用一恒力拉A物體，速度增加較快，當(dāng)用細(xì)線在后面連接另一物體B，此時(shí)整體一起運(yùn)動(dòng)，速度和之前相比增加得較慢，即運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越難改變，說(shuō)明質(zhì)量越大，慣性越大.

圖4 慣性與質(zhì)量關(guān)系示意圖

生辛：如果慣性與速度有關(guān)，速度越大運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越難改變，那么自由落體運(yùn)動(dòng)的v-t圖像是圖5所示的曲線，而事實(shí)上是一條過(guò)原點(diǎn)傾斜的直線，所以慣性與速度大小無(wú)關(guān).

圖5 v-t圖

3.4 設(shè)置挑戰(zhàn)任務(wù) 實(shí)現(xiàn)遷移應(yīng)用

真實(shí)的、挑戰(zhàn)性的核心任務(wù)能促進(jìn)對(duì)大概念的理解和遷移，教學(xué)中設(shè)計(jì)待解決的挑戰(zhàn)性任務(wù)一方面能激發(fā)學(xué)生探究的熱情和興趣，另一方面能遷移和拓展所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)做中學(xué)、用中學(xué).

挑戰(zhàn)任務(wù)：將一瓶還沒(méi)開過(guò)的礦泉水水平放在書桌上，如圖6所示.可以觀察到上面有一個(gè)小氣泡，讓學(xué)生先思考：當(dāng)?shù)V泉水瓶突然向前加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣泡相對(duì)水瓶向哪里運(yùn)動(dòng)？突然停下來(lái)呢？

圖6 礦泉水瓶水平放置

大多數(shù)學(xué)生都認(rèn)為：氣泡由于慣性，突然加速時(shí)，氣泡向后運(yùn)動(dòng)，突然停下來(lái)時(shí)，氣泡向前運(yùn)動(dòng).接下來(lái)同桌兩人一組發(fā)一瓶沒(méi)開過(guò)的礦泉水，體驗(yàn)這個(gè)過(guò)程.一個(gè)同學(xué)做，另一個(gè)同學(xué)觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.同學(xué)們記錄到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象恰恰相反：礦泉水瓶突然加速時(shí)，氣泡向前運(yùn)動(dòng)，突然停下來(lái)時(shí)，氣泡向后運(yùn)動(dòng).這個(gè)情景激發(fā)了學(xué)生強(qiáng)烈的認(rèn)知沖突，學(xué)生已經(jīng)自發(fā)的開始交流討論了，教師此時(shí)只需順?biāo)浦郏寣W(xué)生討論解釋為什么實(shí)際的現(xiàn)象是這樣的呢？