云南師范大學物理與電子信息學院(650500)劉荔鑫 徐曉梅
所謂深度學習,就是在教師的引導下,學生圍繞具有挑戰性的學習主題,全身心參與體驗成功、獲得發展的有意義的學習過程[1]。相對三維目標,2017 年版普通高中物理課程標準中明確的物理學科核心素養,站在一個更高的物理文化層面對物理教學提出要求,要求從“知識為本”轉向“觀念建構”,在“觀念建構”過程中讓學生形成從物理的視角認識事物和解決問題的思想、方法、觀點[2]。從中學物理教學現狀來看,部分教師習慣直接向學生灌輸知識,使學生難以獨立探究解決問題的方法,使教學出現淺表化現象。深度學習強調學習是學習者主動參與、積極建構的過程,注重批判性理解、知識遷移、創造性地解決問題以及高階思維的應用。這些與核心素養的內涵不謀而合,所以說深度學習能夠發展學生核心素養。
本文從深度學習的聯想與結構、活動與體驗、本質與變式、遷移與應用以及價值與評價五個基本方面來設計教學,下面以“杠桿”教學為例,從深度學習的基本特征出發,將深度學習滲透于各教學環節中,探索提高學生物理學科核心素養的教學。
依據課程標準、教學內容和學生實際,設置合理的教學目標用以引導學生深度學習。
1.通過生活體驗,學會從生產生活中相關的工具歸類得出“杠桿”這一簡單機械[3]。在杠桿和力臂概念的建構過程中,培養模型建構的科學思維。
2.在探究力臂的概念實驗中,通過小組合作探究,加深對科學探究過程的認識,鍛煉科學探究能力。
3.通過對生產生活中杠桿的認識,解決實際問題,加強物理與生活的聯系,提高學習物理的興趣;通過經歷實驗探究的過程,培養科學嚴謹、實事求是的態度和合作交流的品質。
準備一個拉環損壞的八寶粥罐子,選擇能夠快速且容易打開蓋子的工具。工具有筷子、螺絲刀、皮尺、鐵絲、薄木板、繩子以及鑰匙。請每個小組派代表上臺,展示自己用所選工具開蓋的效果。
根據展示結果提出如下兩個問題:
問題1.為什么皮尺、鐵絲、繩子和薄木板均無法打開蓋子?
問題2.在使用筷子、螺絲刀、鑰匙打開蓋子的過程中,發現它們有什么共同特征?
引導學生分析得出杠桿的定義:一根硬棒,在力的作用下能夠繞著固定點轉動,這根硬棒就是杠桿。
設計意圖:通過活動和體驗激發學生的學習動機,使學生能夠迅速進入深度學習狀態。將杠桿的概念與生活經驗聯系起來,使學生對杠桿概念的認知從感性上升到理性,形成正確的物理觀念,發展系統化思維。
展示生活中常見的杠桿:鑷子和羊角錘。
師:如圖1 和圖2 所示,在二者的使用過程中,支撐點分別在哪?哪些力阻礙它轉動?哪些力使它轉動?
圖1 鑷子
圖2 羊角錘
生:在使用鑷子的過程中,支撐點在鑷子的尾部O點,手對鑷子施力使得鑷子轉動,物體對鑷子首端起阻礙作用。在使用羊角錘的過程中,支撐點在羊角錘頭部的中點O′處,手在A′點對它施加力使其轉動,釘子在B′點阻礙羊角錘轉動。
[歸納總結]
支點:杠桿可以繞其轉動的點。
動力:使杠桿轉動的力F1。
阻力:阻礙杠桿轉動的力F2。
設計意圖:學生在觀察和分析問題時,能夠從生活中常用工具抽象出杠桿模型,形成建構物理模型的能力,發展科學思維。
師:知道了什么是支點、動力和阻力,下面學習杠桿的另一個要素——力臂。
師:請同學們觀察圖3,蹺蹺板在A,B兩種情況下分別處于什么狀態?
圖3 蹺蹺板
生甲:A是平衡狀態,B是非平衡狀態。
生乙:A,B都是平衡狀態。
(針對不同的看法,請學生分組討論。)
師:當物體在幾個力的作用下處于靜止或者勻速直線運動時,我們就說這個物體處于平衡狀態。
師:也就是說當杠桿在動力和阻力作用下靜止時,我們就說杠桿平衡。
師:那么杠桿的平衡與哪些因素有關呢?
設計意圖:本環節通過鑷子和羊角錘的使用,引導學生將生活中對杠桿的認識抽象為杠桿的物理模型,認識杠桿的要素,發展科學思維。通過蹺蹺板的情境,產生認知沖突,重新建構杠桿平衡的概念。
實驗儀器:自制杠桿、沙袋、彈簧測力計。
問題1.作用在木棍上的任意位置,用的力是一樣大嗎?
