指向物理觀念的逆向設(shè)計(jì)與實(shí)施策略——以新教材必修1“超重和失重”教學(xué)為例

任虎虎

（江蘇省太倉(cāng)高級(jí)中學(xué)，江蘇 太倉(cāng) 215411）

1 逆向設(shè)計(jì)的內(nèi)涵

逆向設(shè)計(jì)倡導(dǎo)學(xué)習(xí)活動(dòng)、課堂、單元和課程在邏輯上應(yīng)該從想要達(dá)到的學(xué)習(xí)結(jié)果導(dǎo)出，而不是從教師所擅長(zhǎng)的教法、教材和活動(dòng)導(dǎo)出.教學(xué)過(guò)程是展示達(dá)到特定學(xué)習(xí)結(jié)果的最佳方式，類似于旅游計(jì)劃，教學(xué)設(shè)計(jì)的框架應(yīng)該提供一組設(shè)計(jì)詳細(xì)的旅行指南，以達(dá)到文化層面的目標(biāo)，而不是在某個(gè)國(guó)家的各大景點(diǎn)漫無(wú)目的地游覽.總之，最好的設(shè)計(jì)應(yīng)該是“以終為始”，從學(xué)習(xí)結(jié)果開(kāi)始的逆向思考.

2 物理觀念的意義和價(jià)值

2.1 物理觀念是物理核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)

物理觀念是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的整合、提煉和升華，物理觀念是物理核心素養(yǎng)的重要組成部分，它代表著對(duì)物理知識(shí)本質(zhì)理解的深度、廣度和關(guān)聯(lián)度，是其它三個(gè)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)和紐帶.

2.2 物理觀念是逆向教學(xué)設(shè)計(jì)的起點(diǎn)

逆向教學(xué)設(shè)計(jì)是目標(biāo)導(dǎo)向的設(shè)計(jì)，物理教學(xué)的目標(biāo)就是落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)，所以物理觀念是逆向設(shè)計(jì)的邏輯起點(diǎn)，從這個(gè)角度講，逆向設(shè)計(jì)就是指向物理觀念的學(xué)習(xí)路徑設(shè)計(jì).

2.3 物理觀念是有效教學(xué)實(shí)施的歸宿

教學(xué)是否有效，最關(guān)鍵是目標(biāo)有沒(méi)有達(dá)成，形式服務(wù)于功能，只有指向有助于目標(biāo)達(dá)成的學(xué)生活動(dòng)和師生對(duì)話才有意義和價(jià)值，所以物理觀念是有效教學(xué)實(shí)施的歸宿.

3 基于物理觀念的逆向設(shè)計(jì)

基于逆向設(shè)計(jì)的UbD（Understanding by Design）模板共分為3個(gè)階段：階段1為預(yù)期結(jié)果；階段2為評(píng)估證據(jù)；階段3為學(xué)習(xí)計(jì)劃.表1為基于UbD模塊的“起重與失重”逆向設(shè)計(jì).

表1 基于UbD模板的“超重和失重”逆向設(shè)計(jì)

續(xù)表

4 基于物理觀念的教學(xué)實(shí)施策略

4.1 創(chuàng)設(shè)體驗(yàn)式情境，引出研究主題

沒(méi)有體驗(yàn)就沒(méi)有學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)不僅是靠理解和記憶進(jìn)行的理性活動(dòng)，更是通過(guò)體驗(yàn)才能完成的涉身性、情感性和領(lǐng)悟性活動(dòng).教學(xué)中創(chuàng)設(shè)能讓每個(gè)學(xué)生體驗(yàn)親身參與的問(wèn)題情境，將很好地激發(fā)學(xué)生主動(dòng)探究的熱情和提出問(wèn)題，并對(duì)問(wèn)題進(jìn)行聚焦，引出研究主題.

