基于HPS教育理念的高中物理深度學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)

張旭東 劉立華

[摘 ? ?要]為使學(xué)生具備自身和社會(huì)發(fā)展需要的關(guān)鍵能力，基于深度學(xué)習(xí)特征與內(nèi)涵，結(jié)合HPS教育理念和高中物理學(xué)科特點(diǎn)，提出培養(yǎng)學(xué)生深度學(xué)習(xí)能力的教學(xué)策略，即情境創(chuàng)設(shè)，引入新課；建立模型，歷史重演；發(fā)現(xiàn)關(guān)系，深度探究；歷史回顧，實(shí)踐應(yīng)用，為高中物理教學(xué)提供參考思路。

[關(guān)鍵詞] 高中物理；深度學(xué)習(xí)；科學(xué)史；科學(xué)哲學(xué)；科學(xué)社會(huì)學(xué)

新課改要求，學(xué)生應(yīng)具有滿(mǎn)足自身和社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵能力即核心素養(yǎng)。核心素養(yǎng)由物理觀(guān)念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四部分組成。物理觀(guān)念中強(qiáng)調(diào)知識(shí)和原理的深度理解與靈活應(yīng)用，同時(shí)科學(xué)思維要與觀(guān)察、實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，要學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)、批判性思維和創(chuàng)新?？茖W(xué)探究要培養(yǎng)學(xué)生收集和處理信息的能力、獲取新知識(shí)的能力、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力等。科學(xué)態(tài)度與責(zé)任要求學(xué)生了解科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境的關(guān)系以及對(duì)科學(xué)本質(zhì)的探索和對(duì)科學(xué)態(tài)度的培養(yǎng)。核心素養(yǎng)的提出要求學(xué)生學(xué)習(xí)的方式、過(guò)程、目標(biāo)無(wú)限趨近深度學(xué)習(xí)。

一、深度學(xué)習(xí)與HPS

深度學(xué)習(xí)指在理解概念的基礎(chǔ)上，學(xué)生能整合信息資源，學(xué)會(huì)批判性思考，產(chǎn)生高階思維，將新的知識(shí)體系建構(gòu)到原有的知識(shí)結(jié)構(gòu)中，學(xué)會(huì)遷移應(yīng)用。培養(yǎng)學(xué)生深度學(xué)習(xí)能力，需要激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力，并在教育過(guò)程中維持學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力，使學(xué)生的能力培養(yǎng)具有連貫性。HPS可以滿(mǎn)足維持學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力的作用。

HPS是在教育教學(xué)中融入科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會(huì)學(xué)。通過(guò)HPS能把科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會(huì)學(xué)融入高中物理教材中，科學(xué)史和科學(xué)社會(huì)學(xué)為學(xué)生學(xué)習(xí)提供社會(huì)背景和培養(yǎng)學(xué)生積極的科學(xué)態(tài)度科學(xué)探究能力提供支持?？茖W(xué)哲學(xué)能培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和高階思維，這與新改革核心素養(yǎng)要求高度契合。HPS的融入充實(shí)豐富培養(yǎng)學(xué)生社會(huì)責(zé)任感、創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力，加深學(xué)生對(duì)課改中強(qiáng)調(diào)科學(xué)、技術(shù)和社會(huì)的認(rèn)識(shí)，理解其內(nèi)在關(guān)系。

二、基于HPS培養(yǎng)高中物理深度學(xué)習(xí)能力的教學(xué)策略

根據(jù)理論分析和實(shí)踐思考，基于HPS培養(yǎng)高中物理深度學(xué)習(xí)能力的教學(xué)策略為：情境創(chuàng)設(shè)、引入新課，建立模型、歷史重演，發(fā)現(xiàn)關(guān)系、深度探究，歷史回顧、實(shí)踐應(yīng)用。下面以人教版“單擺”為例，進(jìn)行具體闡述見(jiàn)圖1。

