基于真實(shí)情境促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計(jì)

徐鵬

【摘要】本文以“超重和失重”為例，在教學(xué)過程中創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，引導(dǎo)學(xué)生逐步進(jìn)入深度學(xué)習(xí)，發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，最終實(shí)現(xiàn)學(xué)科育人.

【關(guān)鍵詞】高中物理；深度學(xué)習(xí)；核心素養(yǎng)

瓊·萊夫和艾蒂納·溫格在《情境學(xué)習(xí)：合法的邊緣性參與》一書中指出：學(xué)習(xí)是情境性的，它在很大程度上是環(huán)境的產(chǎn)物，在這個(gè)環(huán)境中，最有效的學(xué)習(xí)方式是與“實(shí)踐共同體”中的專家和新手一起協(xié)作.《中國高考評(píng)價(jià)體系說明》指出情境是實(shí)現(xiàn)“價(jià)值引領(lǐng)、素養(yǎng)導(dǎo)向、能力為重、知識(shí)為基”的綜合考查的載體.2019年《新時(shí)代推進(jìn)普通高中育人方式改革的指導(dǎo)意見》指出要深化課堂教學(xué)改革，積極探索基于情境、問題導(dǎo)向的課堂教學(xué)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的情境體驗(yàn).

通過真實(shí)情境下的問題鏈設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生深度思考，自主構(gòu)建超重和失重的概念，在教師的指導(dǎo)下運(yùn)用牛頓第二定律和牛頓第三定律，自主構(gòu)建超重和失重的規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)從教師的“教”到學(xué)生的“學(xué)”的轉(zhuǎn)變過程.

1 創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，調(diào)動(dòng)已有認(rèn)知

物理教學(xué)中熟悉情境的構(gòu)建是為了引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，啟動(dòng)思維內(nèi)驅(qū)力.

教師放映在運(yùn)動(dòng)電梯中拍攝的視頻，視頻中只有一個(gè)電子秤和秤上的一個(gè)物塊，隨著電梯開始運(yùn)動(dòng)，學(xué)生觀察到電子秤的示數(shù)發(fā)生了明顯的變化：先變大后變小.

視頻放映后，又拿出一個(gè)體重計(jì)，將體重計(jì)的示數(shù)用手機(jī)投屏到屏幕上，讓一個(gè)學(xué)生先蹲在體重計(jì)上，然后再站起來.學(xué)生同樣觀察到了體重計(jì)的示數(shù)變化：先變大后變小.

一個(gè)運(yùn)動(dòng)的電子秤，一個(gè)靜止的體重計(jì)，同樣的示數(shù)變化，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)這兩段情境的引入也為視重概念做了鋪墊.

最后，教師拿出一個(gè)盒子，盒子里裝有一塊重物，用一根拉緊的彈簧將重物和盒子壁上的掛鉤連在一起.由于摩擦力作用，重物保持靜止?fàn)顟B(tài)，如何不接觸重物讓彈簧拉動(dòng)重物并解釋其原理，如圖1所示.

設(shè)計(jì)意圖 電子秤、體重計(jì)和隔空拉物這一系列情境素材的構(gòu)建，在激發(fā)學(xué)生探索欲望的同時(shí)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的淺層次知識(shí)結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生從物理學(xué)的視角觀察生活，從被動(dòng)學(xué)習(xí)變成主動(dòng)探索事件背后的規(guī)律，關(guān)聯(lián)物理學(xué)科核心素養(yǎng)，開啟逐步遞進(jìn)的深度學(xué)習(xí)過程.

問題 日常生活中如何使用電子秤進(jìn)行測量？

電子秤的原理：物體放在秤盤上時(shí)，壓力施加給傳感器，電子秤的示數(shù)稱為視重，反映了物體對(duì)電子秤的壓力大小.

讓學(xué)生從電子秤的測量入手區(qū)別視重和重力的概念，為接下來的進(jìn)一步深度研究打好基礎(chǔ).

為了方便研究電梯的運(yùn)動(dòng)過程，教師拍攝了電梯上升及下降的兩組視頻，在視頻中同時(shí)顯示電梯面板和電子秤的示數(shù).

