惠廣俊

摘 ? 要：在分析深度學(xué)習(xí)的特征與表現(xiàn)基礎(chǔ)上，對(duì)照核心素養(yǎng)要素的剖析解構(gòu)，以“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”為例，深至社會(huì)歷史實(shí)踐，深至學(xué)生心靈，培育學(xué)生的物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究及科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí);核心素養(yǎng);社會(huì)歷史實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2020）6-0008-4

1 ? ?深度學(xué)習(xí)的內(nèi)涵

深度學(xué)習(xí)是提升學(xué)生核心素養(yǎng)的有效途徑。按照北京師范大學(xué)郭華教授對(duì)深度學(xué)習(xí)的說法：“深度學(xué)習(xí)就是指在教師引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞著具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，全身心積極參與、體驗(yàn)成功、獲得發(fā)展的有意義學(xué)習(xí)過程?！盵1]

1.1 ? ?深度學(xué)習(xí)的主要特征

深度學(xué)習(xí)的主要特征有：（1）深度學(xué)習(xí)聚焦學(xué)生學(xué)習(xí)的體驗(yàn)性、科學(xué)思維發(fā)展和創(chuàng)新思考問題。（2）深度學(xué)習(xí)是幫助學(xué)生有意義地建構(gòu)學(xué)科基本觀念、學(xué)會(huì)學(xué)科基本研究方法的過程。（3）深度學(xué)習(xí)需要教師對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的一定引領(lǐng)。

1.2 ? ?深度學(xué)習(xí)的“深”之表現(xiàn)

（1）深至社會(huì)歷史實(shí)踐，深至學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，深在學(xué)生的精神境界與觀念。（2）深在研究學(xué)科系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、學(xué)科特點(diǎn)和學(xué)習(xí)規(guī)律。（3）深在激發(fā)學(xué)生的積極投入與創(chuàng)新發(fā)展。（4）深在學(xué)生通過主體深度加工的學(xué)習(xí)活動(dòng)把握知識(shí)本質(zhì)。

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(wù)要求，體現(xiàn)物理課程的育人功能，表現(xiàn)在物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的發(fā)展四個(gè)方面。物理觀念是整個(gè)課程學(xué)習(xí)過程逐步累積深化形成;科學(xué)思維的發(fā)展是科學(xué)認(rèn)知發(fā)展的核心，是指利用歸納或演繹等方法對(duì)自然界及其規(guī)律進(jìn)行判斷和推理的過程;科學(xué)探究包括猜想假設(shè)、問題證據(jù)等特征;科學(xué)態(tài)度與責(zé)任主要指實(shí)事求是，能夠正確認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)。

“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”這節(jié)課，表面看起來是學(xué)習(xí)物理學(xué)史，實(shí)質(zhì)是落實(shí)物理學(xué)史背后的具生長性的核心素養(yǎng)。伽利略的整個(gè)研究過程，既有質(zhì)疑創(chuàng)新、科學(xué)推理的科學(xué)思維，又含科學(xué)探究的豐富要素，更有向權(quán)威挑戰(zhàn)、基于證據(jù)和邏輯勇敢表達(dá)見解的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。顯然，本節(jié)內(nèi)容應(yīng)以“史”之名，行“核心素養(yǎng)”之實(shí)，之間聯(lián)系的橋梁即“深度學(xué)習(xí)”。

3 ? ?深度學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)策略

深度學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于一節(jié)課的知識(shí)目標(biāo)與素養(yǎng)目標(biāo)是基于什么因素來確定的？每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)的問題情境與學(xué)習(xí)活動(dòng)分別對(duì)應(yīng)哪個(gè)目標(biāo)？學(xué)習(xí)的素養(yǎng)目標(biāo)深至哪一層級(jí)的水平劃分？學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，本節(jié)課的目的也不是簡單地告訴學(xué)生伽利略當(dāng)年用了什么方法進(jìn)行研究。教學(xué)重點(diǎn)是伽利略為什么開展這個(gè)研究，他怎么開展這個(gè)研究，用了什么方法克服困難完成研究，當(dāng)今教室里用什么方法進(jìn)行研究，現(xiàn)代科技支撐下對(duì)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(duì)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(duì)落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的猜測、推導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的嚴(yán)謹(jǐn)思維過程，辯證性看待“亞伽”之爭和科學(xué)的發(fā)展，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

3.1 ? ?深至社會(huì)歷史實(shí)踐，培養(yǎng)科學(xué)思維的核心素養(yǎng)

模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新是科學(xué)思維核心素養(yǎng)的基本要素。

3.1.1 ? ?結(jié)合“佯謬”推理，培育科學(xué)推理和質(zhì)疑創(chuàng)新素養(yǎng)

