以深度學習為階梯落實學科核心素養(yǎng)

惠廣俊

摘 ? 要：在分析深度學習的特征與表現基礎上，對照核心素養(yǎng)要素的剖析解構，以“伽利略對自由落體運動的研究”為例，深至社會歷史實踐，深至學生心靈，培育學生的物理觀念、科學思維、科學探究及科學態(tài)度與責任。

關鍵詞：深度學習;核心素養(yǎng);社會歷史實踐

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2020）6-0008-4

1 ? ?深度學習的內涵

深度學習是提升學生核心素養(yǎng)的有效途徑。按照北京師范大學郭華教授對深度學習的說法：“深度學習就是指在教師引領下，學生圍繞著具有挑戰(zhàn)性的學習主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發(fā)展的有意義學習過程?！盵1]

1.1 ? ?深度學習的主要特征

深度學習的主要特征有：（1）深度學習聚焦學生學習的體驗性、科學思維發(fā)展和創(chuàng)新思考問題。（2）深度學習是幫助學生有意義地建構學科基本觀念、學會學科基本研究方法的過程。（3）深度學習需要教師對學生學習的一定引領。

1.2 ? ?深度學習的“深”之表現

（1）深至社會歷史實踐，深至學生的科學態(tài)度與責任，深在學生的精神境界與觀念。（2）深在研究學科系統(tǒng)結構、學科特點和學習規(guī)律。（3）深在激發(fā)學生的積極投入與創(chuàng)新發(fā)展。（4）深在學生通過主體深度加工的學習活動把握知識本質。

2 ? ?核心素養(yǎng)要素

物理核心素養(yǎng)圍繞立德樹人根本任務要求，體現物理課程的育人功能，表現在物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任的發(fā)展四個方面。物理觀念是整個課程學習過程逐步累積深化形成;科學思維的發(fā)展是科學認知發(fā)展的核心，是指利用歸納或演繹等方法對自然界及其規(guī)律進行判斷和推理的過程;科學探究包括猜想假設、問題證據等特征;科學態(tài)度與責任主要指實事求是，能夠正確認識科學本質。

“伽利略對自由落體運動的研究”這節(jié)課，表面看起來是學習物理學史，實質是落實物理學史背后的具生長性的核心素養(yǎng)。伽利略的整個研究過程，既有質疑創(chuàng)新、科學推理的科學思維，又含科學探究的豐富要素，更有向權威挑戰(zhàn)、基于證據和邏輯勇敢表達見解的科學態(tài)度與責任。顯然，本節(jié)內容應以“史”之名，行“核心素養(yǎng)”之實，之間聯系的橋梁即“深度學習”。

3 ? ?深度學習設計策略

深度學習設計的重點在于一節(jié)課的知識目標與素養(yǎng)目標是基于什么因素來確定的？每個教學環(huán)節(jié)設計的問題情境與學習活動分別對應哪個目標？學習的素養(yǎng)目標深至哪一層級的水平劃分？學生已經學習了自由落體運動的規(guī)律，本節(jié)課的目的也不是簡單地告訴學生伽利略當年用了什么方法進行研究。教學重點是伽利略為什么開展這個研究，他怎么開展這個研究，用了什么方法克服困難完成研究，當今教室里用什么方法進行研究，現代科技支撐下對該問題研究的發(fā)展和展望是什么。通過深度挖掘伽利略對研究方法的創(chuàng)新性，挑戰(zhàn)亞里士多德理論正確與否及對落體運動規(guī)律的猜測、推導、實驗驗證的嚴謹思維過程，辯證性看待“亞伽”之爭和科學的發(fā)展，促進學生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

3.1 ? ?深至社會歷史實踐，培養(yǎng)科學思維的核心素養(yǎng)

模型建構、科學推理、科學論證和質疑創(chuàng)新是科學思維核心素養(yǎng)的基本要素。

3.1.1 ? ?結合“佯謬”推理，培育科學推理和質疑創(chuàng)新素養(yǎng)

使用恰當的證據表達自己的觀點，對已有的觀點提出質疑，“佯謬”推理就是一個有效的途徑?！把鹬嚒蓖评碇匾曔壿嬎季S，邏輯思維是一種基于經驗或理論進行的有條理、有根據的思維，通過分析比較、抽象概括等思維過程，根據證據進行判斷、推理等方式，歸納或演繹，肯定或否定事物的本質特征和規(guī)律性聯系，是學生物理學習中認識自然界和物理規(guī)律的重要認知方式。

活動1 ?伽利略關于落體快慢因素的推理

教師提出“如果你是伽利略，如何從科學推理的角度對亞里士多德的觀點提出質疑呢”，由此將學生推向社會歷史實踐的模擬場景，深度激發(fā)學生心靈，全身心投入主動學習。圖1以問題引領，給出了其中一條思維路徑，在課堂實踐中，學生的思維路徑豐富多元，體現質疑創(chuàng)新素養(yǎng)。