可以觀察到在電梯上升過程中，電子秤的示數(shù)先變大，然后不變，最后變小.而在電梯下降過程中，電子秤的示數(shù)先變小，然后不變，最后變大.電梯內(nèi)的視頻和觀光電梯視頻相比較，因?yàn)橛屑^顯示電梯的運(yùn)動(dòng)方向，更簡便直觀，也更貼近學(xué)生平時(shí)的生活情境.

教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)電梯的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行自主建模和受力分析.學(xué)案表格設(shè)計(jì)如表1.

2 引導(dǎo)深度探究，構(gòu)建核心概念

活動(dòng)1 根據(jù)視頻截圖，選取研究對(duì)象，進(jìn)行受力分析，標(biāo)出加速度的方向，再結(jié)合電梯的運(yùn)動(dòng)方向判斷電梯的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).

設(shè)計(jì)意圖 ?根據(jù)電梯中的受力分析，建立超重與失重的物理模型，完成深度學(xué)習(xí)中地解決問題所需的核心概念.根據(jù)教師的已有方案，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的整理，得到初步結(jié)論，在深度學(xué)習(xí)中，學(xué)生的科學(xué)探究能力也獲得相應(yīng)的發(fā)展.通過教師指導(dǎo)學(xué)生完成對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)師生的深度互動(dòng)，這是實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)的基本保障.在師生的互動(dòng)過程中，教師既要放手讓學(xué)生有自主空間，也要主導(dǎo)深度學(xué)習(xí)的進(jìn)程，最終促進(jìn)學(xué)生思維的進(jìn)階式發(fā)展.

經(jīng)過本輪分析，學(xué)生理解超重與失重的物理核心概念，通過探究總結(jié)超重與失重現(xiàn)象與什么有關(guān)，并在真實(shí)情境中應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律分析了超重和失重現(xiàn)象的動(dòng)力學(xué)原因，切實(shí)感受到電梯上升及下降過程均存在超重和失重現(xiàn)象，從而深入理解了超重和失重現(xiàn)象的本質(zhì).

當(dāng)我們從視頻中發(fā)現(xiàn)并分析了超重和失重現(xiàn)象后，需要用實(shí)驗(yàn)來進(jìn)一步驗(yàn)證.彈簧測力計(jì)、電子秤和傳感器的實(shí)驗(yàn)主要是通過提起或放下測力計(jì)，觀察示數(shù)的變化.這個(gè)實(shí)驗(yàn)存在的主要問題是彈簧測力計(jì)和電子秤在運(yùn)動(dòng)過程觀察困難.為此，選擇家用電子體重計(jì)，手機(jī)傳感器為演示實(shí)驗(yàn).

活動(dòng)2 ?讓學(xué)生觀察自己在體重計(jì)上蹲下和站起來時(shí)，體重計(jì)和手機(jī)傳感器的示數(shù)變化，并作出分析.

設(shè)計(jì)意圖 ?讓學(xué)生積極參與研討和交流是實(shí)施深度學(xué)習(xí)的關(guān)鍵環(huán)境.在學(xué)生共同參與的學(xué)習(xí)環(huán)境中，由于身份、年齡、認(rèn)知能力及思維方式的相近，同伴之間更容易相互溝通和分享，對(duì)問題思考的不同角度也可以相互啟發(fā).在這種學(xué)生間的深度互動(dòng)中，原本被動(dòng)的學(xué)習(xí)任務(wù)變成學(xué)生主動(dòng)地學(xué)習(xí)思考，在深度參與、深度研討、深度交流中將獲得高度體系化的知識(shí).

在科學(xué)技術(shù)日益發(fā)展的時(shí)代，集成了各類傳感器的手機(jī)功能完全可以應(yīng)用在物理教學(xué)中.Phyphox軟件結(jié)合希沃白板的投屏功能就可以將手機(jī)屏幕顯示在教室電腦上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)展示.通過測量加速度（不含g）的功能，做下蹲和起立，從數(shù)據(jù)得到加速度方向與超重失重的關(guān)系，如圖2和圖3所示.