三、教學(xué)內(nèi)容解讀

“單擺”這一課的內(nèi)容處于選修部分，將單擺的振動(dòng)視為簡(jiǎn)諧振動(dòng)中的一種。學(xué)生針對(duì)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的相關(guān)概念和圖像分析經(jīng)常處于理解不透概念模糊的階段，理解單擺模型有助于學(xué)生對(duì)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的理解并為后面學(xué)習(xí)阻尼運(yùn)動(dòng)、受迫振動(dòng)打下良好的基礎(chǔ)。將單擺這一內(nèi)容運(yùn)用HPS方式展現(xiàn)出來(lái)，可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)物理學(xué)史的興趣，培養(yǎng)科學(xué)性思維。

2005年人教版《高中物理選修3-4》和2019年人教版《高中物理選擇性必修（第一冊(cè)）》“單擺”一課內(nèi)容對(duì)比，課程主要內(nèi)容沒(méi)有發(fā)生改變，但2019年新教材單獨(dú)為實(shí)驗(yàn)“用單擺測(cè)量重力加速度”設(shè)計(jì)一節(jié)內(nèi)容。新課標(biāo)要求，通過(guò)實(shí)驗(yàn)收集影響因素的數(shù)據(jù)，用不同的函數(shù)擬合實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)，得出周期與擺長(zhǎng)的定量關(guān)系。有條件的話(huà)，可以使用計(jì)算機(jī)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)展科學(xué)探究的能力。發(fā)展學(xué)生建模的能力，經(jīng)歷構(gòu)建模型的過(guò)程。知道單擺周期與擺長(zhǎng)、重力加速度的關(guān)系。會(huì)用單擺測(cè)量重力加速度的大小，學(xué)以致用。培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)測(cè)量能力和誤差分析能力。

（一）情境創(chuàng)設(shè)，引入新課

深度學(xué)習(xí)的主要特征是要有發(fā)自?xún)?nèi)心的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，要使學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣就需要實(shí)例或特定的情境。運(yùn)用物理學(xué)史和相對(duì)應(yīng)的社會(huì)背景可以在創(chuàng)設(shè)情境方面產(chǎn)生好的效果，學(xué)生帶入情境中能激發(fā)和保持學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，同時(shí)能培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)，自主學(xué)習(xí)的能力。

教學(xué)過(guò)程中，教師可以通過(guò)擺鐘引入課程。將擺鐘實(shí)物呈現(xiàn)在講臺(tái)上或者擺鐘動(dòng)畫(huà)呈現(xiàn)在PPT上，引導(dǎo)學(xué)生觀(guān)察擺鐘鐘擺，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)擺鐘等時(shí)性物理現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力，參與討論產(chǎn)生自己的思考與見(jiàn)解。借此，教師可以引入擺鐘被發(fā)明的時(shí)代背景，介紹擺鐘。擺鐘的基本原理等時(shí)性由伽利略發(fā)現(xiàn)的，擺鐘被發(fā)明的時(shí)代背景是大航海文藝復(fù)興時(shí)期，因?yàn)楹Ｉ腺Q(mào)易活動(dòng)對(duì)航線(xiàn)有極高的要求。為了能夠精確的指導(dǎo)自己的在海上航行，最需要知道船所在的地理位置即經(jīng)度與緯度，通過(guò)太陽(yáng)的視位置可以很容易測(cè)定緯度，但經(jīng)度與當(dāng)?shù)貢r(shí)間有關(guān)，所以制作了擺鐘。

學(xué)生帶入時(shí)代背景后，教師通過(guò)講述伽利略發(fā)現(xiàn)等時(shí)性原理的故事引出單擺實(shí)驗(yàn)。故事中伽利略通過(guò)觀(guān)察被風(fēng)吹動(dòng)的吊燈，發(fā)現(xiàn)吊燈的擺動(dòng)現(xiàn)象存在某種規(guī)律，通過(guò)掐脈搏的方式計(jì)算擺動(dòng)的時(shí)間。發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象后，伽利略回家準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)探尋影響該現(xiàn)象的因素。

