郭本剛

(江蘇省震澤中學(xué),江蘇 蘇州 215200)

指向核心素養(yǎng)的高中物理單元設(shè)計(jì)之核心概念“加速度”

郭本剛

(江蘇省震澤中學(xué),江蘇 蘇州 215200)

將高中物理中“加速度”部分內(nèi)容有機(jī)、模塊化組合,按“ADDIE模型”的5個(gè)步驟設(shè)計(jì),使其成為一個(gè)邏輯清晰、層次鮮明、具有整體性的教學(xué)單元,使概念的核心地位得以充分體現(xiàn).

高中物理;單元設(shè)計(jì);核心素養(yǎng);核心概念;加速度

鐘啟泉教授在2015年6月12日《中國教育報(bào)》上發(fā)表“學(xué)會(huì)‘單元設(shè)計(jì)’”一文,指出:在應(yīng)試教育背景下,……所謂的“成功經(jīng)驗(yàn)”,赤裸裸張揚(yáng)的依然是碎片化“知識(shí)點(diǎn)”教學(xué)的惡習(xí),癥結(jié)何在?可能有兩個(gè)因素在起作用,其一、沒有擺脫課時(shí)主義;其二、缺乏單元設(shè)計(jì)的基本功.……在基于核心素養(yǎng)的新一輪課程改革下,一線教師應(yīng)研究課程的整體結(jié)構(gòu),積累單元設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn),加速課堂轉(zhuǎn)型,為新時(shí)代期許的“學(xué)力”和“學(xué)習(xí)”而努力. 由此可見,基于核心素養(yǎng)的課堂轉(zhuǎn)型之關(guān)鍵在于單元設(shè)計(jì)及其有效實(shí)施.為此,筆者嘗試了以系統(tǒng)的學(xué)科知識(shí)為基礎(chǔ),圍繞“加速度”主題展開探究活動(dòng)的教學(xué)單元設(shè)計(jì).整個(gè)設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)脈絡(luò)化、情境化的學(xué)習(xí),緊扣物理核心素養(yǎng),在實(shí)驗(yàn)探究中引導(dǎo)學(xué)生樹立應(yīng)有的科學(xué)態(tài)度,更新物理觀念,提升科學(xué)思維水平.整個(gè)設(shè)計(jì)遵循“ADDIE模型”,即分析(Analysis)、設(shè)計(jì)(Design)、開發(fā)(Development)、實(shí)施(Implement)、評(píng)價(jià)(Evaluation)而展開.

1 “加速度”的教材邏輯及教學(xué)現(xiàn)狀(分析)

“加速度”概念是高中物理初遇的第一個(gè)重要概念,它是運(yùn)動(dòng)學(xué)的終極概念,是動(dòng)力學(xué)的核心概念.學(xué)生在初中盡管對(duì)變速直線運(yùn)動(dòng)與力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系有過了解,但未深入到“加速度”層面.“加速度”在高中的學(xué)習(xí)主要涉及以下四方面:一是概念的引入和建立及數(shù)學(xué)化的定義;二是應(yīng)用它研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律;三是加速度的決定因素,即牛頓第二定律的探究;四是應(yīng)用加速度分析動(dòng)力學(xué)問題.從各種版本教材的編排來看,都是先單刀直入地提出“如何比較速度變化的快慢”,然后拋出加速度的物理意義和定義,再應(yīng)用它探究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,最后介紹最典型的理想化運(yùn)動(dòng)——自由落體,以及伽利略對(duì)它的研究.在學(xué)習(xí)“加速度”之前,則是著力于速度(包括瞬時(shí)速度)的定義,并介紹了測(cè)量速度的一些實(shí)驗(yàn)手段以及描述其變化的方法.而加速度決定因素的研究,則放在相互作用(力)之后,與之前是割裂開來的.

