指向核心素养的物理课堂“深度学习”教学设计

陈佳丽 董鸿飞 邓素华

摘 要：依据深度学习理念改进课堂教学、落实核心素养是现阶段亟待解决的课堂教学问题，是实现培养创新型人才队伍的一个突破口。本文以“力按作用效果分解”为例，在高中物理课堂教学中通过联系生活实际，利用“认知冲突、动手设计、实验探究、应用迁移”等教学策略优化课堂教学，实现学生在认知、思维和情感方面的深度参与，创设指向核心素养的物理课堂深度学习过程，让学生在掌握学科知识的过程中达到培养物理学科核心素养的目标。

关键词：核心素养；深度学习；高中物理

中图分类号：G633.7  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2024）05-0115-04

教育部基础教育课程教材发展中心深度学习教学改进项目组对“深度学习”界定为在教师引领下，学生围绕具有挑战性的学习主题，全身心积极参与、体验成功、获得发展的有意义的学习过程[1]。高中物理学中的力的合成与分解是学生很难深度理解其中的物理思想的一个内容，教师以“力按作用效果分解”为载体，引领学生对力的合成与分解进行深度学习，分解等效替代物理学思想，在帮助学生对物理知识深度学习的过程中，探索如何落实物理学科核心素养的培养。

1 落实核心素养，促进学生在物理课堂教学中的深度学习

教师对教学内容、学习环境、教学评价等环节的设计是深度学习发生的保障[2]。本文以“力按作用效果分解”为例，通过设置“鸡蛋很容易打碎”却“不容易踩碎”的情境，引发学生认知冲突，在对可能的原因进行多方面的猜想后，引导学生用“力的分解”科学解释鸡蛋“不易碎”的原因。带着疑问对力按作用效果分解这一知识进行学习，通过自制教具进行对比实验，观察木块的运动和木块与斜面间的相互作用，定性了解木块重力按作用效果的分解，并理论推导出两个分力的大小，最后引入压力传感器和拉力传感器定量研究木块重力按作用效果的分解。通过探索、定性和定量的分析过程，学生经历深度思考与科学探究，全身心地参与课堂教学，并在知识迁移和应用的过程中走出物理课堂，体会物理学知识在大自然和生产生活中的实际应用。

1.1 形成认知冲突，引发深度思考

学生在已知“力的合成”“力的分解是力的合成的逆运算”基础上，根据深度学习理念，利用学生在生活中的一些经验和错误的理解，创设“踩在脚下的鸡蛋为何不碎”这一具有挑战性的学习主题开展教学。在教学过程中首先演示打碎生鸡蛋的过程，让学生猜测——如果拿四颗鸡蛋踩在脚下，会不会碎？几乎全班学生会认为踩在脚下的生鸡蛋很容易碎，接下来，在几个同学的合作下进行演示。学生发现鸡蛋并没有被踩碎，在对比实验的过程中亲身体会鸡蛋的易碎而又坚硬。但是，学生对力是如何按作用效果进行分解的理解与应用还处于浅层学习的状态，很多解释只停留于表象，认知徘徊于低阶而无法利用所学知识进行科学地解释。各种疑惑便成为打开高阶认知思维之门的钥匙，引发学生的深度思考，促进物理课堂深度学习过程。

1.2 大胆猜想并分类评价，促进深度思考

在物理课堂教学中，通过搭建有效的概念“脚手架”是把复杂问题转化为易解决的简单问题的一种策略，能帮助学生提高分析和解决物理问题的能力[3]。学生在“不碎的鸡蛋”问题中已经产生了很大困惑，此时，先将学生的视线转移到对一个已知力进行分解的问题。通过帮助学生回忆力的分解是力的合成的逆运算这一知识点，对手中透明垫板上一个竖直向下的力F进行分解，在对比小组内其他同学的分解图后，对一个已知力进行分解的多种方式进行深度思考，得出“如果不加任何限制条件，对于一个竖直向下的力F有无数组大小和方向都不同的分力”的结论。随后，通过追问“在无数个平行四边形中究竟该如何确定其中的一个？请设计实验并验证自己的猜想假设”引入下一步的科学探究环节——对木块重力按作用效果分解中的作用效果的可视化。

1.3 设计实验并动手实验，实现深度理解

实验探究与理论推导的结合可以让学生经历科学论证的过程。在猜想的基础上，对所提供的实验器材（100g的木块、硬纸板、软塑料垫板、倾角为30°的直角木支架）进行实验设计，经历科学的实验探究过程，理解力按作用效果分解的实质。通过与“滑滑梯”的生活经验相结合，引导学生从运动和相互作用的角度认识力的作用效果，培养学生尽量减小实验误差的意识，增强证据意识，提高科学论证能力。在以上循序渐进的探究过程中，引导学生深度思考力的分解。

