打造證據課堂從深度備課開始

姚秀偉 孫寶東 陳藝丹

(哈爾濱師范大學,黑龍江 哈爾濱 150025)

深度學習是培養學生核心素養的有效途徑之一,而深度學習是與深度教學分不開的．因此深度備課、深度教學是學生深度學習的前提和保障．

證據意識作為“科學思維”素養的核心要點之一,是學生形成核心素養的重要思維前提．證據課堂是培養學生證據意識的主陣地,而證據課堂的打造需要教師深度備課深度設計,所以打造證據課堂應從深度備課開始．本文以“多普勒效應”一課為例,討論通過深度備課打造證據課堂．

1 深度思考,基于事實證據選擇感知素材

很多經驗不足的教師習慣完全按照教材提供的素材和思路進行教學設計．但教材中并非所有素材都完全符合我們的教學實際,教師應有針對性地二次開發教材,使其變成實施中的教科書．[1]

圖1 教材中給出的感知實驗素材

人教版物理教材2003年版和2017年版(以下簡稱新教材)中給出的“多普勒效應”感知素材都包括一個生活實例(感受疾駛而過的汽車或救護車鳴笛音調變化)和一個演示實驗(如圖1快速轉動蜂鳴器,聽音調變化)．這兩個素材能否起到感知多普勒效應的作用,還需教師基于身邊資源和事實證據進行判斷,從而決定是否選用該素材．

考慮到汽車行駛時通常不鳴笛,所以新教材將“汽車鳴笛駛過”的素材改成了“疾駛而過的救護車”．[2]但是很少有學生感受過疾駛狀態與靜止狀態下救護車鳴笛音調的不同,無法進行對比“取證”,很難建立疾駛而過與音調變化之間的因果關系．所以此素材更適合留至鞏固規律時選用,而不適合作為建立規律的感知素材．

圖2 一種小型蜂鳴器

對于“快速轉動蜂鳴器”的感知實驗,為鑒別實驗的直觀性,筆者利用身邊的小型蜂鳴器(如圖2)進行了教材中的演示．實驗發現,無論是按教材方式轉動蜂鳴器,還是出于安全性考慮向下轉動,都能聽到明顯的音調變化,與蜂鳴器靜止時人耳聽到的恒定音調形成鮮明對比．為進一步獲取可分享的證據,用裝有頻率測量軟件的手機充當人耳,記錄了蜂鳴器轉動過程中手機接收的頻率變化．數據顯示,固定發聲頻率為3024 Hz的蜂鳴器圍繞手機轉動時,手機接收頻率在3041～3008 Hz之間．若采用新教材推薦方法,在幾米以外聽蜂鳴器轉動時的音調變化(本實驗最遠距離為8 m),模仿學生在不同位置觀察實驗,效果依然明顯,說明本實驗符合直觀性原則,可滿足全班學生觀測需要,且小型蜂鳴器固定在長桿上,實驗安全性可以保障．綜上,本實驗適合作為多普勒效應的感知素材．

2 深度設計,基于數據證據接近內容本質

作為感知實驗,轉動蜂鳴器的實驗呈現方式是否有利于學生對多普勒效應本質的感知呢?多普勒效應的關鍵是“波源與觀察者互相靠近或遠離”時“接收到的波的頻率發生變化”．蜂鳴器轉動實驗容易讓學生誤認為多普勒效應的出現與轉動有關,而不利于學生對“靠近或遠離”這一關鍵條件進行感知和理解．為了讓學生明晰蜂鳴器轉動其實是引起了波源與觀察者之間的“靠近或遠離”,還要另外做解釋,而且還會牽涉二者之間的垂直運動,而垂直運動引起的多普勒效應在高中階段是不討論的．由此可見,轉動蜂鳴器的實驗呈現方式對于高中階段的學習來說,包含了一些干擾規律理解的無關因素．為避免上述干擾,可將蜂鳴器轉動變成平動,讓學生分別感受蜂鳴器靠近和遠離過程的音調變化,輔以頻率測量．圖3為蜂鳴器相對手機(觀察者)靠近或遠離時,手機接收到的頻率變化．若保持蜂鳴器靜止,手機靠近或遠離,結果與圖3數據規律一致,體現了多普勒效應是運動相對性的結果．

圖3 手機接收到的蜂鳴器發聲頻率變化

通過數據證據,學生可將頻率變化與“靠近或遠離”建立直觀聯系,從而更接近多普勒效應的本質．

3 深度探究,基于雙重證據走出理解誤區

關于多普勒效應的本質,很多學生包括大學生往往存在這樣的理解誤區:在波源與觀察者之間相互靠近或遠離時,是距離變化導致接收到的波的頻率發生了變化,而認識不到相對運動才是多普勒效應的本質原因．通過深度探究獲取可視化證據,可以幫助學生更好地建立正確認識、走出理解誤區．在基于定性感知總結出多普勒效應的內容之后,增加深度探究,引導學生獲取和對比圖4實驗數據,直觀體驗蜂鳴器不動，手機在遠離或靠近蜂鳴器過程中,如果手機靜止,接收到的頻率將與蜂鳴器發出的頻率相同,而與距離遠近無關，從而讓學生理解多普勒效應的實質不是距離變化．

圖4 手機運動或靜止時手機接收頻率對比

在此基礎上,再利用教材中的模擬實驗進行理論探究,讓學生借助實驗數據和理論分析雙重證據走出理解誤區．同時培養學生的證據意識,促成深度學習．

4 深度呈現,基于證據體驗理解規律應用

從現象到規律,再到規律應用,是人類對科學的一般認識模式．[3]教材中以水下多普勒測速儀的照片創設真實情境,并用文字闡述了多普勒效應的幾種典型應用．利用教材資源可以順利完成多普勒效應應用部分的教學,并達成課標的內容要求．

但考慮到素養目標的落實,兼顧“學生基于證據和邏輯對問題作出合理解釋的意愿和能力”還有待提高的實際學情,規律應用部分可以繼續采取“打造證據課堂”的深度備課方式,利用圖5所示的自制裝置變教材上的靜態圖文情境為真實的動態演示情境,在真實問題的引領下,用圖5裝置呈現電磁波(微波)也具有多普勒效應的證據,再進一步演示頻率變化與運動速度之間的關系,讓學生基于證據體驗理解多普勒效應的應用原理,從而使規律應用有機成為規律建構的一部分,同時讓學生學會為自己的觀點提供證據支持,培養證據意識和證據思維,達成科學素養培養目標．在此基礎上,再過渡到以超聲波和光波為載體的多普勒效應的應用學習,學生則更容易完成知識的有意義遷移和系統建構,也更容易在遇到類似的情境時能有意愿有能力基于證據和邏輯對問題作出合理解釋,提高學生的科學思維和解決實際問題的能力．

總之,為打造證據課堂,培養學生的證據意識,教師在備課時就要有意識地基于證據選擇教學資源,將證據和邏輯融入教學環節和教學活動的設計,把發展學生科學思維和解決實際問題這兩個深度學習目標融入備課思考和教學設計中,用深度備課和深度教學幫助學生實現深度學習．

圖5 微波多普勒效應演示和測速裝置