當(dāng)下的教材邏輯和教學(xué)現(xiàn)狀存在以下五方面問題:一是引入過于簡(jiǎn)單.“加速度”不是很容易便能聯(lián)想到實(shí)際情境的,是一個(gè)高而深層次的概念,建構(gòu)過程中會(huì)遇到很多障礙,包括概念建立的意義之領(lǐng)悟、定性到定量之轉(zhuǎn)變、抽象模糊到具體直觀之跨越等;二是內(nèi)在邏輯混亂.從歷史上看加速度概念源于伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究,但是教材先建立概念再實(shí)驗(yàn)探究,概念建立則是先加速度再勻變速直線運(yùn)動(dòng),顯得因果顛倒、循環(huán)論證;三是內(nèi)容重點(diǎn)錯(cuò)位.教材主要篇幅放在勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律上,伽利略的研究放在最后,其教學(xué)價(jià)值未能得到充分展現(xiàn);四是核心地位不明.目前,其核心地位只體現(xiàn)在解題上,沒有從概念的建立過程上感悟其重要性,沒有圍繞它展開一系列的探究和思考;五是缺乏整體規(guī)劃.加速度決定因素的研究沒有緊跟其后,學(xué)生在初中對(duì)力已經(jīng)有了比較深入的學(xué)習(xí),“加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的研究基礎(chǔ)已經(jīng)建立.

總而言之,“加速度”的教學(xué)需要教師基于物理學(xué)史的進(jìn)程和物理學(xué)研究的內(nèi)在邏輯加以全盤考慮和有效整合,在大量的情境經(jīng)驗(yàn)中有所感悟,讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究中經(jīng)歷緊張的腦力勞動(dòng),逐級(jí)抬高、逐步深入地建立起正確的思維認(rèn)識(shí),從而建構(gòu)起具體直觀的概念.

2 “加速度”單元的內(nèi)容及結(jié)構(gòu)(設(shè)計(jì))

為解決上述問題,筆者打破傳統(tǒng)的“課時(shí)主義”的束縛,調(diào)整教材的順序,開發(fā)出跨章節(jié)、具有層次感的“加速度”單元.本單元設(shè)計(jì)的學(xué)生基礎(chǔ)已經(jīng)具備,可以圍繞該主題開展五方面教學(xué): (1) 針對(duì)“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”,教師設(shè)置問題引領(lǐng)學(xué)生自學(xué)并激發(fā)思考使其有所感、有所悟; (2) 在現(xiàn)代技術(shù)支持下,對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行再研究,檢驗(yàn)伽利略當(dāng)年之假設(shè)和觀念; (3) 探究小車的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,最終確立起兩個(gè)概念(勻變速直線運(yùn)動(dòng)和加速度); (4) 改變實(shí)驗(yàn)條件(或各組比較),進(jìn)一步領(lǐng)悟加速度的物理意義,并定性認(rèn)識(shí)加速度的決定因素; (5) 應(yīng)用控制變量法,探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系.

這樣的單元設(shè)計(jì),始終圍繞“加速度”這一核心概念,教學(xué)邏輯順暢而嚴(yán)密,突出學(xué)生的主體地位和自主建構(gòu).它強(qiáng)調(diào)目標(biāo)的遞進(jìn)性和內(nèi)容的循環(huán)性,符合認(rèn)知發(fā)展的規(guī)律與特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)由低階思維(知識(shí)、理解、應(yīng)用)向高階思維(分析、綜合、評(píng)價(jià))的逐步遞進(jìn)和循環(huán)上升.

3 “加速度”單元的教學(xué)計(jì)劃和流程(開發(fā))

“單元設(shè)計(jì)”的基本思路在技術(shù)性層面上的三重心是目標(biāo)的設(shè)計(jì)、方法的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)的設(shè)計(jì),方法設(shè)計(jì)旨在回答“怎樣實(shí)現(xiàn)目標(biāo)”,其關(guān)鍵是知識(shí)結(jié)構(gòu)和教學(xué)方式的設(shè)計(jì).從建構(gòu)主義學(xué)習(xí)來看,教學(xué)方式應(yīng)該側(cè)重于思考性、研究性學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì),使學(xué)生在情境、協(xié)同、支架、任務(wù)、展示、反思下自主生成.基于此,筆者設(shè)計(jì)了如圖1所示的“加速度” 單元教學(xué)結(jié)構(gòu)及相應(yīng)目標(biāo).