1.3.1 探究一：定性分析和定量研究

物理学是一门高度定量研究的学科，许多物理问题都离不开测量。要想对一个问题进行高度统摄，就要先对问题居高临下，统观全局，从整体上做定性思考，才有可能抓住问题的本质[4]。在学生已知“如果不加任何限制条件，一个力可以分解为无数组大小和方向都不同的分力”的前提下，通过观察斜面实验，从动力学的角度思考木块沿硬纸板加速下滑的原因，分析出是因为木块重力对木块产生了沿斜面下滑的作用效果后，再让学生联想实际生活中滑滑梯的经验强化知识的理解。如果还是有一部分学生不理解，那么，在斜面顶端固定橡皮筋，橡皮筋下端与重物连接，当物体在斜面静止时通过橡皮筋的伸张来可视化描述重力的沿斜面下滑的作用效果。在此过程中学生并不能明显观察到木块对斜面也有挤压的作用，因此，通过设计对比实验，利用软塑料垫板“放大”木块挤压斜面的作用效果，引导学生从相互作用观进行思考，得出木块重力还产生了压弯斜面的作用效果，并由此联想到年代久远的滑梯都会有一定程度的形变。学生通过作用效果的可视化描述与探索，实现深度思考，结合实验操作，实现对“作用效果”的深度理解。

高中生对物理学矢量意识不强，分析能力、概括能力、作图能力、运用数学知识解决物理问题的能力还有待培养。学生在本节课中的困惑主要有：如何正确分解一个已知力？在已知分力方向的前提下如何确定分力的大小？这就需要能够正确地利用平行四边形定则，通过准确作图，完成理论计算，得出G1=0.50N；G2=0.85N。学生完成如何对木块重力进行分解的实验探究过程，并对分力大小进行了理论推导，同时将物理问题与生活实际相联系，对力按作用效果分解有了切身的感受，逐渐认识到物理学可以对生活中相关的现象进行描述和解释，物理既来源于生活，又服务生活。

1.3.2 探究二：更加精准化的实验研究

虽然已经过了实验探索和理论推导，但是按作用效果的分解方式是否可靠？如何解决实际问题？等问题还困扰着学生。为落实科学探究的要求，教师要帮助学生创设有助于深度思考、深度探索的实验条件和环境。可以利用数字化传感器实验技术使高中物理实验思维和过程可视化，对实验设计和仪器进行进一步改进，将不可见、不可做转变为可观察、可测量，帮助学生建立起客观的物理概念，在科学探究的过程中深入地理解物理知识[5]。

压力传感器和拉力传感器的引入将帮助学生更好地解决“将不可测量变为可测量”的问题，通过对实验过程的设计，确定实验器材的连接方式，并自己动手将拉力传感器和压力传感器固定在合适的位置上，再将其与数据采集器和电脑相连接，如图1。通过计算机软件测量数据，直接读出沿斜面方向上的分力大小为G1=0.49N，与垂直斜面方向上分力为G2=0.85N，根据平行四边形定则得出G==0.97N≈0.98N。在数据分析的过程中，学生会发现实验测量值与理论计算值有较大偏差，在解决此问题的过程中，学生会对减小误差的方法进行多角度探究，对力是按作用效果分解的方式进行深入思考，最后通过更换软硬合适、光滑度较高的斜面和保证细线与斜面的平行等减小实验误差，得出比较准确的结果，提高学生对知识、数据、实验等都会不断发展变化的认识。

深刻理解实验探究过程是根据平行四边形定则对力按其作用效果进行分解，将分解的思维过程变得可观察，分解的结果变得可测量。通过分析、评价、创造认知思维的训练提高学生的认知水平，培养学生解决问题能力和抽象思维结构，并将它们融入学生原有的认知中，达到对新知识的深度学习。

1.4 学会应用迁移，解决实际工程问题

通过设计“如何修建引桥”的问题，如表1设计引桥，让学生扮演工程师角色去解决实际的工程问题。以课外小资料的形式补充学生引桥知识，先自主设计，再进行四人一小组合作交流，在设计过程中检测学生将实际问题转化成物理模型、联系已有知识和经验解决实际工程问题的能力。小组内对于引桥的不同设计体现出了学生发散思维和创造思维的简单运用。接下来让学生依据分类评价标准对小组成员的设计成果依次进行打分，引导学生对现有方案质疑，并要求恰当使用证据解释自己的观点，之后小组合作研制最终设计方案，小组发言人通过简练的语言表明小组观点，最后全班找出需要改进的问题，在反馈中贴近真正工程师的设计，得出一份较为合理的设计方案。

在工程问题的解决过程中，教师带领学生经历对“力按作用效果的分解”从记忆、领会的低阶思维与创造思维深度融合[6]，培养学生在合作中既要坚持观点又能修正错误，能依据普遍接受的道德与规范认识和评价物理研究与应用，具有保护环境、节约资源以及促进可持续发展的责任感。从而通过经历解决一个实际问题的过程，在学生互评、教师的过程性评价中检验学生深度学习效果，将核心素养的培养落实到课堂教学过程中。