活動2 ?伽利略關于落體運動性質的推理

1. 伽利略堅信自由落體運動是一種簡單的加速運動，即速度是均勻變化的。他考慮了兩種可能，其中一種是速度隨位移均勻變化，即v∝x，另一種是速度隨時間均勻變化，即v∝t。

2. 你能否按照伽利略猜測的速度隨位移均勻變化繪制v-x圖像？

第一個活動中用亞里士多德的矛攻其之盾，在邏輯推理中引發(fā)學生的認知沖突，學生通過分析認識到“物體越重下落越快”的觀點是錯誤的?？墒顷P于“佯謬”推理不應止步于此，學生可能會產生“兩個相同重的物體下落快慢是一樣的”的錯誤觀點。用一片紙和同質量的紙團下落的對比實驗可以深度剖析亞里士多德觀點錯誤的原因，促進學生建立科學、正確的解釋：“由于空氣阻力的原因，影響了物體下落的快慢?！?/p>

第二個活動中，學生根據所繪制的v-x圖像（圖2），發(fā)現圖像的斜率是時間的倒數，而且居然是一個恒定數值。這顯然是非?；闹嚨?。因為時間是不可能停止的，也就理解了這種猜測的錯誤。

3.1.2 ? ?“轉換”變量研究，培育模型建構和科學推理素養(yǎng)

活動3 伽利略轉換“不可能的測量”為“可能的測量”

伽利略當年在研究落體運動時遇到了巨大的困難，可他沒有在困難面前止步，而是創(chuàng)造性地用“轉換”的方法，解決了一個個難題，不僅確立了許多用于描述運動的基本概念，更重要的是促進了“科學思維方式”和“科學研究方法”的形成與發(fā)展，打開了近代科學的大門。他是怎么把“不可能”變?yōu)椤翱赡堋辈崿F的呢？

轉化1：直接轉化為間接。伽利略堅信科學的“簡潔”之美，在猜想下落速度v∝t后，他需要用證據證明自己的猜想是否正確?？墒窃诋敃r的年代，他遇到速度測量的技術困難，怎么辦呢？根據《物理學史》的記載，他創(chuàng)新性地利用如圖3數形變換的處理方法，利用圖示推導出面積表示位移x，得出了若v∝t，則x∝t2的結論，巧妙地把速度v的測量轉化為間接的下落距離x的測量，把v-t的關系研究轉化為x-t的關系研究。

轉化2：豎直落體研究轉化為斜面實驗研究。在伽利略時代，簡陋的計時工具無法精確測量自由落體運動所用的時間。伽利略不是單純在增加下落高度上下功夫，而是轉換角度在減緩下落的速度、延長下落的時間上想辦法。他創(chuàng)新地利用斜面“沖淡”重力實驗，巧妙地將豎直方向上的落體實驗轉化為斜面上的下落運動。當然，他大膽地猜想到這兩種運動性質是一樣的，才有了后面的合理外推斜面傾角不斷增大，直到傾角變?yōu)?0°。

轉化3：計時測量轉化為質量測量。伽利略需要自己發(fā)明相對精確些的計時工具，脈搏計時、節(jié)拍計時都試用過但不夠理想，最后他創(chuàng)新發(fā)明了能相對較準確計時的“水鐘”——“用了一個架在高處的大水桶，在桶底安一個小細管讓細小水流能流出，在每次銅球滾下的時間內都用一個杯子接下流出的水，然后用精確的秤稱出杯內水的重量，各次水的質量的差別或倍數就給出了各次銅球滾下所用的時間差或倍數。” [2]

3.2 ? ?“繼承與發(fā)展”對比，培育基于證據的科學探究素養(yǎng)

深度學習的課堂中，教師要帶領學生站在歷史的高度，認識“繼承—突破—再繼承—再突破”的循環(huán)螺旋發(fā)展，認識到事物由“肯定—否定—否定之否定—……”的辯證發(fā)展、永恒發(fā)展的前進過程，認識到科學發(fā)展永遠不會終止步伐的真諦。

活動4 關于落體運動快慢認知發(fā)展的整體設計思路

環(huán)節(jié)1：

亞里士多德的錯誤結論：基于現象觀察和直覺思維。

環(huán)節(jié)2：

伽利略的創(chuàng)新研究：敢于創(chuàng)新思考，落體佯謬推理、斜面實驗驗證，轉換測量變量、合理外推;提出問題，作出假設并制訂科學探究方案，基于實驗數據分析驗證猜測，發(fā)現規(guī)律。