（二）建立模型，歷史重演

構(gòu)建理想模型是研究物理規(guī)律的手段，同時(shí)也能促進(jìn)學(xué)生物理觀(guān)念的形成和科學(xué)思維的發(fā)展。教師創(chuàng)造了真實(shí)的歷史情境，能讓學(xué)生直觀(guān)的感受，豐富自己的感性認(rèn)識(shí)，加深對(duì)單擺模型的認(rèn)識(shí)。教師帶領(lǐng)學(xué)生重新經(jīng)歷過(guò)去科學(xué)家探尋物理規(guī)律的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)由于時(shí)代的局限性設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)存在不足，能促進(jìn)學(xué)生批判性的思考能力。通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、制定方案、改進(jìn)方案、應(yīng)用科技手段獲取和處理信息以及基于證據(jù)得到結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。通過(guò)對(duì)單擺周期和擺長(zhǎng)的定量研究，讓學(xué)生逐步認(rèn)識(shí)其科學(xué)本質(zhì)，體會(huì)物理學(xué)是建立在觀(guān)察和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的創(chuàng)造性工作，增強(qiáng)學(xué)生的成就感和責(zé)任感。

伽利略通過(guò)簡(jiǎn)單的物理材料探究周期與哪些因素有關(guān)？在當(dāng)今科技發(fā)展的今天，伽利略的實(shí)驗(yàn)有哪些不足？人們?cè)撊绾稳ジ倪M(jìn)和設(shè)計(jì)伽利略的實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?/p>

在課堂上，教師首先要帶領(lǐng)學(xué)生確定單擺模型做的是什么樣的運(yùn)動(dòng)。在新版人教版高中物理教材中，單擺知識(shí)內(nèi)容在簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)之后，教師根據(jù)前面的學(xué)習(xí)向?qū)W生提出疑問(wèn)回顧學(xué)過(guò)的內(nèi)容：什么是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)？單擺是不是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)？如何證明單擺是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)？來(lái)進(jìn)行引入。教材中強(qiáng)調(diào)證明單擺是簡(jiǎn)諧振動(dòng)需要滿(mǎn)足兩個(gè)條件：其一，單擺位移與時(shí)間圖像是否為正弦函數(shù)圖像。其二，產(chǎn)生單擺現(xiàn)象的原因回復(fù)力是否與位移成反比，并且方向相反。教師根據(jù)書(shū)中“做一做”，可帶領(lǐng)學(xué)生做同樣的實(shí)驗(yàn)，觀(guān)察圖樣是否為正弦圖像。

實(shí)驗(yàn)材料：注射器、V型擺。將沒(méi)有活塞的注射器固定在V型擺上，注射器向下噴出細(xì)細(xì)的一束墨水。調(diào)整擺角小于10°，沿著與擺動(dòng)方向垂直的方向勻速拖動(dòng)一張白紙，白紙上的墨跡便畫(huà)出振動(dòng)圖像見(jiàn)圖2。

教師帶領(lǐng)學(xué)生構(gòu)建單擺簡(jiǎn)單模型，并分析單擺振動(dòng)產(chǎn)生的原因（見(jiàn)圖3）。

小球在輕繩作用下在豎直平面內(nèi)做小角度擺動(dòng)單擺，最低點(diǎn)為平衡位置，取擺球擺長(zhǎng)為l，在偏離平衡位置ｘ處，擺角為θ，sinθ= ? ?。對(duì)小球進(jìn)行受力分析。