使用恰當(dāng)?shù)淖C據(jù)表達(dá)自己的觀點(diǎn)，對(duì)已有的觀點(diǎn)提出質(zhì)疑，“佯謬”推理就是一個(gè)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(jīng)驗(yàn)或理論進(jìn)行的有條理、有根據(jù)的思維，通過分析比較、抽象概括等思維過程，根據(jù)證據(jù)進(jìn)行判斷、推理等方式，歸納或演繹，肯定或否定事物的本質(zhì)特征和規(guī)律性聯(lián)系，是學(xué)生物理學(xué)習(xí)中認(rèn)識(shí)自然界和物理規(guī)律的重要認(rèn)知方式。

活動(dòng)1 ?伽利略關(guān)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(xué)推理的角度對(duì)亞里士多德的觀點(diǎn)提出質(zhì)疑呢”，由此將學(xué)生推向社會(huì)歷史實(shí)踐的模擬場景，深度激發(fā)學(xué)生心靈，全身心投入主動(dòng)學(xué)習(xí)。圖1以問題引領(lǐng)，給出了其中一條思維路徑，在課堂實(shí)踐中，學(xué)生的思維路徑豐富多元，體現(xiàn)質(zhì)疑創(chuàng)新素養(yǎng)。

活動(dòng)2 ?伽利略關(guān)于落體運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的推理

1. 伽利略堅(jiān)信自由落體運(yùn)動(dòng)是一種簡單的加速運(yùn)動(dòng)，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(shí)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(gè)活動(dòng)中用亞里士多德的矛攻其之盾，在邏輯推理中引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，學(xué)生通過分析認(rèn)識(shí)到“物體越重下落越快”的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的?？墒顷P(guān)于“佯謬”推理不應(yīng)止步于此，學(xué)生可能會(huì)產(chǎn)生“兩個(gè)相同重的物體下落快慢是一樣的”的錯(cuò)誤觀點(diǎn)。用一片紙和同質(zhì)量的紙團(tuán)下落的對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以深度剖析亞里士多德觀點(diǎn)錯(cuò)誤的原因，促進(jìn)學(xué)生建立科學(xué)、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(gè)活動(dòng)中，學(xué)生根據(jù)所繪制的v-x圖像（圖2），發(fā)現(xiàn)圖像的斜率是時(shí)間的倒數(shù)，而且居然是一個(gè)恒定數(shù)值。這顯然是非?；闹嚨?。因?yàn)闀r(shí)間是不可能停止的，也就理解了這種猜測的錯(cuò)誤。

3.1.2 ? ?“轉(zhuǎn)換”變量研究，培育模型建構(gòu)和科學(xué)推理素養(yǎng)

活動(dòng)3 伽利略轉(zhuǎn)換“不可能的測量”為“可能的測量”

伽利略當(dāng)年在研究落體運(yùn)動(dòng)時(shí)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(zhuǎn)換”的方法，解決了一個(gè)個(gè)難題，不僅確立了許多用于描述運(yùn)動(dòng)的基本概念，更重要的是促進(jìn)了“科學(xué)思維方式”和“科學(xué)研究方法”的形成與發(fā)展，打開了近代科學(xué)的大門。他是怎么把“不可能”變?yōu)椤翱赡堋辈?shí)現(xiàn)的呢？

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

轉(zhuǎn)化2：豎直落體研究轉(zhuǎn)化為斜面實(shí)驗(yàn)研究。在伽利略時(shí)代，簡陋的計(jì)時(shí)工具無法精確測量自由落體運(yùn)動(dòng)所用的時(shí)間。伽利略不是單純在增加下落高度上下功夫，而是轉(zhuǎn)換角度在減緩下落的速度、延長下落的時(shí)間上想辦法。他創(chuàng)新地利用斜面“沖淡”重力實(shí)驗(yàn)，巧妙地將豎直方向上的落體實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為斜面上的下落運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然，他大膽地猜想到這兩種運(yùn)動(dòng)性質(zhì)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(zhuǎn)化3：計(jì)時(shí)測量轉(zhuǎn)化為質(zhì)量測量。伽利略需要自己發(fā)明相對(duì)精確些的計(jì)時(shí)工具，脈搏計(jì)時(shí)、節(jié)拍計(jì)時(shí)都試用過但不夠理想，最后他創(chuàng)新發(fā)明了能相對(duì)較準(zhǔn)確計(jì)時(shí)的“水鐘”——“用了一個(gè)架在高處的大水桶，在桶底安一個(gè)小細(xì)管讓細(xì)小水流能流出，在每次銅球滾下的時(shí)間內(nèi)都用一個(gè)杯子接下流出的水，然后用精確的秤稱出杯內(nèi)水的重量，各次水的質(zhì)量的差別或倍數(shù)就給出了各次銅球滾下所用的時(shí)間差或倍數(shù)。” [2]

3.2 ? ?“繼承與發(fā)展”對(duì)比，培育基于證據(jù)的科學(xué)探究素養(yǎng)

深度學(xué)習(xí)的課堂中，教師要帶領(lǐng)學(xué)生站在歷史的高度，認(rèn)識(shí)“繼承—突破—再繼承—再突破”的循環(huán)螺旋發(fā)展，認(rèn)識(shí)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(jìn)過程，認(rèn)識(shí)到科學(xué)發(fā)展永遠(yuǎn)不會(huì)終止步伐的真諦。

