以深度学习为阶梯落实学科核心素养

惠广俊

摘   要：在分析深度学习的特征与表现基础上，对照核心素养要素的剖析解构，以“伽利略对自由落体运动的研究”为例，深至社会历史实践，深至学生心灵，培育学生的物理观念、科学思维、科学探究及科学态度与责任。

关键词：深度学习;核心素养;社会历史实践

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2020）6-0008-4

1    深度学习的内涵

深度学习是提升学生核心素养的有效途径。按照北京师范大学郭华教授对深度学习的说法：“深度学习就是指在教师引领下，学生围绕着具有挑战性的学习主题，全身心积极参与、体验成功、获得发展的有意义学习过程。”[1]

1.1    深度学习的主要特征

深度学习的主要特征有：（1）深度学习聚焦学生学习的体验性、科学思维发展和创新思考问题。（2）深度学习是帮助学生有意义地建构学科基本观念、学会学科基本研究方法的过程。（3）深度学习需要教师对学生学习的一定引领。

1.2    深度学习的“深”之表现

（1）深至社会历史实践，深至学生的科学态度与责任，深在学生的精神境界与观念。（2）深在研究学科系统结构、学科特点和学习规律。（3）深在激发学生的积极投入与创新发展。（4）深在学生通过主体深度加工的学习活动把握知识本质。

2    核心素养要素

物理核心素养围绕立德树人根本任务要求，体现物理课程的育人功能，表现在物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任的发展四个方面。物理观念是整个课程学习过程逐步累积深化形成;科学思维的发展是科学认知发展的核心，是指利用归纳或演绎等方法对自然界及其规律进行判断和推理的过程;科学探究包括猜想假设、问题证据等特征;科学态度与责任主要指实事求是，能够正确认识科学本质。

“伽利略对自由落体运动的研究”这节课，表面看起来是学习物理学史，实质是落实物理学史背后的具生长性的核心素养。伽利略的整个研究过程，既有质疑创新、科学推理的科学思维，又含科学探究的丰富要素，更有向权威挑战、基于证据和逻辑勇敢表达见解的科学态度与责任。显然，本节内容应以“史”之名，行“核心素养”之实，之间联系的桥梁即“深度学习”。

3    深度学习设计策略

深度学习设计的重点在于一节课的知识目标与素养目标是基于什么因素来确定的？每个教学环节设计的问题情境与学习活动分别对应哪个目标？学习的素养目标深至哪一层级的水平划分？学生已经学习了自由落体运动的规律，本节课的目的也不是简单地告诉学生伽利略当年用了什么方法进行研究。教学重点是伽利略为什么开展这个研究，他怎么开展这个研究，用了什么方法克服困难完成研究，当今教室里用什么方法进行研究，现代科技支撑下对该问题研究的发展和展望是什么。通过深度挖掘伽利略对研究方法的创新性，挑战亚里士多德理论正确与否及对落体运动规律的猜测、推导、实验验证的严谨思维过程，辩证性看待“亚伽”之争和科学的发展，促进学生核心素养的发展。

3.1    深至社会历史实践，培养科学思维的核心素养

模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新是科学思维核心素养的基本要素。

3.1.1    结合“佯谬”推理，培育科学推理和质疑创新素养

使用恰当的证据表达自己的观点，对已有的观点提出质疑，“佯谬”推理就是一个有效的途径。“佯谬”推理重视逻辑思维，逻辑思维是一种基于经验或理论进行的有条理、有根據的思维，通过分析比较、抽象概括等思维过程，根据证据进行判断、推理等方式，归纳或演绎，肯定或否定事物的本质特征和规律性联系，是学生物理学习中认识自然界和物理规律的重要认知方式。

活动1  伽利略关于落体快慢因素的推理

教师提出“如果你是伽利略，如何从科学推理的角度对亚里士多德的观点提出质疑呢”，由此将学生推向社会历史实践的模拟场景，深度激发学生心灵，全身心投入主动学习。图1以问题引领，给出了其中一条思维路径，在课堂实践中，学生的思维路径丰富多元，体现质疑创新素养。

活动2  伽利略关于落体运动性质的推理

1. 伽利略坚信自由落体运动是一种简单的加速运动，即速度是均匀变化的。他考虑了两种可能，其中一种是速度随位移均匀变化，即v∝x，另一种是速度随时间均匀变化，即v∝t。

