指向物理深度學(xué)習(xí)的逆向教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

任虎虎

摘 ? ?要：逆向教學(xué)設(shè)計(jì)倡導(dǎo)“以終為始”，即先確定預(yù)期結(jié)果，再確定合適的評(píng)估證據(jù)，最后才設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動(dòng)和體驗(yàn);強(qiáng)調(diào)基于基本問題和核心表現(xiàn)任務(wù)對(duì)大概念進(jìn)行意義建構(gòu)，遷移解決實(shí)際問題，達(dá)到對(duì)知識(shí)的深層次理解.

關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí);逆向教學(xué)設(shè)計(jì);變壓器

一、逆向教學(xué)設(shè)計(jì)和物理深度學(xué)習(xí)的內(nèi)涵

（一）逆向教學(xué)設(shè)計(jì)的內(nèi)涵

逆向教學(xué)設(shè)計(jì)注重“以終為始”，先確定預(yù)期結(jié)果，再確定合適的評(píng)估證據(jù)，最后設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動(dòng).倡導(dǎo)圍繞大目標(biāo)、大概念和基本問題組織課程內(nèi)容;圍繞可遷移應(yīng)用的真實(shí)性評(píng)估任務(wù)來(lái)設(shè)計(jì)和組織教學(xué)，以獲得對(duì)所學(xué)知識(shí)的深度理解，達(dá)到能解釋、能闡明、能應(yīng)用、能洞察、能移情和能自知六個(gè)維度.逆向教學(xué)設(shè)計(jì)要讓學(xué)生理解為什么要學(xué)習(xí)這些內(nèi)容，預(yù)期的學(xué)習(xí)目標(biāo)和表現(xiàn)是什么，學(xué)生根據(jù)反饋信息，重新嘗試和完善學(xué)習(xí)過程，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行自我評(píng)價(jià)和批判性反思.

（二）物理深度學(xué)習(xí)的內(nèi)涵

物理深度學(xué)習(xí)是指在物理學(xué)習(xí)過程中以高階思維、思維品質(zhì)為目標(biāo)，以深度理解為基礎(chǔ)，以整合的知識(shí)為內(nèi)容，經(jīng)過還原與下沉、經(jīng)驗(yàn)與探究、反思與上浮環(huán)節(jié)，讓學(xué)生全身心參與物理知識(shí)的發(fā)生與發(fā)展過程，浸潤(rùn)物理文化，并批判性地吸收和利用所學(xué)知識(shí)與方法解決真實(shí)問題的高投入學(xué)習(xí).

通過比較不難發(fā)現(xiàn)兩者都強(qiáng)調(diào)：深度理解和高階思維發(fā)展;遷移應(yīng)用和真實(shí)問題解決;意義建構(gòu)和批判性反思;基本問題和大概念形成;及時(shí)反饋和核心表現(xiàn)任務(wù).

二、指向物理深度學(xué)習(xí)的逆向教學(xué)設(shè)計(jì)

《追求理解的教學(xué)設(shè)計(jì)（第二版）》一書[1]提供了UbD（Understanding by Design）逆向教學(xué)設(shè)計(jì)框架，該框架共分為三個(gè)階段：階段1——預(yù)期結(jié)果;階段2——評(píng)估證據(jù);階段3——學(xué)習(xí)計(jì)劃.

表1是基于UbD逆向框架對(duì)人教版“變壓器”一節(jié)進(jìn)行的教學(xué)設(shè)計(jì).

三、指向物理深度學(xué)習(xí)的逆向教學(xué)實(shí)施過程

筆者依據(jù)深度學(xué)習(xí)理念和逆向教學(xué)設(shè)計(jì)框架，確定了“變壓器”教學(xué)的實(shí)施過程.

（一）情境與問題 ? 有效激發(fā)學(xué)習(xí)的熱情

【教學(xué)片段1】

提供一節(jié)家用的日光燈管和四節(jié)干電池與一個(gè)開關(guān).

師：大家觀察到什么現(xiàn)象？請(qǐng)說(shuō)一說(shuō).

生2：看到燈管會(huì)閃亮.

師：什么時(shí)候燈管會(huì)亮？再演示一遍，請(qǐng)大家仔細(xì)觀察.

生3：在開關(guān)閉合和斷開時(shí)燈管會(huì)閃亮，開關(guān)閉合穩(wěn)定后燈管不亮.

接下來(lái)利用一根鋼鋸條代替開關(guān)，原來(lái)連接開關(guān)一端的導(dǎo)線的夾子直接夾在鋼鋸條背上，讓連接開關(guān)的另一個(gè)導(dǎo)線的夾子在鋸齒上來(lái)回移動(dòng)，觀察到燈管斷斷續(xù)續(xù)發(fā)光.

師：說(shuō)明這個(gè)秘密元件有什么作用？

生4：說(shuō)明這個(gè)秘密元件在電流變化時(shí)能改變電壓.

師：導(dǎo)線的夾子在鋸齒上來(lái)回移動(dòng)對(duì)電路有什么影響？

生5：電路一會(huì)兒接通，一會(huì)兒斷開.