活動(dòng)4 關(guān)于落體運(yùn)動(dòng)快慢認(rèn)知發(fā)展的整體設(shè)計(jì)思路

環(huán)節(jié)1：

亞里士多德的錯(cuò)誤結(jié)論：基于現(xiàn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，轉(zhuǎn)換測量變量、合理外推;提出問題，作出假設(shè)并制訂科學(xué)探究方案，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證猜測，發(fā)現(xiàn)規(guī)律。

環(huán)節(jié)3：

教室里的體驗(yàn)：兩張紙片實(shí)驗(yàn)、錢毛管實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)探究：時(shí)代與科技迅猛發(fā)展，如今在教室里可以用哪些實(shí)驗(yàn)器材和裝置驗(yàn)證伽利略當(dāng)年對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的猜想？

學(xué)生方案一：打點(diǎn)計(jì)時(shí)器法，用重錘帶紙帶自由下落，計(jì)算紙帶上計(jì)時(shí)點(diǎn)的瞬時(shí)速度，利用描點(diǎn)法畫出速度與時(shí)間的v-t圖像，形象、直觀地尋找自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

學(xué)生方案二：打點(diǎn)計(jì)時(shí)器法+伽利略的斜槽實(shí)驗(yàn)，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(diǎn)法畫出速度與時(shí)間的v-t圖像，形象、直觀地尋找自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。不斷改變斜槽傾斜角度，畫v-t圖像，把伽利略當(dāng)年的合理外推變?yōu)閷?shí)驗(yàn)事實(shí)。

學(xué)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(diǎn)法畫出位移與時(shí)間的s-t圖像或者s-t2圖像，形象、直觀地尋找自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

學(xué)生方案四：頻閃照相法。

學(xué)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(xué)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(shí)下落實(shí)驗(yàn);朱棣文通過“墜落”原子精確測算出了單個(gè)原子所受的重力加速度，發(fā)現(xiàn)這一重力加速度與由數(shù)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(guān)[3]。

環(huán)節(jié)6：

還在進(jìn)行的探索：物理學(xué)家費(fèi)希巴赫的科研小組通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同質(zhì)量的物體，在真空中實(shí)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(gè)環(huán)節(jié)的探究，從古至今到未來，科學(xué)研究的發(fā)展包含了物理學(xué)家們科學(xué)思維的經(jīng)驗(yàn)、科學(xué)思維的形成和發(fā)展。無懼困難、勇往直前是學(xué)生要學(xué)習(xí)的科學(xué)精神，科學(xué)探究沒有創(chuàng)新，就不能持續(xù)，也不會(huì)有新成果體現(xiàn)。

3.3 ? ?基于事實(shí)的大膽外推，培育勇敢堅(jiān)定的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任素養(yǎng)

猜測是解決問題的開端，猜測是一種科學(xué)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?jiǎng)?chuàng)造性的想象力?！庇袝r(shí)候問題和想象力就出現(xiàn)在一剎那的直覺當(dāng)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(shù)學(xué)和實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)猜測的科學(xué)方法。伽利略當(dāng)年的斜面實(shí)驗(yàn)，因受器材所限，在超過5°時(shí)實(shí)驗(yàn)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(jìn)行了合理外推，可見他當(dāng)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?！币援?dāng)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)觀，他堅(jiān)信“自然界是簡單的，自然界的規(guī)律也是簡單的。”進(jìn)而選擇v∝t，摒棄v∝x，因?yàn)楫?dāng)時(shí)加速度的概念還沒有出現(xiàn)，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(diǎn)并非一時(shí)興起的信口雌黃，而是基于事實(shí)證據(jù)基礎(chǔ)上的強(qiáng)烈自信的自然結(jié)果。時(shí)代的局限性、科技的發(fā)展水平、思想的束縛性對(duì)亞里士多德和伽利略兩位大師的研究有影響，學(xué)生要樹立不迷信權(quán)威、尊重科學(xué)、勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神。

4 ? ?結(jié) ?語

深度學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)，深至社會(huì)歷史實(shí)踐的深度，引導(dǎo)學(xué)生站在歷史發(fā)展的長河中，像伽利略那樣，從生活實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題、思考問題和解決問題，有效激發(fā)學(xué)生全身心投入到有思想、有情感、有創(chuàng)造力的主動(dòng)學(xué)習(xí)和積極活動(dòng)中，直達(dá)學(xué)生心靈深處。追尋科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)思路、發(fā)現(xiàn)過程，不僅僅是對(duì)知識(shí)本身，還對(duì)知識(shí)發(fā)現(xiàn)、發(fā)展的過程以及學(xué)習(xí)知識(shí)的過程本身進(jìn)行價(jià)值判斷，領(lǐng)會(huì)思維方法，培養(yǎng)科學(xué)思維，是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的有效途徑。

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（欄目編輯 ? ?趙保鋼）