教學(xué)片斷1：按照新教材的邏輯，在教學(xué)開(kāi)始時(shí)設(shè)置問(wèn)題：常用的測(cè)量重力的方法有哪些？學(xué)生回答：彈簧測(cè)力計(jì)懸掛測(cè)量和體重計(jì)測(cè)量.

教師為每個(gè)學(xué)生準(zhǔn)備了一個(gè)帶彈性細(xì)繩的玩具水球，讓學(xué)生起立，將手舉高，彈性細(xì)繩的上端套在一根手指上，保持手指不動(dòng)，讓小球盡可能處于自然下垂并靜止?fàn)顟B(tài)，閉上眼睛感受一下手指的拉力大小，如圖1.接下來(lái)用另一只手將小球豎直向下拉一定距離（上面手指不動(dòng)），放手后，小球上下運(yùn)動(dòng)，讓學(xué)生再次閉上眼睛感受手指的拉力大小.

圖1 感受手指的拉力

然后提出問(wèn)題：大家感受到什么？說(shuō)明了什么呢？

生1：感受到小球上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，手指拉力變化，說(shuō)明小球重力發(fā)生變化.

師：有不同的觀點(diǎn)嗎？

生2：小球的重力沒(méi)變，應(yīng)該是小球上下運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)彈性細(xì)繩的拉力發(fā)生變化.

師：很好，說(shuō)明運(yùn)動(dòng)會(huì)引起力的變化，這是基本問(wèn)題：力和運(yùn)動(dòng)之間的相互作用關(guān)系.

接下來(lái)讓一個(gè)學(xué)生利用指針式體重計(jì)測(cè)量重力，借助手機(jī)投屏軟件讓學(xué)生看清體重計(jì)的示數(shù)，如圖2.讓學(xué)生想一想：在不接觸其它任何東西的情況下，如何讓體重計(jì)的示數(shù)發(fā)生變化？

圖2 體重計(jì)示數(shù)變化

學(xué)生想到通過(guò)下蹲—起立讓示數(shù)變化，這個(gè)學(xué)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，體重計(jì)示數(shù)變化很明顯，說(shuō)明這個(gè)過(guò)程中人對(duì)體重計(jì)的壓力發(fā)生變化.通過(guò)兩個(gè)小實(shí)驗(yàn)很自然讓學(xué)生理解超重和失重的概念.

師：大家能不能列舉一些生活中超重和失重現(xiàn)象的例子.

生3：乘坐電梯.

生4：蹦極、過(guò)山車、跳樓機(jī)等.

師：通過(guò)剛才的體驗(yàn)，對(duì)于超重和失重現(xiàn)象，大家能不能提出一些需要解決的問(wèn)題呢？

生5：什么情況下會(huì)出現(xiàn)超（或失）重現(xiàn)象？

生6：為什么會(huì)出現(xiàn)超（或失）重現(xiàn)象？

生7：超（或失）重現(xiàn)象在生活中有什么用？

教師把這些問(wèn)題記錄在黑板上，并指出接下來(lái)將重點(diǎn)研究這3個(gè)問(wèn)題.

4.2 通過(guò)層進(jìn)式探究，領(lǐng)悟思想方法

學(xué)生真實(shí)的探究過(guò)程，不可能一蹴而就，需要經(jīng)歷從特殊到一般、從定性到定量、從淺層到深度層進(jìn)式的曲折過(guò)程.這些過(guò)程教師無(wú)法代替，也不能代替.關(guān)鍵在過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生分析、類比、歸納和建模等科學(xué)思想方法.

教學(xué)片斷2：有了開(kāi)始的體驗(yàn)，讓學(xué)生猜想：什么情況下會(huì)出現(xiàn)超或失重現(xiàn)象呢？

生8：向上運(yùn)動(dòng)可能超重，向下運(yùn)動(dòng)可能失重.

師：物體的運(yùn)動(dòng)方向也就是速度方向，還有不同的想法嗎？

生9：可能和運(yùn)動(dòng)過(guò)程中加速度的方向有關(guān).

