追求高中物理深度學習的逆向教學設計

摘 要：高中物理深度學習是對新、舊物理概念的理解和整合，學生運用批判性思維進行知識遷移，能有效促進溝通和協作能力的養成。深度學習是形成高中物理核心素養的基本途徑，是逆向教學設計的目標和有效教學的深刻體現。以學生為中心，以“動量定理”為例提出相應教學策略：對比實驗，激發學習熱情；拓展延伸，提升安全意識；問題導向，引導情境創設；驗證實驗，明晰定理應用；回顧歷史，感受概念演變；開放教學，體驗實踐探索。

關鍵詞：深度學習；逆向教學；動量定理

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）12-0031-4

傳統教學設計往往側重于教師想講授的內容。而逆向教學設計則首先基于學情來明確預期的學習結果：以學生為教學主體，制訂適合學生且具有可行性的學習結果。隨后，根據設定的預期結果，在教學活動前建立評估證據：設計多種形式的評估任務來收集評價證據，并以此設立評價標準。最后，根據預期結果和評估證據來設計學習任務，規劃教學計劃。總之，逆向教學設計分為三個階段：階段１——預期結果：堅持成果導向和知識遷移，以學生的認知為前提，預設學習結果；階段２——評估證據：通過課前、課堂以及課后表現等證據進行學習評估；階段３——學習計劃：從教師的目標和學生期望的結果出發，逆向設計并應用到學生的課堂學習中［１］。

１ 基于深度學習的逆向設計

采用ＵbＤ理論開展教學設計，助力學生實現高中物理的深度學習。表１為基于ＵbＤ理論的“動量定理”逆向設計［２－３］。

２ 基于深度學習的教學實施策略

２．１ 對比實驗，激發學習熱情

教學片段１：在“動量定理”的導入環節中，引入生雞蛋在空中掉落的場景，并進行兩組實驗。第一組實驗將生雞蛋置于無海綿的頭盔中，用不透明的布包裹頭盔進行視野遮擋，于空中釋放；第二組實驗將生雞蛋置于有海綿的頭盔中，同樣用不透明的布包裹頭盔，于空中釋放。猜測這兩組實驗中的生雞蛋最終是否破碎？

學生猜測：有的認為生雞蛋都會破碎；有的認為置于無海綿頭盔中的生雞蛋會破碎，置于有海綿頭盔中的生雞蛋不會破碎。

教學意圖：設計對比實驗，培養學生的對比意識，為學生的認識提供更直觀的事實依據。通過創設貼近學生生活的實驗，激發學生學習的熱情。

２．２ 拓展延伸，提升安全意識

教學片段２：生活中，電動自行車已成為大眾短途出行的首選，但不佩戴安全頭盔或者不正確佩戴安全頭盔的情況普遍存在。在新課導入環節，將雞蛋置于有海綿的安全頭盔中，雞蛋未破碎。以此為例提醒學生在騎電動車上路時要正確佩戴安全頭盔。

教學意圖：在教學過程中，滲透相關安全知識，以幫助學生更有效地形成安全意識，從而達到安全教育的目的。

２．３ 問題導向，引導情境創設

教學片段３：物體發生碰撞后，動量發生變化。那么，誰是引起動量變化的原因？教師引導學生簡化問題，創設情境（圖1）。

情境：假設一質量為m的物體在光滑的水平面上受到恒力F的作用，做勻變速直線運動。在初始時刻，物體的速度為v，經過一段時間Δt后，物體速度變為v'。

基于此情境提出問題“誰是引起動量變化的原因”，此時學生已經能夠很好地理解教師的問題，深思熟慮后，就能快速得出正確結論。

教學意圖：在高中物理教學過程中，教師要以解決問題為導向，培養學生將復雜問題合理簡化的思維方法，并引導學生創設簡化的情境。

２．４ 驗證實驗，明晰定理應用

實驗１：將力傳感器的感應端口豎直向下固定于鐵架臺上，細繩一端緊綁住熟雞蛋，另一端懸掛于感應端口（圖2），將數據采集器和傳感器相連并接入計算機。打開ＤＩＳLａｂ實驗軟件中的“通用軟件”，設置數據采集的時間間隔為０．０１ ｓ，將雞蛋豎直提升一定高度后靜止釋放，記錄傳感器從有力（雞蛋自由落體結束）開始到受力首次最大（雞蛋速度為０）時的信息［4］，再通過計算機軟件計算出該時間段拉力的沖量IT。

