核心素養視角下促進理解的逆向教學設計與實施
——以人教版“平拋運動”為例

談馬平

（蘭州新區舟曲中學，甘肅 蘭州 730087）

自教育部頒布了2017版的《普通高中物理課程標準》以來，物理教育教學進入了“學科核心素養時代”.物理學科核心素養主要包括“物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任”4個方面，是物理學科育人價值的集中體現.“如何培養學生的物理學科核心素養”是每一個物理教育工作者必須要面對的問題.物理學科素養培養的主陣地在物理課堂，物理課堂必須指向物理學科核心素養.華東師范大學課程與教學研究所所長崔允漷指出，建立素養目標體系，實施、教學、評一致的教學，是落實核心素養的有效途徑.[1]逆向教學設計為物理學科核心素養在物理課堂中的“落地生根”提供了可行途徑.下面以人教版“平拋運動”一節為例，進行逆向教學設計與實施，促進學生深度理解，培養高階思維.

1 促進理解

美國的兩位學者格蘭特·威金斯和杰伊·麥克泰格在《追求理解的教學設計（第二版）》[2]一書中提出了 “為理解而教”、“逆向教學設計”等富有變革精神的理念.“為理解而教”指教學的本質在于理解，學生在學習結束后，應該能夠知道、實踐和理解相關內容，并在表現和作品中體現出來.理解包含“習得知能、意義推斷、可遷移性”3個層級與“解釋、闡明、應用、洞察、神入、自知”6個側面.“逆向教學設計”強調“以終為始”，進行結果導向的教學模式.它分為“確定預期結果”、“確定合適的評估證據”、“設計學習體驗和教學”3個階段，實現“知識為本”的課堂向“素養為本”的轉變.

物理教學已經進入了“學科核心素養時代”.物理學科核心素養是物理學科育人價值的集中體現，是落實立德樹人的重要抓手.在一定程度上，促進理解是落實學科核心素養的基礎與前提，物理學科核心素養是促進理解的進階目標，兩者相輔相成.而理解的程度可以通過理解的6個維度與實作任務進行檢測，具有更強的操作性，可以顯性素養目標.理解每個側面的落實會促進物理學科核心素養的某個方面的達成，體現出可操作性、可遷移性、可檢測性.

物理學是研究物質結構、物質相互作用和運動規律的一門自然科學.核心素養視域下，物理學常常需要構建模型來認識事物的本質，需要運用數學語言來描述各物理量之間的關系，需要經過論證確立客觀物質的運動規律.[3]構建模型需要抓住事物的本質，運用實驗、判斷、類比、抽象、概括等科學方法，需要經過理解中的應用、洞察維度.運用數學語言來描述各物理量之間的關系，需要經過解釋、應用維度來數學推導.經過物理論證確定運動規律，需要經過解釋、闡明、應用、維度，最終達到神入、自知維度.總之，物理教學的發展需要促進深度理解，深度理解可以有效落實物理學科核心素養.

2 促進理解的逆向教學設計

教師是課堂教學的設計師，課堂教學的有效性取決于教學設計是否符合知識內在邏輯、教學邏輯、學生認知邏輯.激發學生繼續學習的興趣，突顯物理學科育人價值，是物理課堂的追求.“逆向教學設計”強調“以終為始”，進行結果導向的教學模式.它分為“確定預期結果”、“確定合適的評估證據”、“設計學習體驗和教學”3個階段，實現“知識為本”的課堂向“素養為本”的轉變.表1是基于UbD逆向設計模板對人教版“平拋運動”一節進行的教學設計.

表1 基于UbD逆向設計模板的“平拋運動”教學設計

3 “平拋運動”學習評價設計

學習要有學習評價任務，學習任務是檢測目標是否達成的載體.新課標倡導在情境中發現問題，在問題解決中發現新情境，進行知識、能力雙重遷移.所以設計了基于“目標+情境+問題”的學習評價，旨在將評價任務嵌入教學過程，促進教、學、評一致.

表2 基于“目標+情境+問題”的學習評價設計

4 促進理解的逆向教學實施環節

4.1 軌跡展示，抽象概括定義

學習是將新知識納入原有認知的，通過同化和順應，提高認知能力的過程，學習的起點應該是創設情境，激發學生學習的樂趣，引起思維反應的鏈條.所以這節課引入時，可以提出采用下面的過程.

體驗活動：用手水平拋出的小鋼珠做什么運動？用手水平拋出的紙飛機做什么運動？

實驗現象：用實物來演示，發現不同物體水平拋出運動形式不一樣，小鋼珠很快就落地，軌跡類似數學上的拋物線，而紙飛機的運動較為復雜.并且試驗多次，小鋼珠的軌跡幾乎一樣，而紙飛機的運動每次都不一樣，具有多變性.