師：對(duì)此大家有什么疑惑嗎？

生6：為什么只有在電流變化時(shí)才能改變電壓？

【教學(xué)意圖】通過創(chuàng)設(shè)與學(xué)生生活緊密聯(lián)系的實(shí)驗(yàn)情境，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，基于對(duì)比實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生提出有研究?jī)r(jià)值的挑戰(zhàn)性問題.

（二）觀察與分析 ? 認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)和理解原理

【教學(xué)片段2】

四名學(xué)生組成一個(gè)小組，每小組提供一個(gè)可拆式變壓器，如圖2所示.

師：請(qǐng)仔細(xì)觀察并研究其主要結(jié)構(gòu)是什么.

生1：主要由一個(gè)閉合鐵芯和兩個(gè)彼此絕緣的線圈組成.

師：大家還有什么發(fā)現(xiàn)嗎？

生2：每個(gè)線圈上都有幾個(gè)不同的接線柱.

師：很好，這個(gè)代表不同的匝數(shù)，這里的2就代表200匝，還有嗎？

生3：從側(cè)面看，鐵芯（橫梁）是由一層一層疊加組成的.

師：大家觀察非常仔細(xì)，這是硅鋼片，待會(huì)我們介紹其作用.兩個(gè)線圈和一個(gè)鐵芯組成的變壓器是如何實(shí)現(xiàn)變壓的呢？請(qǐng)小組交流討論一下.

生4：一個(gè)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)通過另一個(gè)線圈，引起磁通量發(fā)生變化，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這是互感現(xiàn)象.

師：變壓器能改變恒定電流的電壓?jiǎn)?？為什么?/p>

生5：不行，因?yàn)楹愣娏鳟a(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)，不會(huì)引起另一個(gè)線圈的磁通量發(fā)生變化.

師：大家現(xiàn)在能不能解釋課前日光燈管發(fā)光的原因？

生6：因?yàn)殡娫词歉呻姵?，恒定電流，在開關(guān)閉合或斷開瞬間，電流才會(huì)變化，磁通量會(huì)變化，從而在副線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).

【教學(xué)意圖】通過學(xué)生的小組合作，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)已學(xué)知識(shí)——互感現(xiàn)象，解釋變壓器工作原理，與其結(jié)構(gòu)建立聯(lián)系，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)決定功能的觀念，也有助于評(píng)估學(xué)生對(duì)已學(xué)知識(shí)的掌握情況.

（三）實(shí)驗(yàn)與理論 ? 探究變壓器變壓規(guī)律

【教學(xué)片段3】

讓學(xué)生再觀察可拆式變壓器.

師：結(jié)構(gòu)決定功能，大家猜想變壓器的輸出電壓可能與哪些因素有關(guān).

生1：可能與變壓器的輸入電壓、原線圈匝數(shù)、副線圈匝數(shù)有關(guān).

師：輸出電壓與三個(gè)因素有關(guān)，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行研究呢？

生2：控制變量法.方案一：控制輸入電壓和原線圈匝數(shù)不變，研究輸出電壓和副線圈匝數(shù)的關(guān)系;方案二：控制原線圈匝數(shù)和副線圈匝數(shù)不變，研究輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系;方案三：控制輸入電壓和副線圈匝數(shù)不變，研究輸出電壓和原線圈匝數(shù)的關(guān)系.

師：根據(jù)提供的實(shí)驗(yàn)器材（學(xué)生電源、導(dǎo)線、滑動(dòng)變阻器、開關(guān)、兩個(gè)數(shù)字萬(wàn)用表）連接電路，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究.

由于時(shí)間關(guān)系，將12個(gè)小組分成三個(gè)大組，四個(gè)小組為一個(gè)大組，分別根據(jù)方案一、二和三進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，如圖3所示.將數(shù)據(jù)記錄

在導(dǎo)學(xué)單的表格中，并根據(jù)測(cè)量的五組數(shù)據(jù)在導(dǎo)學(xué)單中做出相應(yīng)的圖象.

師：請(qǐng)每個(gè)大組派一名代表上臺(tái)展示你們的研究結(jié)果以及得出的結(jié)論。

生1：我們小組發(fā)現(xiàn)在輸入電壓和原線圈匝數(shù)不變時(shí)，輸出電壓和副線圈匝數(shù)的圖象是一條過原點(diǎn)的傾斜直線，說(shuō)明輸出電壓和副線圈匝數(shù)成正比.

生2：我們小組發(fā)現(xiàn)在原線圈匝數(shù)和副線圈匝數(shù)不變時(shí)，輸出電壓和輸入電壓的圖象是一條過原點(diǎn)的傾斜直線，說(shuō)明輸出電壓和輸入電壓成正比.

生3：我們小組發(fā)現(xiàn)在輸入電壓和副線圈匝數(shù)不變時(shí)，輸出電壓和原線圈匝數(shù)的圖象是條曲線，有點(diǎn)像反比例函數(shù)圖象.

師：如何進(jìn)一步直觀地驗(yàn)證是不是反比例函數(shù)圖象？

生4：類比加速度與質(zhì)量的關(guān)系，可以作U2～[1n1]圖象.