FT與G的合力：F合=G1=mgsinθ=mg ? ?= ? ? ? x。

因?yàn)镕方向與位移方向相反：F復(fù)=- ? ? ? x=-kx。

所以k= ? ? ?，k為恢復(fù)力系數(shù)。

通過(guò)圖像和公式推導(dǎo)，明確單擺為簡(jiǎn)諧振動(dòng)。教師用問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建單擺模型，復(fù)習(xí)過(guò)去學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)，分析產(chǎn)生單擺現(xiàn)象的原因，培養(yǎng)學(xué)生探究能力和深度思考能力。

接下來(lái)，教師與學(xué)生共同探討實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)和影響實(shí)驗(yàn)的因素。為滿(mǎn)足伽利略單擺實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)驗(yàn)器材盡量選擇質(zhì)量大、體積小的球和盡量細(xì)的細(xì)線(xiàn)，擺長(zhǎng)長(zhǎng)度為擺長(zhǎng)長(zhǎng)度加小球半徑之和。測(cè)量單擺的周期，可以測(cè)量單擺做多次全振動(dòng)的時(shí)間，然后通過(guò)平均值計(jì)算求出它的周期的測(cè)量值。課堂中學(xué)生小組討論，探討影響實(shí)驗(yàn)的因素有擺長(zhǎng)l、振幅A和小球質(zhì)量m。

回顧歷史，伽利略同樣分析了這三個(gè)因素。伽利略實(shí)驗(yàn)后提出長(zhǎng)度定律、振幅獨(dú)立性定律、質(zhì)量獨(dú)立性定律。在教學(xué)過(guò)程中，可讓學(xué)生們自由分組合作實(shí)驗(yàn)，小組間互相交流如何能最大限度減小誤差。進(jìn)行單擺實(shí)驗(yàn)最大的影響就是形成圓錐擺，為避免形成圓錐擺產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差，通常擺角大小不能超過(guò)5°，小于5°通過(guò)公式計(jì)算圓錐擺產(chǎn)生的誤差可以忽略不記。課堂實(shí)驗(yàn)中，若實(shí)驗(yàn)儀器很普通，實(shí)驗(yàn)數(shù)值應(yīng)小于5°。為能更明顯的觀(guān)察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，本次實(shí)驗(yàn)振幅不能超過(guò)10°，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)針對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果取平均值。實(shí)驗(yàn)中改進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材并使用V型擺，通過(guò)計(jì)算機(jī)呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)減少實(shí)驗(yàn)誤差。組裝好儀器，將運(yùn)動(dòng)傳感器、PASCO850數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口、電腦連接好，打開(kāi)PASCOCapstone軟件、設(shè)置傳感器采樣頻率為50Hz，將運(yùn)動(dòng)傳感器按照要求對(duì)準(zhǔn)擺錘，準(zhǔn)備測(cè)量。實(shí)驗(yàn)采用控制變量法，使用的質(zhì)量有木錘24.5g、塑料錘45.6g、鐵錘85.2g和銅錘125.0g。

用計(jì)算機(jī)采集不同情況下單擺“位置——時(shí)間”數(shù)據(jù)，利用PASCOCapstone軟件菜單中正弦擬合工具處理圖表，從正弦擬合工具中算出單擺圖像的周期值，并與理論值進(jìn)行比較，計(jì)算誤差百分比。

1.長(zhǎng)度定律

擺角5°、質(zhì)量125.0g保持不變，控制擺長(zhǎng)長(zhǎng)度，研究擺長(zhǎng)與周期之間的關(guān)系。如表1所示。

2.振幅獨(dú)立性定律

同理，控制擺長(zhǎng)長(zhǎng)度0.6m、質(zhì)量125.0g保持不變，擺角為5°、7°、10°。探究擺角與周期之間的關(guān)系。如表2所示。

3.質(zhì)量獨(dú)立性定律

同理，控制擺長(zhǎng)長(zhǎng)度0.6m、擺角5°保持不變，改變重物質(zhì)量，研究重物質(zhì)量與單擺周期之間的關(guān)系。如表3所示。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)圖像和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)觀(guān)察到，單擺周期只與擺長(zhǎng)l有關(guān)，與重物質(zhì)量和擺角大小無(wú)關(guān)，周期T與擺長(zhǎng)l成二次方根成正比。