4 “加速度”單元的課時(shí)計(jì)劃(實(shí)施)

單元需要整體規(guī)劃,但是目標(biāo)要逐步實(shí)現(xiàn),物理核心素養(yǎng)的四個(gè)方面需要在各課時(shí)中逐個(gè)突出,所以課時(shí)計(jì)劃是課程實(shí)施的關(guān)鍵,同時(shí),單元設(shè)計(jì)又是課時(shí)計(jì)劃的指引.為此,筆者基于學(xué)生的認(rèn)知,整合教材資源,基于核心素養(yǎng)應(yīng)用不同的教學(xué)策略,設(shè)計(jì)了本單元的四個(gè)課時(shí).

4.1 課時(shí)1:伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究

勻變速直線運(yùn)動(dòng)的概念是伽利略在探索自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的過程中確立的,而“加速度”概念是它的順延,教學(xué)也應(yīng)符合這個(gè)邏輯,讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究和科學(xué)推理中實(shí)現(xiàn)自主建構(gòu),具體流程如圖2所示.讓學(xué)生重演歷史,在數(shù)據(jù)的分析中認(rèn)識(shí)到自由落體運(yùn)動(dòng)(天然的加速運(yùn)動(dòng))的速度增加方式是簡(jiǎn)單的,是隨時(shí)間(而非位移)均勻增加的,從而建立起現(xiàn)代意義的加速度概念及其定義.

圖1 單元教學(xué)結(jié)構(gòu)及相應(yīng)目標(biāo)

圖2

4.2 課時(shí)2:用現(xiàn)代技術(shù)研究自由落體運(yùn)動(dòng)并測(cè)定當(dāng)?shù)刂亓铀俣?/p>

在現(xiàn)代技術(shù)支持下,不妨考慮直接驗(yàn)證伽利略的假設(shè),因?yàn)橛锌梢詼y(cè)量瞬時(shí)速度的儀器,如光電門、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器等,具體流程如圖3所示.整堂課以學(xué)生活動(dòng)為中心,提升學(xué)生的探究意識(shí)和研究能力,倡導(dǎo)合作式學(xué)習(xí)、反思性學(xué)習(xí).在此過程中,教師的作用主要有三:活動(dòng)的組織指導(dǎo)、思維的引領(lǐng)調(diào)控和結(jié)果的總結(jié)評(píng)價(jià).

圖3

4.3 課時(shí)3: 探究小車的運(yùn)動(dòng)規(guī)律并定性分析加速度的決定因素

在“實(shí)驗(yàn):探究小車的運(yùn)動(dòng)規(guī)律”(如圖4所示)中,讓學(xué)生借助v-t圖像分析數(shù)據(jù),體驗(yàn)小車的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與自由落體運(yùn)動(dòng)是類似的,并計(jì)算出加速度大小.讓學(xué)生改變條件再實(shí)驗(yàn)從而縱向?qū)Ρ?或組際間橫向?qū)Ρ?,指出相同和差異,進(jìn)而認(rèn)識(shí)到之前那樣定義的加速度是有意義的,它描述了小車的速度變化快慢(物理意義),將速度隨時(shí)間均勻變化定義為勻變速具有現(xiàn)實(shí)意義,因?yàn)檫@樣的運(yùn)動(dòng)模型是普遍的,同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生自覺發(fā)現(xiàn)加速度與力、質(zhì)量?jī)煞矫嬉蛩赜嘘P(guān).這樣的課堂內(nèi)容充實(shí),教學(xué)邏輯清晰而嚴(yán)密,充分挖掘了該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)意義,是教師引領(lǐng)下的學(xué)生自主體驗(yàn)和生成.