4.2.1 半定量探究

每個(gè)小組借助體重計(jì)進(jìn)行探究，其中一個(gè)學(xué)生做下蹲——起立的動(dòng)作，其它學(xué)生仔細(xì)觀察，如圖3.

圖3 小組合作探究

在小組探究后進(jìn)行充分的觀點(diǎn)展示和交流討論.

師：大家觀察到什么現(xiàn)象？得到什么結(jié)論？

生10：我們組發(fā)現(xiàn)下蹲的時(shí)候示數(shù)變小，起立的時(shí)候示數(shù)變大，得出的結(jié)論是速度向下超重，速度向上失重.

生11：我們組發(fā)現(xiàn)下蹲的時(shí)候示數(shù)變大，起立的時(shí)候示數(shù)變小.

生12：我們組發(fā)現(xiàn)緩慢下蹲和起立時(shí)示數(shù)不變，說(shuō)明與速度方向無(wú)關(guān).

師：還有不同的發(fā)現(xiàn)嗎？

生13：我們組發(fā)現(xiàn)下蹲的時(shí)候示數(shù)先變小后變大，起立的時(shí)候先變大后變小，說(shuō)明和速度方向無(wú)關(guān).

師：同一個(gè)過(guò)程為什么有如此多不同的結(jié)論？說(shuō)明仔細(xì)觀察很重要，剛才大家在觀察的過(guò)程中遇到什么困難嗎？

生14：示數(shù)變化太快，來(lái)不及讀數(shù)和記錄.

師：如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？

生15：把剛才過(guò)程拍成視頻慢鏡頭播放.

師：很好的方案，老師今天帶來(lái)了秘密武器：朗威測(cè)力板傳感器.

4.2.2 DIS定量探究

讓班級(jí)一個(gè)體重較大的學(xué)生站在測(cè)力板傳感器上進(jìn)行演示，得到下蹲—起立過(guò)程的F-t圖像，如圖4.與剛才一組學(xué)生的結(jié)果一致，對(duì)他們的細(xì)心觀察提出表?yè)P(yáng)，接下來(lái)讓學(xué)生分析圖像.

圖4 DIS測(cè)力板傳感器定量探究

師：從圖像中能得到什么結(jié)論？

生16：站在上面不動(dòng)時(shí)壓力不變，大小等于人的重力，下蹲時(shí)先失重后超重，起立時(shí)先超重后失重.

師：到底什么情況下會(huì)出現(xiàn)超重或失重現(xiàn)象呢？請(qǐng)大家分析討論.

4.2.3 建構(gòu)物理模型

下蹲過(guò)程是一個(gè)生活現(xiàn)象，需要學(xué)生從物理學(xué)的角度對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行分析和表征.靜止不動(dòng)時(shí)初速度為0，下蹲到最低點(diǎn)時(shí)末速度也為0，所以下蹲可以分為兩個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程：先向下加速，后向下減速.同理，起立可分為：先向上加速，后向上減速.

向下加速和向上減速時(shí)加速度都向下，向下減速和向上加速時(shí)加速度都向上，和圖像對(duì)應(yīng)可以得出結(jié)論：加速度向上時(shí)出現(xiàn)超重現(xiàn)象，加速度下時(shí)出現(xiàn)失重現(xiàn)象.

4.3 基于審辯式論證，理解知識(shí)本質(zhì)

審辯式論證是一種通過(guò)理性活動(dòng)達(dá)到合理結(jié)論的過(guò)程.在這個(gè)過(guò)程中，包含著基于原則、實(shí)踐、經(jīng)驗(yàn)、推理和歸納之上的質(zhì)疑和創(chuàng)造.學(xué)生在審辯式論證時(shí)不斷的質(zhì)疑和進(jìn)行批判性反思，并根據(jù)自己的思考、邏輯、經(jīng)驗(yàn)和理性作出獨(dú)立的判斷，理解知識(shí)的本質(zhì)，培養(yǎng)物理觀念.

