教學評一致 知行思合一
——以蘇科版“二力平衡”的逆向教學為例

汪金花

江蘇省運河中學(221300)

0 引言

通過課堂教學發展學生的核心素養,已成為當前課程改革的主要目標與價值追求。核心素養是課程育人價值的集中體現,是學生通過課程學習逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的正確價值觀、必備品格和關鍵能力[1-2]。物理學科核心素養主要由“物理觀念”“科學思維”“科學探究”以及“科學態度與責任”四個維度構成,每個維度包含多個要素,形成內涵豐富且高度凝練的素養體系。

核心素養的提出是課程對時代發展的呼應,核心素養的培養,離不開課堂教學理念與模式的更新。2022年版義務教育物理課程標準多次強調重視“教-學-評”一致性[1],而傳統的“重知而輕行”的講授式教學與近年來盛行的“重行卻輕思”活動體驗式教學均存在一定局限性,不能滿足新課程背景下的學生培養要求,且缺少教學評估環節,不利于深度學習的發生以及核心素養的落地。因此,注重“理解為先、評價以促學”的逆向設計受到越來越多的教育工作者的關注,逐漸成為教學研究熱點,為有效落實課程改革提供了一種全新的理念與教學樣態。

1 追求理解的逆向教學設計結構

追求理解的逆向教學推崇“以終為始”,注重“評估任務”的設計[3],即教師在開展教學活動之前,應首先明確學習要達到的預期目標是什么?哪些證據能夠評估學生是否理解?哪些素材與活動是達成目標的最佳選擇?只有從始至終關注目標實現,重視評價證據反饋,才有可能產生最合適的教學行為,實現最經濟高效的學習。如圖1所示,即為逆向設計的三階段結構[3]。筆者依據這一理念,對義務教育蘇科版物理教材八年級下冊第九章第1節“二力平衡”[4]進行了教學實踐,獲得了理想的教學效果。

圖1 逆向設計三階段

2 教學實踐

2.1 基于已有認知,建構平衡觀念

預期結果:通過觀察與分析,知道什么是平衡狀態,形成平衡觀念,對自然平衡之美能動心、共情。

教學體驗:展示圖2～5四幅圖片(起初沒有力的示意圖),讓學生觀察與思考。

問題1:從運動的角度分析,這些物體各自處于什么狀態?

問題2:這兩種運動狀態下,物體的速度大小和運動方向有什么共同特征?

圖2 黃山飛來石

圖3 勻速起吊的貨車

圖4 兩根繩牽拉的重球

圖5 勻速直線行駛的列車

問題3:速度大小和運動方向都不改變,稱為物體的運動狀態不變。物體的運動狀態不改變,我們就說物體處于平衡狀態。由此可見,物體的平衡狀態存在幾種類型?分別是什么?

評估:判斷表1中的物體(教學時應該給相關事例配靜態或動態圖)是否處于平衡狀態,并指出平衡狀態的類型?；蚰嫦蛩季S,讓學生列舉非平衡狀態的事例。

表1 即練反饋

設計意圖:立足教材,但不囿于教材。書本上的四幅事例圖,從受力角度看,均是偶數,存在一定的局限性。常規教學中,教師往往在匆匆展示書本圖片以后,直接陳述平衡狀態的概念。但學生其實并不清楚為什么要將“保持靜止或做勻速直線運動”稱為物體的平衡狀態。因此,平衡的觀念并沒有真正地建構起來,學生的思維僅僅停留在“知道”概念的低階層次。

本設計力求遵循學生身心發展規律,從學生已有經驗和認知水平出發,聚焦學習生長點,引導學生通過觀察與分析,歸納出“保持靜止或做勻速直線運動”這兩種狀態的共性特征。從而幫助學生由物體的“運動狀態不變”自然過渡到物體處于“平衡”,建立起“因為不變,所以平衡;因為平衡,才會不變”的觀念,促使學生對“平衡狀態”知其然更知其所以然。另外,通過評估事例的設計,既考查了學生對于平衡狀態的理解,滲透了非平衡狀態的觀念,同時糾正學生把“保持靜止”直接默認為“靜止”的錯誤思維。

2.2 問題催生思維 猜想引領探究

2.2.1 實驗設計與實驗優化

預期結果:經歷實驗設計,審視各種方案的優劣,體會教材設計的意圖,提升科學探究素養。

教學體驗:繼續觀察圖2～5,思考并用力的示意圖,表示出這幾個物體分別受到哪些力的作用。

問題1:物體在幾個力的作用下能夠保持平衡?一個力能讓物體處于平衡狀態嗎?試舉例說明。

師:如果物體在兩個力的作用下處于平衡狀態,我們就說這兩個力相互平衡,簡稱二力平衡。

問題2:物體只要受到兩個力的作用,就一定能處于平衡狀態嗎?你能否想到反例?