活動(dòng)3 讓彈簧拉動(dòng)重物并解釋其原理

確定研究對(duì)象，進(jìn)行受力分析，在彈簧拉力不變的情況下，將重物拉動(dòng)需要減小最大靜摩擦力，整個(gè)過程中動(dòng)摩擦因數(shù)不變，因此需要減小正壓力（視重），即當(dāng)盒子處于失重狀態(tài)下，重物可以被拉動(dòng).

設(shè)計(jì)意圖 挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)任務(wù)的設(shè)計(jì)是學(xué)生進(jìn)入深度學(xué)習(xí)的必要條件.學(xué)生在完成挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)任務(wù)的過程中，加深對(duì)知識(shí)的理解，能夠把所學(xué)的知識(shí)遷移應(yīng)用到實(shí)踐中，從而構(gòu)建新的認(rèn)識(shí)、思路和方法，最終實(shí)現(xiàn)了學(xué)生和任務(wù)的深度互動(dòng).

教師 失重現(xiàn)象中，失重小于重力，即FN=mg-ma，如果a=g，則失重為零.

教師將彈簧測力計(jì)和手機(jī)固定在一起，測力計(jì)下懸掛一個(gè)重物，如圖4所示，當(dāng)突然松手后，重物只受重力作用，其加速度為重力加速度，可以看到彈簧測力計(jì)的示數(shù)變?yōu)?，此時(shí)彈簧測力計(jì)對(duì)懸掛物完全沒有作用力，引出完全失重的概念.

活動(dòng)4 將一個(gè)裝滿水的礦泉水瓶握在手上豎直向上拋出和豎直向下拋出.

把超重現(xiàn)象和失重現(xiàn)象進(jìn)行了全方位的實(shí)驗(yàn)演示.還可以配合手機(jī)拍攝視頻的慢動(dòng)作功能將演示實(shí)驗(yàn)的全過程現(xiàn)場拍攝，然后在屏幕上回放，這樣瓶身側(cè)壁水噴的遠(yuǎn)近距離以及有沒有水流出可以看得更加一目了然.

拋水瓶活動(dòng)是演示失重現(xiàn)象的一個(gè)常規(guī)實(shí)驗(yàn).將一個(gè)塑料礦泉水瓶的瓶蓋和瓶身下部側(cè)壁各扎一個(gè)小孔，裝入一定量的水后，水就會(huì)從瓶身下部的小孔噴出，而當(dāng)瓶子自由下落時(shí)，瓶中的水處于完全失重狀態(tài)，所以水就不會(huì)再流出.教師將拋水瓶活動(dòng)進(jìn)行一定深度的拓展，選取了豎直上拋、豎直下拋和斜拋運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

活動(dòng)5 讓學(xué)生討論如果將一個(gè)裝滿水的礦泉水瓶從教室的一側(cè)扔到教室的另一側(cè)，沿途有沒有水流出？

活動(dòng)5是拋水瓶實(shí)驗(yàn)的收官之筆——斜拋運(yùn)動(dòng)，相對(duì)于自由落體運(yùn)動(dòng)而言，這個(gè)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的置空時(shí)間更長，其所起到的震撼效果也更強(qiáng).這一系列的演示實(shí)驗(yàn)從豎直上拋運(yùn)動(dòng)到豎直下拋運(yùn)動(dòng)，最后斜拋運(yùn)動(dòng)，幫助學(xué)生進(jìn)一步理解了超重和失重現(xiàn)象.

3 結(jié)語

本節(jié)課的教學(xué)，以超重與失重模型的建構(gòu)為主線，以牛頓運(yùn)動(dòng)定律為知識(shí)載體，以發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)為目的，最終實(shí)現(xiàn)深度建模.學(xué)生在真實(shí)情境中掌握物理核心概念，提升思維水平，從被動(dòng)的信息加工者變成主動(dòng)的實(shí)際問題解決者，為終身學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ).

【基金項(xiàng)目：江蘇省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃課題“指向?qū)W科育人的高中物理生命課堂的研究與實(shí)踐”（課題編號(hào)：C-c/2021/02/51）階段性研究成果】

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