學(xué)生作圖后發(fā)現(xiàn)在輸入電壓和副線圈匝數(shù)不變時(shí)，輸出電壓和原線圈匝數(shù)的倒數(shù)是一條過原點(diǎn)的直線，說(shuō)明輸出電壓和原線圈匝數(shù)成反比.

師：大家請(qǐng)將上面的內(nèi)容進(jìn)行歸納，得出輸出電壓的計(jì)算公式.

生5：U2=k[U1n2n1]

師：系數(shù)k等于多少呢？請(qǐng)大家根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)代入一組進(jìn)行計(jì)算.

不同小組得出的結(jié)果不同，k大概在0.88到0.94之間.

師：k到底是多少呢？大家不妨從理論角度進(jìn)行探究.

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律得出：

U1=n1[ΔφΔt]，U2=n2[ΔφΔt].

兩者相除得到：[U1n1]=[U2n2].

師：實(shí)驗(yàn)測(cè)出的系數(shù)k為什么不等于1呢？

生6：剛才我們小組在實(shí)驗(yàn)時(shí)，感覺線圈比較熱，說(shuō)明有能量損失.

師：很好，還有嗎？

生7：鐵芯也有點(diǎn)熱，有能量損失.

師：這是什么現(xiàn)象？

生8：渦流現(xiàn)象.

師：很好，為了減少渦流現(xiàn)象造成的能量損失，鐵芯采用硅鋼片制成，這就是大家前面發(fā)現(xiàn)的.接下來(lái)請(qǐng)大家將上面可移動(dòng)的鐵芯（橫梁）慢慢向左移開，通過數(shù)字萬(wàn)用表觀察輸出電壓變化，說(shuō)說(shuō)你得出的結(jié)論。

生9：觀察到輸出電壓慢慢減小，說(shuō)明鐵芯能夠傳遞磁場(chǎng).

生10：還有如果橫梁和下面的鐵芯接觸不良，就會(huì)漏磁，會(huì)造成k不等于1.

【教學(xué)意圖】通過實(shí)驗(yàn)探究和理論探究相結(jié)合，讓學(xué)生小組合作，并借助有效問題驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生揭示變壓器的變壓規(guī)律，并對(duì)實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差進(jìn)行分析，為建立理想變壓器模型打下基礎(chǔ).

（四）建模與應(yīng)用 ? 理解理想變壓器特點(diǎn)

【教學(xué)片段4】

接下來(lái)引導(dǎo)學(xué)生建立理想變壓器模型.

師：有電壓和電流，就有電能.原線圈輸入的電能和副線圈輸出的電能相等嗎？為什么？

生1：不相等，因?yàn)榫€圈和鐵芯有熱量損失，還有漏磁，所以輸入的電能（電功率）大于輸出的電能（電功率）.

師：生活中一般用的變壓器效率（=[P2P1×]100%）在90%以上，如果忽略銅損、鐵損和漏磁，其效率將達(dá)到100%，這是理想化模型，稱為理想變壓器.

師：理想變壓器有什么特點(diǎn)？

生2：P1=P2，[U1n1]=[U2n2].

師：根據(jù)這兩個(gè)公式還可以得出什么規(guī)律？

生3：[I1I2]=[n2n1].

師：很好.現(xiàn)在有一實(shí)際問題：在郊區(qū)經(jīng)常能看到很多高壓輸電線，高壓輸電線的電壓一般在幾十萬(wàn)伏特，為了保證用戶電壓穩(wěn)定和用電安全，需要檢測(cè)高壓輸電線的電壓，這么高的電壓如何測(cè)量其電壓和電流呢？

【教學(xué)意圖】基于分析抓住主要因素、忽略次要因素，幫助學(xué)生建立理想化模型.通過創(chuàng)設(shè)待解決的真實(shí)問題，引導(dǎo)學(xué)生將課堂上所學(xué)知識(shí)和方法靈活遷移到生活中，評(píng)估學(xué)生對(duì)物理知識(shí)和思維方法的理解程度，體會(huì)學(xué)習(xí)的價(jià)值和意義.

逆向教學(xué)設(shè)計(jì)框架為我們提供了一種全新的教學(xué)設(shè)計(jì)視角，其充分體現(xiàn)了以“學(xué)習(xí)者為中心”的思想，讓教師真正成為學(xué)生學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)師.逆向教學(xué)設(shè)計(jì)關(guān)注大概念、基本問題和有效評(píng)估，以及聚焦的、目標(biāo)清晰的學(xué)習(xí)計(jì)劃，能促進(jìn)對(duì)知識(shí)本質(zhì)的理解、知識(shí)結(jié)構(gòu)的意義聯(lián)結(jié)，達(dá)到深度學(xué)習(xí)的目的.

參考文獻(xiàn)：

[1]格蘭特·威金斯，杰伊·麥克泰格.追求理解的教學(xué)設(shè)計(jì)（第二版）[M].閆寒冰，譯.上海：華東師范大學(xué)出版社，2017：23.