圖4 實(shí)驗(yàn)： 探究小車的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

4.4 課時(shí)4:探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系

在課時(shí)3基礎(chǔ)上,本課時(shí)展開“猜想、假設(shè)→方案設(shè)計(jì)→數(shù)據(jù)收集→數(shù)據(jù)分析→評(píng)價(jià)、交流→反思、改進(jìn)→完善、總結(jié)”.猜想和假設(shè)一定要基于事實(shí),這種事實(shí)最好是實(shí)驗(yàn),因?yàn)閷?shí)驗(yàn)是可控、可調(diào)、可測(cè)的,可以基于初步實(shí)驗(yàn)作定量假設(shè).所以,課時(shí)4與課時(shí)3是沒有明顯界線的,甚至半定量的研究可以放在課時(shí)3進(jìn)行.為了更好地開展本課時(shí)研究,加速度大小可以借助DIS快速得出,因?yàn)閷W(xué)生已經(jīng)基本建構(gòu)起概念.

方案設(shè)計(jì)之始不必追求精致,可只著眼于控制變量法下的兩個(gè)假設(shè)及相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析方法.數(shù)據(jù)分析的手段要有設(shè)計(jì),列表或作圖,要能直觀地得出結(jié)論,如:力一定時(shí)加速度與質(zhì)量的關(guān)系怎么反映?應(yīng)以質(zhì)量的倒數(shù)作為自變量.面對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如:圖像不過原點(diǎn)、無法擬合出直線等,務(wù)必實(shí)事求是.成功的教學(xué)不是“沒有問題”而是“產(chǎn)生問題”,教師要啟發(fā)學(xué)生提出問題,引導(dǎo)學(xué)生解決問題.所以,學(xué)生交流、師生對(duì)話、獨(dú)立反思是本課時(shí)的重要內(nèi)容,正是在此過程中實(shí)現(xiàn)方案的改進(jìn)和完善,使實(shí)驗(yàn)向最理想的結(jié)果邁近.

實(shí)驗(yàn)過程中,不妨引領(lǐng)學(xué)生思考這樣一些問題:倘若你所選的研究對(duì)象是小車,你是不是認(rèn)為其所受合外力就是繩子拉力?那么,你怎么量度其大小呢?若以懸掛重物的重力作為合外力,其研究對(duì)象是誰?最后,學(xué)生還會(huì)存在很多疑惑,如:“為什么改變小車質(zhì)量后不需要重新平衡摩擦力”,“為什么懸掛物質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車即可認(rèn)為拉力近似等于懸掛物重力”,等.教師應(yīng)把它們搜集起來,激發(fā)學(xué)生興趣,使其成為學(xué)生今后進(jìn)行理論探究的動(dòng)力.

5 “加速度”單元的教后研討(反思)

有學(xué)者提出,反思性思考和行動(dòng)是核心素養(yǎng)的核心.筆者認(rèn)為,這話有一定的道理,反思性思考的意識(shí)和行動(dòng)是一個(gè)人長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展所需的必備品格和關(guān)鍵能力之一,有時(shí)甚至至關(guān)重要.整個(gè)教學(xué)過程富含著教師引領(lǐng)下的學(xué)生反思,方案的改進(jìn)、完善以及結(jié)論的升華正是基于學(xué)生的反思.筆者給學(xué)生布置的課后作業(yè)就是反思報(bào)告,要求學(xué)生在反思基礎(chǔ)上提出問題及初步解決方案或設(shè)想,要有猜想及假設(shè)、推理及依據(jù)、事實(shí)及分析、歸納及結(jié)論等等.教師匯總學(xué)生的這些反思性問題,將其與實(shí)驗(yàn)報(bào)告一同作為評(píng)價(jià)學(xué)生的重要材料.同時(shí),以學(xué)生的反思促教師的反思與成長(zhǎng),使教后研討更有針對(duì)性和實(shí)效性.