環(huán)節(jié)3：

教室里的體驗：兩張紙片實驗、錢毛管實驗，提煉出影響落體下落快慢的因素——摩擦力。抓住主要因素，忽略次要因素，建立物理模型分析問題。

環(huán)節(jié)4：

教室里的實驗探究：時代與科技迅猛發(fā)展，如今在教室里可以用哪些實驗器材和裝置驗證伽利略當年對自由落體運動規(guī)律的猜想？

學生方案一：打點計時器法，用重錘帶紙帶自由下落，計算紙帶上計時點的瞬時速度，利用描點法畫出速度與時間的v-t圖像，形象、直觀地尋找自由落體運動的規(guī)律。

學生方案二：打點計時器法+伽利略的斜槽實驗，讓小車替換小球，小車帶著紙帶在傾斜的軌道上下滑，用描點法畫出速度與時間的v-t圖像，形象、直觀地尋找自由落體運動的規(guī)律。不斷改變斜槽傾斜角度，畫v-t圖像，把伽利略當年的合理外推變?yōu)閷嶒炇聦崱?/p>

學生方案三：位移傳感器法，讓小車替換小球，小車帶著位移傳感器在傾斜的軌道上下滑，用描點法畫出位移與時間的s-t圖像或者s-t2圖像，形象、直觀地尋找自由落體運動的規(guī)律。

學生方案四：頻閃照相法。

學生方案五：光電門法……

選取一種方案課堂操作。

環(huán)節(jié)5：

介紹科學家們的探究：美國宇航員斯科特在月球表面的鐵錘與羽毛從同一高度同時下落實驗;朱棣文通過“墜落”原子精確測算出了單個原子所受的重力加速度，發(fā)現這一重力加速度與由數十億原子組成的宏觀尺度物體所受重力加速度相同，即微觀原子與宏觀物體一樣下落的速度也與其重量無關[3]。

環(huán)節(jié)6：

還在進行的探索：物理學家費希巴赫的科研小組通過實驗發(fā)現，不同質量的物體，在真空中實際上并不具有共同的重力加速度！[3]自然界存在第五種力嗎？研究在繼續(xù)……

6個環(huán)節(jié)的探究，從古至今到未來，科學研究的發(fā)展包含了物理學家們科學思維的經驗、科學思維的形成和發(fā)展。無懼困難、勇往直前是學生要學習的科學精神，科學探究沒有創(chuàng)新，就不能持續(xù)，也不會有新成果體現。

3.3 ? ?基于事實的大膽外推，培育勇敢堅定的科學態(tài)度與責任素養(yǎng)

猜測是解決問題的開端，猜測是一種科學的方法。愛因斯坦說過：“提出問題比解決問題更重要，提出的新問題、新可能性，從新視角去看舊問題，都需要創(chuàng)造性的想象力。”有時候問題和想象力就出現在一剎那的直覺當中。

伽利略是敢于踐行直覺思維的代表，他敢于猜測，而且開創(chuàng)了邏輯、數學和實驗檢驗猜測的科學方法。伽利略當年的斜面實驗，因受器材所限，在超過5°時實驗誤差就很大了，但是，基于他大膽的直覺和邏輯思維，他還是進行了合理外推，可見他當年的勇氣之大。

“如果完全沒有空氣阻力，那么所有物體下落都將一樣快。”以當年的條件，是沒有辦法創(chuàng)造完全沒有阻力的真空環(huán)境進行實驗驗證，可是伽利略還是大膽地推測了，也足見他的勇氣。此外，伽利略通過邏輯推理推翻了亞里士多德的落體運動觀，他堅信“自然界是簡單的，自然界的規(guī)律也是簡單的?！边M而選擇v∝t，摒棄v∝x，因為當時加速度的概念還沒有出現，他的邏輯推理離不開一定程度的直覺思維。

這里特別要說明的是，直覺思維與觀點并非一時興起的信口雌黃，而是基于事實證據基礎上的強烈自信的自然結果。時代的局限性、科技的發(fā)展水平、思想的束縛性對亞里士多德和伽利略兩位大師的研究有影響，學生要樹立不迷信權威、尊重科學、勇于創(chuàng)新的科學精神。

4 ? ?結 ?語

深度學習的設計，深至社會歷史實踐的深度，引導學生站在歷史發(fā)展的長河中，像伽利略那樣，從生活實踐中發(fā)現問題、思考問題和解決問題，有效激發(fā)學生全身心投入到有思想、有情感、有創(chuàng)造力的主動學習和積極活動中，直達學生心靈深處。追尋科學家的發(fā)現思路、發(fā)現過程，不僅僅是對知識本身，還對知識發(fā)現、發(fā)展的過程以及學習知識的過程本身進行價值判斷，領會思維方法，培養(yǎng)科學思維，是發(fā)展學生核心素養(yǎng)的有效途徑。

參考文獻：

[1]郭華.深度學習與課堂教學改進[J].基礎教育課程，2019（2）：10-15.

[2]劉偉.伽利略對自由落體運動研究的再現[J].物理實驗，2006（3）：28-29.

[3]周建秋. 科學本質觀視角下的初中科學教學策略[J]. 現代中小學教育，2014（1）：82-84.

[4]任虎虎.促進深度學習，提升思維品質[J].物理教師，2019，40（4）：19-21.

[5]高嵩，焦蕊.自由落體運動中的物理學史與教學[J].物理教師，2019，40（5）：13-16.

（欄目編輯 ? ?趙保鋼）