猜想:(1)靠近支點的位置省力;(2)遠離支點的位置省力。
實驗1.如圖4所示,在木棍一端掛上沙袋,在木棍另一端A,B兩個位置分別用彈簧測力計將沙袋提起至水平位置平衡,記錄彈簧測力計的示數。重復以上操作3次。
圖4 實驗1
表1 實驗1記錄
結論:杠桿的平衡與力的大小有關,并且力的作用點距離支點越遠,所用的力就越小。
問題2.當我們在離支點的最遠端施加力時,將沙袋提起到同一位置,是不是無論力的方向朝哪,用的力都是一樣大的呢?
實驗2.如圖5 所示,在木棍的最遠端,用彈簧測力計朝著如圖5 所示1、2 方向拉動杠桿,待杠桿水平平衡后,讀出彈簧測力計的示數,重復3 次,將數據記錄到表格中。
圖5 實驗2
表2 實驗2記錄
結論:杠桿的平衡與力的方向有關,當力的方向垂直木棍的時候,所用的力最小。
問題3.能否把力的方向的改變歸結為某個距離的改變?
師(黑板作圖):只改變力的方向,支點到力的哪個距離發生了變化?
生:支點到力的作用線的距離發生了變化。
師:從圖中可以發現,當力垂直于杠桿時,支點到力的作用線的距離是怎樣的?
生:最長的。
師:當力不垂直于杠桿時,支點到力的作用線的距離就會變小,我們把表示從支點到力的作用線的距離的線段稱為力臂。
師:因為杠桿有動力與阻力,所以力臂也分為什么?
生:動力臂和阻力臂。
師:大家一起總結一下力臂的畫法。首先找出支點,然后畫出力的作用線,結合數學中點到線的距離可知,過支點向力的作用線作垂線,這條垂線段就是力臂。
設計意圖:深度學習強調學生的親身體驗,通過探究實驗,加深對影響杠桿平衡要素的理解,培養科學探究能力。同時,通過問題組層層深入,經歷力臂概念的建構過程;通過對數學知識遷移運用,將零散的知識結構化、體系化,以融會貫通的方式學習力臂的作圖方法。
1.探究杠桿的平衡條件
通過剛才的學習,我們知道了杠桿的平衡與動力、阻力、動力臂、阻力臂有關,那么當它們滿足什么關系時杠桿才能平衡呢?
問題1.要知道這四個物理量滿足什么關系,首先就要測量出這四個物理量的大小。動力和阻力可以通過砝碼的質量計算得出,力臂怎樣測量最容易呢?
師:根據前一環節“力臂”的學習,知道當力垂直于杠桿時,力臂最容易測量。
學生小組討論,展示實驗設計方案。教師完善實驗方案后,引導學生分組進行實驗。
[實驗儀器]杠桿、砝碼。
[實驗過程]
a.調平杠桿,在杠桿的左右兩側12 cm 處各掛一個重為2 N 的砝碼,此時發現杠桿處于平衡狀態,將支點右側規定為阻力,然后把數據記錄在下面的表格中(見表3)。
表3 實驗3記錄
b.將左側砝碼加為4 N,位置仍為12 cm,此時杠桿發生了偏斜,保持阻力不變,移動砝碼的位置直至杠桿平衡,則此時砝碼位置是多少?
c.將左側砝碼減小為2 N,移動至24 cm 處,此時保持阻力砝碼的位置為24 cm,阻力為多少時可以使杠桿平衡?
d.將左側砝碼調整為4 N,距離調整為24 cm,此時阻力側砝碼的質量和位置分別是多少時可以保證杠桿平衡?
實驗結論:分析表格中的數據可以得到杠桿的平衡條件:F1L1=F2L2。
設計意圖:注重設計與評估的科學探究是初中物理深度學習的典型特征之一[4]。在本環節中,學生經歷杠桿平衡條件的科學探究過程,培養科學推理能力,進一步加深對力臂的理解。學生收集數據、分析數據的能力得以鍛煉,養成了實事求是的科學態度。
2.杠桿的分類
師:我們已知動力×動力臂=阻力×阻力臂,那么在“動力臂>阻力臂”“動力臂<阻力臂”“動力臂=阻力臂”這三種情況下,動力和阻力的關系分別是什么樣的?
讓學生給杠桿命名,并將表4填寫完整。
表4 杠桿分類表
在本節課的評價環節,主要通過練習題檢驗學生的學習情況,下面舉例說明。
練習題1:請同學們畫出圖6所示的三個杠桿的力臂示意圖。
圖6 練習題1
練習題2:請同學們舉例說明生活中的杠桿。
設計意圖:把握事物的本質,是建構知識結構的前提,也是以簡馭繁、削枝強干的前提[1]。抓住力臂的本質,才能舉一反三。學生通過解答練習題提升知識深度加工能力,實現知識的遷移與應用。通過對生活中杠桿的舉例,檢驗學生對杠桿定義和五要素的掌握情況。通過對變式題的解答,教師可以對學生進行過程性評價,學生也能對本節課的學習情況進行自我批判與反思。
在本節課中,首先通過趣味游戲引入新課,激發學生深度學習;其次通過問題組與探究實驗,引發學生的認知沖突,建立力臂的概念;再次通過設計實驗,探究杠桿的平衡條件;最后利用變式題,檢驗本節課的學習效果。