2 以更深层的拓展，检验深度学习成果

2.1 深层拓展一：认知由平面走向立体

通过引导学生解密“不易碎的鸡蛋”，利用“力按作用效果分解”对问题进行科学的分析，将本节课所学知识运用到生活中的实际问题。对刚入高中的学生来说，空间受力分析是一个难点，因此首先将鸡蛋由立体转化为某一竖直切面的分析，分割出竖直切面上的曲线，再选择曲线上的一点，对作用于该点的竖直向下的F力进行分解，如图2所示。其次，讲解点的聚集而形成曲线，能够分散F力，以此推理，鸡蛋表面弧线上的各个点都是如此。最后，解释以竖轴为中心的曲线转动会形成一个拱形面，无数个竖直平面再次分散F力。经过两种分散，使F1和F2不足以破坏鸡蛋时，鸡蛋便会完好无损。接下来，利用3D动画技术，帮助学生在现有理解的基础上突破对于空间受力情况的理解，在体现现代信息技术工具解决常规方法难以实现的实验现象的同时，一步步揭开不碎鸡蛋的物理本质，强化学生对“力按作用效果分解”的理解，加强学生学科知识、科学技术和科学方法都可以不断发展变化的认识。

2.2 深层拓展二：认知从物理走向生活、走进自然

力按作用效果的分解在生活中十分广泛地存在，教师引导学生从不碎的鸡蛋到人类的头部、乌龟的龟壳、鸟类的头部再到天体，从物理学的视角正确描述和解释它们拱形或球形的结构中所蕴含的力按作用效果分解的奥妙。并且，人类利用这一知识设计桥梁、屋顶的工程设计和产品制造等普遍服务于我们的生活，提高我们生活中的舒适感。

课程的最后，通过设计发散性的问题：如果把鸡蛋旋转90°后实验结果会如何？“不易碎的鸡蛋”除了力的分解知识以外还会涉及哪些知识？引导学生在对未知事情的好奇中，进行无尽的联想和探索。培养学生能够不断发展并优化自己科学思维、科学方法、科学态度的能力。

3 总结与展望

本文以“力按作用效果的分解”为例，探索利用“认知冲突、动手设计、实验探究、应用迁移”等环节优化高中物理课堂教学。通过在课堂上设置环环相扣的学习任务，搭建物理概念的“脚手架”，让学生在逐个击破小问题的过程中深度思考所学知识，训练低阶思维与创造思维的深度融合。在定性探究过程中帮助学生深入理解何为按作用效果进行分解，促进学生动力学观念、运动与相互作用观念的形成发展，学会运用动力学观念解释自然现象。在定量验证让学生经历科学实验探究的一般过程，用科学的研究方法验证力按作用效果的分解方式，让学生经历把一个整体的事物分解为几个要素进行科学探究，以及把问题的几个要素结合成一个整体进行综合认识的思维过程，提高学生的分析与综合能力。学生在观察、实验的基础上通过科学推理和科学论证得到结论，通过数据分析再优化实验设计，加强知识、技术和实验的优化发展意识。探索通过调动学生学习的积极性和主动性，对学生进行科学思维的教育，让学生学会用科学的态度面对问题和解决问题。同时，将深度学习的课堂评价贯穿于整个学习活动，有效评价促进教与学都能按照预定目标发展，让学生能及时看到、听到、体验到所学知识的学习成果、同学评价、教师评价，对知识、能力、课堂表现等方面的表现进行自主反思，达到学习知识、提升能力，设计追问和深度学习情景的目的是激发学生的内驱力，促使学生真思考、真学习，逐步达到深度学习，同时在学生深度学习的过程中落实对学生物理学科核心素养的培养，在接下来的研究中，将继续探索指向核心素养的深度学习的课堂教学模式，进行教学实践研究，以期为学科教师在指向核心素养的深度学习教学提供案例参考，为课堂教学模式的改革提供经验借鉴。

参考文献：

〔1〕胡久华，罗滨，陈颖.指向“深度学习”的化学教学实践改进[J].课程教材教法，2017，37（03）：90-96.

〔2〕吴双，张磊.物理教学中促进学生深度学习的策略探索[J].物理通报，2018，37（07）：10-15.

〔3〕许湘苗，张军朋.物理综合性问题的一种教学策略：搭建物理概念脚手架[J].物理通报，2013，32（03）：115-118.

〔4〕应发宝.基于从定性感知到定量探究的多普勒效应学习进阶设计[J].物理教师，2019，40（02）：7-12.

〔5〕王剑.利用DIS实验定性定量结合改进自感现象教学[J].物理通报，2019，38（S1）：94-96.

〔6〕孟根巴根，孙艺峰.物理学科核心素养与认知思维深度融合的可视化教学研究——以沸腾概念的可视化研究为例[J].现代中小学教育，2020，36（08）：48-52.