2. 你能否按照伽利略猜测的速度随位移均匀变化绘制v-x图像？

第一个活动中用亚里士多德的矛攻其之盾，在逻辑推理中引发学生的认知冲突，学生通过分析认识到“物体越重下落越快”的观点是错误的。可是关于“佯谬”推理不应止步于此，学生可能会产生“两个相同重的物体下落快慢是一样的”的错误观点。用一片纸和同质量的纸团下落的对比实验可以深度剖析亚里士多德观点错误的原因，促进学生建立科学、正确的解释：“由于空气阻力的原因，影响了物体下落的快慢。”

第二个活动中，学生根据所绘制的v-x图像（图2），发现图像的斜率是时间的倒数，而且居然是一个恒定数值。这显然是非常荒谬的。因为时间是不可能停止的，也就理解了这种猜测的错误。

3.1.2    “转换”变量研究，培育模型建构和科学推理素养

活动3 伽利略转换“不可能的测量”为“可能的测量”

伽利略当年在研究落体运动时遇到了巨大的困难，可他没有在困难面前止步，而是创造性地用“转换”的方法，解决了一个个难题，不仅确立了许多用于描述运动的基本概念，更重要的是促进了“科学思维方式”和“科学研究方法”的形成与发展，打开了近代科学的大门。他是怎么把“不可能”变为“可能”并实现的呢？

转化1：直接转化为间接。伽利略坚信科学的“简洁”之美，在猜想下落速度v∝t后，他需要用证据证明自己的猜想是否正确。可是在当时的年代，他遇到速度测量的技术困难，怎么办呢？根据《物理学史》的记载，他创新性地利用如图3数形变换的处理方法，利用图示推导出面积表示位移x，得出了若v∝t，则x∝t2的结论，巧妙地把速度v的测量转化为间接的下落距离x的测量，把v-t的关系研究转化为x-t的关系研究。

转化2：竖直落体研究转化为斜面实验研究。在伽利略时代，简陋的计时工具无法精确测量自由落体运动所用的时间。伽利略不是单纯在增加下落高度上下功夫，而是转换角度在减缓下落的速度、延长下落的时间上想办法。他创新地利用斜面“冲淡”重力实验，巧妙地将竖直方向上的落体实验转化为斜面上的下落运动。当然，他大胆地猜想到这两种运动性质是一样的，才有了后面的合理外推斜面倾角不断增大，直到倾角变为90°。

转化3：计时测量转化为质量测量。伽利略需要自己发明相对精确些的计时工具，脉搏计时、节拍计时都试用过但不够理想，最后他创新发明了能相对较准确计时的“水钟”——“用了一个架在高处的大水桶，在桶底安一个小细管让细小水流能流出，在每次铜球滚下的时间内都用一个杯子接下流出的水，然后用精确的秤称出杯内水的重量，各次水的质量的差别或倍数就给出了各次铜球滚下所用的时间差或倍数。” [2]

3.2    “继承与发展”对比，培育基于证据的科学探究素养

深度学习的课堂中，教师要带领学生站在历史的高度，认识“继承—突破—再继承—再突破”的循环螺旋发展，认识到事物由“肯定—否定—否定之否定—……”的辩证发展、永恒发展的前进过程，认识到科学发展永远不会终止步伐的真谛。

活动4 关于落体运动快慢认知发展的整体设计思路

环节1：

亚里士多德的错误结论：基于现象观察和直觉思维。

环节2：

伽利略的创新研究：敢于创新思考，落体佯谬推理、斜面实验验证，转换测量变量、合理外推;提出问题，作出假设并制订科学探究方案，基于实验数据分析验证猜测，发现规律。

环节3：

教室里的体验：两张纸片实验、钱毛管实验，提炼出影响落体下落快慢的因素——摩擦力。抓住主要因素，忽略次要因素，建立物理模型分析问题。

环节4：

教室里的实验探究：时代与科技迅猛发展，如今在教室里可以用哪些实验器材和装置验证伽利略当年对自由落体运动规律的猜想？

学生方案一：打点计时器法，用重锤带纸带自由下落，计算纸带上计时点的瞬时速度，利用描点法画出速度与时间的v-t图像，形象、直观地寻找自由落体运动的规律。

学生方案二：打点计时器法+伽利略的斜槽实验，让小车替换小球，小车带着纸带在倾斜的轨道上下滑，用描点法画出速度与时间的v-t图像，形象、直观地寻找自由落体运动的规律。不断改变斜槽倾斜角度，画v-t图像，把伽利略当年的合理外推变为实验事实。