規定豎直向下為正方向，當傳感器有受力時，速度為v=；當傳感器受力首次最大時，v=0。根據動量定理

mgt-IT = 0-mv

通過多次實驗，總結出實驗數據（表2、表3）。

反思：實驗存在一定的誤差，分析造成誤差的幾個原因：

（１）繩子繃緊時，力傳感器發生晃動；

（２）雞蛋被提升的高度與２０ ｃｍ有偏差；

（３）作用時間的框選，通過軟件積分得出拉力沖量的過程，都可能存在誤差。

結論：在實驗誤差范圍內，變力情況下的動量定理同樣成立。

設計意圖：通過理論探究理解合力沖量的求解方法，而實驗探究則更直觀地驗證了變力下的動量定理。通過理論推導和實踐探究相結合，引導學生揭示動量定理的適用條件。

實驗２：用橡皮繩替換細繩，再做相同的實驗操作。讓質量相同的雞蛋重做相同高度下落的自由落體運動，控制動量的變化量相同［5］。采集傳感器受力大小隨時間變化的信息，并從中提取拉力峰值和作用時間（表４）。

比較兩組實驗的作用時間發現，橡皮繩作用時間更長，而拉力峰值相對細繩要小，因此，可以通過延長時間來起到緩沖作用。再讓學生談談生活中的緩沖現象，并拋出問題讓他們思考如何解決該問題。例如，相同條件下，如何用鐵錘更有效地將釘子敲進木頭里？

設計意圖：借助相同實驗器材，引導學生形成資源利用最大化的觀念。同時，通過理解緩沖現象的原因，引導學生運用緩沖知識來解決實際問題。

２．５ 回顧歷史，感受概念演變

回顧動量概念的建立過程：它是在量度物體運動的研究中引入并逐步發展的。學生通過了解科學家對量度運動的探索歷程（圖3），學習科學家的探究方法和探索精神，感受一個物理概念的演變過程。

２．６ 開放教學，體驗實踐探索

課程最后，給學生創設一個課題“如何設計一個實驗，讓從高處靜止釋放的雞蛋在落地后不碎”。學生提出實驗方案：

學生１：給雞蛋綁上降落傘，降低雞蛋落地前的動量，減少動量變化量。

學生２：在地面附近拉開一塊布片，讓雞蛋落在布片上，增加緩沖時間；

學生３： ……

設計意圖：通過實驗培養學生的探索精神和科研能力，將理論運用于實踐。學生在含有諸多變數的實驗中感受不完美，經過深刻反思后調整實操，最終達成目標，為形成嚴謹的思維和較強的動手能力打下基礎。

３ 結 論

逆向教學設計為教師提供了一種以“學生為中心”的教學理念，也就是教學從教師主體向學生主體轉變，從首要思考教什么和怎么教向考慮學生要實現什么樣的學習結果轉變。瞄準學生深度學習的培養方向，先制訂預期學習結果，接著設計評估證據去全面評估學生是否取得了相應的學習成果，最后進行教學設計。這樣才能形成更適合學生需求的教學行為，從而實現對學生更為有效的教學。

參考文獻：

［１］格蘭特·威金斯，杰伊·麥克泰格．追求理解的教學設計（第二版）［Ｍ］．閆寒冰，宋雪蓮，賴平，譯.上海：華東師范大學出版社，２０17．

［２］任虎虎．指向物理深度學習的逆向教學設計與實施——以“變壓器”教學為例［Ｊ］．教學月刊·中學版（教學參考），２０２０（６）：12-16．

［３］任虎虎．指向物理觀念的逆向設計與實施策略——以新教材必修１“超重和失重”教學為例［Ｊ］．物理教師，２０２１，４２（７）：23-26．

［4］金偉．變力作用下動量定理的實驗驗證［Ｊ］．中學物理教學參考，２０２１，５０（２）：６２－６３．

［5］李炳楠．動量定理實驗的創新設計［Ｊ］．中學物理教學參考，２０２０，４９（７）：４４－４６．

（欄目編輯 鄧 磊）

收稿日期：2024-08-10

基金項目：浙江省玉環市教科規劃課題“ＳＥＣＩ理念下高中物理教學實踐研究”（２０２４ＹＧ０１６）。

作者簡介：李曉峰（１９９４－），男，中學二級教師，主要從事高中物理教學工作。