6 結(jié)語

縱觀整個(gè)設(shè)計(jì),物理核心素養(yǎng)四個(gè)方面均有所體現(xiàn),這種體現(xiàn)不是刻意為之,是邏輯必然,是過程使然.在物理觀念方面,涉及運(yùn)動(dòng)觀以及力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系之觀念,使學(xué)生初步建立這樣的觀念:“概念、結(jié)論要與可觀察的事實(shí)相符合,而且要用簡(jiǎn)明的數(shù)學(xué)語言來表達(dá)它的結(jié)果”.在科學(xué)思維方面,領(lǐng)略了伽利略研究問題的方法,包括模型的建構(gòu)、科學(xué)的數(shù)學(xué)邏輯推理、批判質(zhì)疑和創(chuàng)新等,體會(huì)“為什么伽利略是近代科學(xué)之父,他的開創(chuàng)性工作有哪些?”在實(shí)驗(yàn)探究方面,讓學(xué)生充分體驗(yàn)所應(yīng)具有的一切要素(問題、證據(jù)、解釋、交流等),使學(xué)生的能力得以提升,通過對(duì)話使課堂成為播撒思考的種子、展開交流的場(chǎng)所.在科學(xué)態(tài)度方面,堅(jiān)持“面對(duì)結(jié)果務(wù)必實(shí)事求是,面對(duì)問題要迎難而上”,這是科學(xué)研究者所應(yīng)具有的基本品格,不能將原因總歸結(jié)為“在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi),……”,甚至無視某些情況是多次、多組反復(fù)出現(xiàn)的.

整個(gè)設(shè)計(jì)堅(jiān)持物理教學(xué)的兩個(gè)重要原則“以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),以思維為中心”,通過合理的教學(xué)邏輯,使知識(shí)的學(xué)科邏輯順利轉(zhuǎn)化為學(xué)生的認(rèn)知邏輯.核心素養(yǎng)指引下的單元設(shè)計(jì),著眼于學(xué)生長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展所需之必備品格和關(guān)鍵能力,成為課堂轉(zhuǎn)型的有力推手,使課堂成為提升學(xué)生核心素養(yǎng)的場(chǎng)所和舞臺(tái).在實(shí)施中,教師還要關(guān)注學(xué)生以下5個(gè)方面:學(xué)習(xí)的態(tài)度與感受、知識(shí)的習(xí)得與整合、知識(shí)的拓展與凝練、知識(shí)的有意義使用以及心智習(xí)慣(包括批判性思維、創(chuàng)造性思維和自我調(diào)整思維),不僅要關(guān)注容易測(cè)量的行為目標(biāo),也要重視不易測(cè)量的表現(xiàn)性目標(biāo),如情感態(tài)度、學(xué)習(xí)策略等.

1 鐘啟泉.基于核心素養(yǎng)的課程發(fā)展:挑戰(zhàn)與課題[J].全球教育展望,2016(1):3-25.

2 陳彩虹,趙琴,汪茂華,汪曉慧,吁思敏,向榮.基于核心素養(yǎng)的單元教學(xué)設(shè)計(jì)——全國第十屆有效教學(xué)理論與實(shí)踐研討會(huì)綜述[J].全球教育展望,2016(1):121-128.

3 白晶.勻加速直線運(yùn)動(dòng)模型的歷史意義和教育價(jià)值——從伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究談起[J].物理教師,2016(5):21-23.

4 王榮飛.滲透物理方法教育的“電磁感應(yīng)現(xiàn)象的兩類問題”教學(xué)設(shè)計(jì)[J].物理教師,2016(6):27-30.

5 王云生.課堂轉(zhuǎn)型與學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)[M].上海:上海教育出版社,2016:69-86.

6 何圣靜.物理定律的形成與發(fā)展[M].北京:測(cè)繪出版社,1988:29-35.

本文系蘇州市教育學(xué)會(huì)“十三·五”科研課題“基于提升學(xué)生核心素養(yǎng)的初高中物理教學(xué)銜接的實(shí)踐與研究”階段成果之一.

2016-11-18)