（1）發(fā)現(xiàn)關(guān)系，深度探究

在高中物理學(xué)中存在大量的物理量和它們之間的關(guān)系，學(xué)生在學(xué)習(xí)和應(yīng)用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)不了解或物理量定義和關(guān)系混淆的情況，不清楚物理量之間定量關(guān)系的由來(lái)。周期T與擺長(zhǎng)l的公式關(guān)系在人教版中沒(méi)有要求推導(dǎo)只要求學(xué)生能識(shí)記和應(yīng)用，學(xué)生不明白公式的來(lái)龍去脈死記硬背只會(huì)忘記，教師給出推導(dǎo)過(guò)程可以加深學(xué)生印象作為擴(kuò)展讓學(xué)生了解，培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力。

在物理學(xué)史上，伽利略實(shí)驗(yàn)探究后發(fā)現(xiàn)了周期與擺長(zhǎng)有關(guān)，對(duì)于單擺周期與擺長(zhǎng)的關(guān)系并沒(méi)有定量給出， 1638年陳述了關(guān)于周期和擺長(zhǎng)的平方根關(guān)系。30年后，荷蘭科學(xué)家惠更斯發(fā)現(xiàn)單擺周期公式并通過(guò)計(jì)算測(cè)量巴黎的重力加速度。公式推導(dǎo)：

簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)公式：X=Asin（wt+ ? ? ）

v= ? ? ?=Awcos（wt+ ? ? ）

a=

F=ma=-mw2Asin（wt+ ? ? ）

F=-mw2Asin（wt+ ? ? ）=-mw2x=-kx

所以k=mw2，T= ? ? =2

由上面公式k= ? ? ? 帶入可得，T= ? ? ? 。

（2）歷史回顧，實(shí)踐應(yīng)用

歷史是車(chē)輪不會(huì)停止，在不同時(shí)空里，課堂中教師帶領(lǐng)學(xué)生做與前人相同的事情，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)情感，加深學(xué)生并對(duì)這一公式的運(yùn)用的印象。

新課標(biāo)要求學(xué)生要會(huì)利用單擺公式計(jì)算重力加速度大小，學(xué)以致用。教師在這一部分可以介紹惠更斯利用擺的等時(shí)性原理制成了第一座擺鐘。帶領(lǐng)大家利用單擺周期公式測(cè)量世界各地的重力加速度，向?qū)W生們提出問(wèn)題“為什么同一個(gè)擺鐘從香港帶到北京時(shí)間會(huì)發(fā)生變化”，解釋生活中的現(xiàn)象，提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力。課堂結(jié)尾，帶領(lǐng)學(xué)生快速回顧歷史，讓學(xué)生體會(huì)歷史的厚重感，充分體會(huì)到科學(xué)研究歷程，樹(shù)立正確的科學(xué)價(jià)值觀(guān)?？偨Y(jié)課堂內(nèi)容，將單擺構(gòu)建在簡(jiǎn)諧振動(dòng)的知識(shí)體系中。

HPS這一教學(xué)模式可豐富高中教師的教學(xué)方式，得到了較高的認(rèn)可。越來(lái)越多的教師意識(shí)到，HPS針對(duì)核心素養(yǎng)和深度學(xué)習(xí)的培養(yǎng)與促進(jìn)具有極大的價(jià)值，通過(guò)增加相關(guān)的科學(xué)史及科學(xué)社會(huì)學(xué)等內(nèi)容，豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；通過(guò)學(xué)習(xí)科學(xué)研究過(guò)程增加學(xué)生的求知欲，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和科學(xué)態(tài)度。但是基于HPS培養(yǎng)深度學(xué)習(xí)能力的策略與原則還需要探索。

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（責(zé)任編輯：姜波）