展示單擺的動態圖,讓學生觀察。再呈現擺球在右側最高點處的靜態圖,讓學生對擺球進行受力分析。

如圖6所示,將擺球的受力示意圖與吊燈的受力示意圖進行橫向對比,讓學生在認知沖突中,意識到作用在物體上的兩個力要想平衡,是有條件的。從而自然生成探究問題:作用在同一物體上的兩個力在滿足哪些條件時,才能讓物體平衡?同時,在對平衡與不平衡現象的觀察與比較中,對二力平衡的條件作出有依據的猜想。

圖6 擺球與吊燈的受力示意圖

給學生提供兩端帶有滑輪的長木桌、兩端帶有掛鉤的木塊和小車、細線、砝碼、彈簧測力計等。

再設計以下問題鏈,引導學生基于初步猜想,進行交流合作,自主選擇器材、設計實驗方案。

問題3:需要選擇哪些器材?

問題4:以誰作為研究對象?

問題5:怎樣(用什么)對研究對象施加兩個力的作用?怎樣改變兩個力的大小?

各小組經過交流討論,給出如圖7(a)、7(b)所示的兩種常見探究方案。教師針對學生方案,通過問題設置以及增加體驗環節等引發認知沖突、啟發學生思考。

問題:為什么使用砝碼對物體施加力的作用?

體驗:讓學生用彈簧測力計拉木塊,體驗示數不穩定、讀數不方便。

體驗+問題:讓學生向圖7(a)側的托盤中逐次添加多枚回形針,觀察現象。為什么木塊仍然能夠平衡?是不是我們的猜想出錯了?據此,請大家對圖7(b)方案進行評價。

圖7 方案進化

問題6:除了變滑動為滾動以外,還有哪些方法能夠減小摩擦力?

問題7:能否設法消除小車與桌面之間的摩擦力,而不僅僅只是減小它對實驗的影響?

學生繼續深入思考,聯系已學知識,想到可以讓小車與桌面脫離,即:使小車懸空,如圖7(c)所示。但還未來得及高興,立即會發現新的問題,小車自身重力較大,懸空時明顯下墜,此時更不利于探究二力平衡的條件,從而再一次陷入思考。

問題8:你覺得此時哪個力顯得多余?這個力能夠消除嗎?那只能怎么辦?怎樣盡可能得減小?要小到什么程度?

通過不間斷地制造問題、發現問題、思考問題、解決問題,實現深度學習,并最終過渡到教材方案,如圖8所示。唯有如此,學生才能真正理解教材方案的設計意圖,以及信息快遞所要表達的含義,產生強烈的心理認同感。同時,在解決問題的過程中,促使科學思維實現質的飛躍。正如2022年版課標所倡導的“注重問題導向,合理設計探究活動;鼓勵學生設計實驗方案,改進實驗裝置及操作方法,給學生提供自主探究的時間和空間”[1]。

圖8 教材方案及信息快遞

2.2.2 實驗思想與實驗探究

預期結果:①通過實驗探究,自行總結二力平衡的條件,體悟科學探究的過程與方法;②了解二力平衡條件在日常生產和生活中的應用[5],能夠運用二力平衡的知識解釋相關現象。

教學體驗:學生組裝、觀察圖8所示的實驗裝置,并思考。

問題1:此時卡片處于什么狀態?目前有哪些猜想條件已經滿足?那么是否能就此得出結論?接下來該怎樣逐一探究各個猜想條件對于二力平衡的影響?聯系表1事例思考,出現什么現象能夠說明平衡已經被打破?這表明猜想條件需不需要被滿足?

顯化實驗思想:因此“逐一破壞各個猜想條件,同時確保其他條件不改變,對比觀察卡片前后的狀態變化”即為本實驗探究的核心思想。

問題2:怎樣破壞兩個力大小相等這個條件?

問題3:怎樣破壞兩個力方向相反這個條件,但同時確保兩個力仍然作用在一條直線上?

問題4:怎樣破壞兩個力作用在一條直線上這個條件,但同時確保兩個力仍然方向相反?

問題5:再次揣摩實驗探究的目的“作用在同一物體上的兩個力,在怎樣的條件下才能平衡”,這其中還蘊含了什么前提條件?由此可見,二力平衡的條件有哪些?

圖9 卡片傾斜平衡

評估1:判斷圖9所示的卡片是否處于平衡狀態并解釋。

評估2:解釋為什么測量鉤碼所受的重力大小時,彈簧測力計要豎直向上拉且靜止后讀數?若使彈簧測力計和鉤碼一起豎直向上勻速運動,測力計的示數將怎樣變化?