教學(xué)片斷3：對(duì)于上面的初步結(jié)論，一些學(xué)生將信將疑，可以通過(guò)列表讓學(xué)生進(jìn)一步分析和內(nèi)化（表2）.

表2 下蹲—起立過(guò)程的過(guò)程分析

續(xù)表

為什么加速度向上出現(xiàn)超重，加速度向下出現(xiàn)失重呢？讓學(xué)生建立模型，運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律自主研究，得到如圖5所示的受力分析，當(dāng)具有向上的加速度時(shí)FN-mg=ma；當(dāng)有向下的加速度時(shí)FN+mg=ma.

圖5

在學(xué)生理解出現(xiàn)超重和失重的原因后，可以進(jìn)一步提升：讓學(xué)生說(shuō)說(shuō)對(duì)運(yùn)動(dòng)和力關(guān)系的理解，并根據(jù)DIS得到的F-t圖像（圖4），分析下蹲和起立階段的運(yùn)動(dòng)性質(zhì).

4.4 設(shè)置開(kāi)放式問(wèn)題，促進(jìn)靈活遷移

物理觀念的培養(yǎng)包括形成和應(yīng)用兩個(gè)階段，物理觀念到底有沒(méi)有形成需要通過(guò)遷移應(yīng)用情況來(lái)評(píng)估，觀念是活的能力不是僵化的知識(shí)，所以需要設(shè)置開(kāi)放式問(wèn)題讓學(xué)生解決，在靈活遷移過(guò)程中幫助學(xué)生進(jìn)一步理解物理觀念的內(nèi)涵.

教學(xué)片斷4：基于航空航天和生活實(shí)際可以設(shè)置大量有關(guān)超重和失重的開(kāi)放式問(wèn)題.比如以中國(guó)太空第一人楊利偉和記者對(duì)話為背景，分析各個(gè)運(yùn)動(dòng)階段的超（失）重情況.

記者：在“神舟五號(hào)”發(fā)射和運(yùn)行過(guò)程中，你有什么感覺(jué)？

楊利偉：飛船升空時(shí)感到有載荷，就是感到胸部有壓力（處于什么狀態(tài)？），平時(shí)訓(xùn)練時(shí)，這種壓力可達(dá)到8個(gè)G.箭船分離時(shí)，感覺(jué)身體突然被拋了一下，有一種突然騰空的感覺(jué)（處于什么狀態(tài)？）.

記者：飛船著陸過(guò)程中有什么感覺(jué)？

楊利偉：降落傘打開(kāi)后船體晃動(dòng)厲害……當(dāng)時(shí)有很強(qiáng)烈的_______感，儀表盤(pán)顯示有3至4個(gè)G的載荷.

以生活實(shí)際為背景，設(shè)置開(kāi)放式問(wèn)題：如何將兩本一頁(yè)一頁(yè)疊在一起的教科書(shū)分開(kāi)？請(qǐng)根據(jù)本節(jié)課所學(xué)提出解決方案，并嘗試做一做.

物理觀念的培養(yǎng)是物理教學(xué)的基本目標(biāo)，逆向設(shè)計(jì)就是要瞄準(zhǔn)目標(biāo)，開(kāi)發(fā)的一切學(xué)習(xí)活動(dòng)為目標(biāo)達(dá)成而服務(wù)，也就是在開(kāi)展教與學(xué)活動(dòng)之前，先要努力思考此類學(xué)習(xí)要達(dá)到的目的到底是什么，以及哪些證據(jù)能夠表明學(xué)習(xí)達(dá)到了目的.雖然我們習(xí)慣上總是考慮教什么和如何教，但現(xiàn)在必須要挑戰(zhàn)自我，首先關(guān)注預(yù)期學(xué)習(xí)結(jié)果，這樣才有可能產(chǎn)生適合的教學(xué)行為.