学生方案三：位移传感器法，让小车替换小球，小车带着位移传感器在倾斜的轨道上下滑，用描点法画出位移与时间的s-t图像或者s-t2图像，形象、直观地寻找自由落体运动的规律。

学生方案四：频闪照相法。

学生方案五：光电门法……

选取一种方案课堂操作。

环节5：

介绍科学家们的探究：美国宇航员斯科特在月球表面的铁锤与羽毛从同一高度同时下落实验;朱棣文通过“坠落”原子精确测算出了单个原子所受的重力加速度，发现这一重力加速度与由数十亿原子组成的宏观尺度物体所受重力加速度相同，即微观原子与宏观物体一样下落的速度也与其重量无关[3]。

环节6：

还在进行的探索：物理学家费希巴赫的科研小组通过实验发现，不同质量的物体，在真空中实际上并不具有共同的重力加速度！[3]自然界存在第五种力吗？研究在继续……

6个环节的探究，从古至今到未来，科学研究的发展包含了物理学家们科学思维的经验、科学思维的形成和发展。无惧困难、勇往直前是学生要学习的科学精神，科学探究没有创新，就不能持续，也不会有新成果体现。

3.3    基于事实的大胆外推，培育勇敢坚定的科学态度与责任素养

猜测是解决问题的开端，猜测是一种科学的方法。爱因斯坦说过：“提出问题比解决问题更重要，提出的新问题、新可能性，从新视角去看旧问题，都需要创造性的想象力。”有时候问题和想象力就出现在一刹那的直觉当中。

伽利略是敢于践行直觉思维的代表，他敢于猜测，而且开创了逻辑、数学和实验检验猜测的科学方法。伽利略当年的斜面实验，因受器材所限，在超过5°时实验误差就很大了，但是，基于他大胆的直觉和逻辑思维，他还是进行了合理外推，可见他当年的勇气之大。

“如果完全没有空气阻力，那么所有物体下落都将一样快。”以当年的条件，是没有办法创造完全没有阻力的真空环境进行实验验证，可是伽利略还是大胆地推测了，也足见他的勇气。此外，伽利略通过逻辑推理推翻了亚里士多德的落体运动观，他坚信“自然界是简单的，自然界的规律也是简单的。”进而选择v∝t，摒弃v∝x，因为当时加速度的概念还没有出现，他的逻辑推理离不开一定程度的直觉思维。

这里特别要说明的是，直觉思维与观点并非一时兴起的信口雌黄，而是基于事实证据基础上的强烈自信的自然结果。时代的局限性、科技的发展水平、思想的束缚性对亚里士多德和伽利略两位大师的研究有影响，学生要树立不迷信权威、尊重科学、勇于创新的科学精神。

4    结  语

深度学习的设计，深至社会历史实践的深度，引导学生站在历史发展的长河中，像伽利略那样，从生活实践中发现问题、思考问题和解决问题，有效激发学生全身心投入到有思想、有情感、有创造力的主动学习和积极活动中，直达学生心灵深处。追寻科学家的发现思路、发现过程，不仅仅是对知识本身，还对知识发现、发展的过程以及学习知识的过程本身进行价值判断，领会思维方法，培养科学思维，是发展学生核心素养的有效途径。

参考文献：

[1]郭华.深度学习与课堂教学改进[J].基础教育课程，2019（2）：10-15.

[2]刘伟.伽利略对自由落体运动研究的再现[J].物理实验，2006（3）：28-29.

[3]周建秋. 科学本质观视角下的初中科学教学策略[J]. 现代中小学教育，2014（1）：82-84.

[4]任虎虎.促进深度学习，提升思维品质[J].物理教师，2019，40（4）：19-21.

[5]高嵩，焦蕊.自由落體运动中的物理学史与教学[J].物理教师，2019，40（5）：13-16.

（栏目编辑    赵保钢）