評估3:重達4 t的卡車,在2×103N牽引力的作用下,沿平直公路勻速行駛,計算地面對汽車的支持力和汽車受到的阻力大小。

評估4:小華沿水平方向用力推靜止在水平地面上的桌子,但是沒有推動,則小華對桌子的推力F1與桌子受到的摩擦力f1的大小關系為?小華繼續以更大的水平推力F2推桌子,仍然沒有推動,此過程中桌子受到的摩擦力為f2,則f1與f2的大小關系為?

評估5:爬桿比賽,小明第一個爬到直桿頂部。小明緊緊握住桿子保持靜止,此時他受到的摩擦力為f1;片刻后,小明適度減小握桿子的力度使自己勻速下滑,此時他受到摩擦力為f2,則兩次摩擦力f1與f2的方向分別是?兩者的大小關系是?

評估6:課后利用身邊的廢舊物品,自制一個穩定性好、易于調節且富有美感的手機支架,可供教師線上教學使用。

設計意圖:遵循2022年版義務教育物理課程標準中有關“科學探究”素養的培養要求[1],從學生的最近發展區,選取適宜的生長點,通過設置對比事例,構成認知沖突,激發認知需求,讓學生在看得見的現象中,結合力的示意圖,進行科學思維,讓思維具有顯化的路徑和圖景,猜想才能有方向、有依據,知識記憶才會有牢靠的錨點。

同時,注重問題導向,借助環環相扣、層層遞進的問題鏈,引導學生進行實驗方案設計與優化,體悟科學探究的思想與方法,養成科學思維習慣。在不斷質疑的過程中,認識不同方案的優劣,發展批判性和創新性思維,培養嚴謹認真、實事求是的科學態度。在多要素融合的科學探究過程中,落實“知行思合一”,實現深度學習,發展核心素養。

在此基礎上,基于科學思維的前三級水平要點:“能說出一些簡單的物理模型;能在熟悉的問題情境中應用常見的物理模型;能在熟悉的問題情境中根據需要選用恰當的模型解決簡單的物理問題”[2],針對本節教學的核心內容,設計了由易到難、形式多樣的評估任務,尋找學生理解的證據以及理解的層次。同時,在逐級進階的過程中,啟發思維、形成思維[6]、運用思維、活化并提升思維,深化學生對于規律的認識與應用。

2.3 對比模型異同 促進知識融通

預期目標:知道一對平衡力與一對相互作用力的異同,并能夠對相關事例進行區分和解釋。

教學體驗:回顧課本圖片——靜止的花瓶,并思考。

問題1:桌面受到的壓力與花瓶受到的支持力是一對平衡力嗎?為什么?這兩個力是什么關系?

問題2:一對平衡力與一對相互作用力有哪些異同點?嘗試列表對比說明(見表2)。

問題3:你能否通過畫模型示意圖的方式,分別表示出一對平衡力與一對相互作用力的特點?

表2 異同點比較

評估1:一個物體同時受到兩個力的作用,若這兩個力的三要素完全相同,則兩個力能否平衡?

評估2:沿水平方向用力,把一塊長方體黑板擦壓在豎直黑板上靜止,請結合力的示意圖說明,其中包含的平衡力與相互作用力有哪些?

評估3:結合力的示意圖,解釋為什么將物體置于水平桌面上,用彈簧測力計沿水平方向拉動,使其做勻速直線運動,此時彈簧測力計的示數會等于物體所受滑動摩擦力的大小?

設計意圖:結合具體事例,引導學生通過列表分析、畫圖對比,深入建構平衡力與相互作用力的模型,透視兩者的異同,形成初步的運動與相互作用觀念。進而經歷對概念和規律的反思與應用,使其學會選擇合適的模型、能夠綜合運用所學模型,解釋常見的物理現象、解決實際問題。在此過程中,促使“力的三要素、力的示意圖、平衡狀態、平衡力、相互作用力以及測量滑動摩擦力的實驗操作方法”等核心概念,在學生的心智中貫通、融合、內化。

3 結束語

義務教育蘇科版物理教材由多種課型組成。課型及內容的差異與學科核心素養內涵的豐富性,共同決定了教師在日常教學過程中,應有所側重地培養學生學科核心素養的不同維度。教師需要真正落實“以終為始”,積極踐行追求理解的逆向教學設計理念,加強對課程方案、課程標準、教材教參等的解讀,明確教學目標,把握教學內容中的素養落腳點,以理解為先,依據核心素養的培養要求及學業質量標準,確定教學策略、選取教學資源、規劃教學次序、組織教學活動、設計評估任務等,促使教學評有機銜接,注重知行思合一,以實現深度教學,逐步發展學生的核心素養。