分析解釋：紙飛機的運動比小鋼珠的復雜、多變，原因是空氣阻力的影響.小鋼珠收到的空氣阻力比較小，運動受重力影響大，重力是恒力，所以運動軌跡相似.而紙飛機受到的空氣阻力比較大，運動受重力和空氣阻力雙重影響，空氣阻力的變化較為復雜，所以運動每一次都不一樣.

建立模型：人類研究自然，大多都從最簡單的運動開始研究，而生活中的運動大多復雜，所以需要我們抓住主要本質方面的特點，忽略次要非本質方面，建立理想化模型.什么是平拋運動呢？以一定的速度將物體水平拋出，如果物體只受重力的作用，這時的運動叫做平拋運動.

4.2 第一性原理出發，矢量分解，建立物理模型

物理理論具有簡單美，教學過程也應該采用簡單化的原則，切莫復雜化，增加學生的認知負擔.平拋運動規律的形成應該從物理學中的第一性原理出發，簡潔地得出.所以，筆者建議下面的方法.

牛頓第二定律能解釋大自然存在的各種各樣的復雜的運動，當然也能應用到平拋運動中.具體應用過程如下.[4]

設平拋運動的物體受豎直向下的大小為mg的重力作用，初速度為v0.由牛頓第二定律，可列

F合與a都是矢量，矢量的分解遵循平行四邊形定則，有無數種分解方法，原則是選取有利于簡化計算或有物理意義的兩個方向進行分解.

以拋出點為坐標原點，v0方向為x軸正方向，以重力加速度的方向為y軸正方向，用正交分解法分解a得

水平方向：ax=0，vx=v0，x=v0t，

豎起方向：ay=g，

4.3 推理論證，建立數學模型

論證是由已有的正確的前提到被論證的結論的一連串的推理過程，推理論證能力是學生必須要具備的思維能力.所以在教學中應該多培養學生的論證能力.建立平拋運動的數學模型，正是培養論證能力的好機會，如圖1所示.

圖1

教學契機總是在教師示弱、學生追問中發現的.平拋運動的軌跡判斷正好是發展數學能力的契機，應該“趁熱打鐵”，繼續追問：如何求平拋運動的軌跡方程？學生經過思考后，不難發現：消去水平位移x=v0t與豎直位移中的時間t，就可以得到軌跡方程為結合數學中圓錐曲線的知識，軌跡是開口為y軸的拋物線.但是教師得引導思考“為什么可以消去時間t呢？”這是因為運動的分運動與合運動具有等時性，再一次升華認識，鞏固所學.

通過牛頓運動定律與矢量分解得到水平方向和豎直方向的速度、位移規律，再建構出平拋運動的數學模型，形成對平拋運動的“螺旋式”上升的認知.

4.4 實驗驗證，完成實作任務

物理是一門實驗和科學思維相結合的學科，物理教學中得突出實驗特征.經過第一性原理出發的理論演繹，再用實驗驗證，加深對平拋運動規律的認識，形成清晰穩定的思維.采用DIS數字信息系統研究平拋運動（圖2），計算機會繪制出平拋運動的軌跡（圖3）.觀察軌跡，分析數據，不難發現小球在水平方向做的是勻速直線運動，豎直方向是自由落體運動，符合之前的理論分析，實現理論與實驗的結合.

圖2 數字化研究平拋運動的裝置

圖3 計算機描繪平拋運動的軌跡

逆向設計認為，實作任務是評價學生是否達到持久性理解、靈活應用的恰當證據.實作任務強調，在真實的情境中解決問題，進行過程性與結果性雙重評價，培養模型建構、問題解決、學習遷移、科學論證等學科核心素養.因此，本節課設置了如下實作任務（見表3）.

表3 平拋運動的實作任務

4.5 情境遷移，引導上位學習

任何學習都是在學習者已經具有的知識結構和認知結構的基礎上進行的，新的知識、認知只有逐步嵌入在原有認知中，才會發生真正的學習.學生在知識遷移的過程中，習慣用的方法是類比.所以把學到的模型應用于相近的情境中，采用變式的形式理解所學概念、規律，是培養學生遷移能力的途徑之一.

學習了平拋運動的規律后，可以適當練習相近的變式題目，遷移到一般的拋體運動，達到舉一反三的效果.

變式1：以初速度v0水平拋出的物體，飛行一段時間后，垂直地撞在傾角為θ的斜面上，求物體飛行的時間.

變式2：AB為斜面，傾角為30°，小球從A點以初速度v0水平拋出，恰好落在B點，求小球在空中飛行的時間.

變式3：在傾角為θ的斜面頂端A處以速度v0水平拋出一小球，落在斜面上的某一點B處，設空氣阻力不計，求從拋出開始計時，經過多長時間小球離斜面的距離達到最大？

在物理教學中進行逆向教學設計與實施，從教、學、評三個維度落實物理教學，促進學生深度理解，實現物理學科核心素養在物理課堂中真正“落地”.