指向深度学习的深度备课
——以浙教版初中“阿基米德原理”教学设计为例

方 涛

(浙江省杭州滨和中学，浙江 杭州 310051)

深度学习是一种基于高阶思维发展的理解性学习.黎加厚教授等认为,深度学习是指在理解的基础上,学习者批判性地学习新思想和新知识,将它们与原有的认知结构相融合,将众多思想相互关联,将已有的知识迁移到新的情境中去,做出决策并解决问题的学习.深度学习有利于促进学生对知识的理解和应用[1].然而,当前的初中科学课堂教学中仍存在大量浅层学习现象,主要表现如下.

(1) 教师在备课时往往只是根据教学经验确定教学起点,忽视学校与班级的个体差异性.

(2) 教师在上课时只是注重科学探究活动的形式,忽视了科学探究应是由教师带领学生进入知识发现、发展的情境与过程中的实质.

(3) 教师在课后仍然通过以练代学的习题战术,强化学生对知识与规律的理解,忽视了知识与规律的生成过程.

因此,开展“指向深度学习”的教学实践研究成为变革课堂教学的必然.然而,学生的深度学习并不能自然发生,要引导学生进行深度学习,它需要促发条件,其先决条件是教师的深度备课[2].

下面,笔者以浙教版《科学》“阿基米德原理”深度备课为例,主要通过研究课标、研究学生、研究教材教法来阐明初中科学深度备课的流程,给出指向深度学习的教学设计,提炼初中科学深度备课框架.

1 研究课标,是深度备课的起点

《义务教育初中科学课程标准(2011年版)》是国家课程的纲领性文件,体现了国家对基础教育课程的基本规范和质量要求,是教材编写、教学、评估和考试命题的依据,所以在深度备课的过程中首要考虑课程标准.

课程标准要求学生“通过探究物体受到的浮力大小与哪些因素有关的实验了解控制变量、归纳、演绎、建立模型等科学方法,增强科学探究的意识和能力”,“通过实验认识阿基米德原理和浮沉条件,并解释生活和生产中的常见现象”[3].课程标准指出这个主题核心在于通过实验,增强学生科学探究的意识与能力.即要让学生体会科学探究的“原始过程”,对于阿基米德原理这一节内容而言,通过实验检验不同的假设,找准问题生成点是本节课科学探究所要达成的目标要领.

在深度学习中,学生并不静待接受知识,而是主动“进入”知识发现发展的过程,亲身经历知识的形成和发展过程[4].“阿基米德原理”既是本节课的核心内容,又是对液体压力、压强的延伸,更是学生主动“探索”、“发现”、“经历”知识与规律生成过程的有效载体.

2 研究学生,是深度备课的重点

研究学生旨在掌握教学目标与学生已有认知之间的落差,这个落差即体现为备课时所确定的教学重难点.由于课堂教学已不再是学生获取信息的唯一渠道,有些学生通过其他途径或已基本掌握.因此难点不一定是重点,同一内容对不同学校、不同班级是学习难点,但对另一些学校、班级却不是,学习重点亦是如此.两者的确定不能根据教师的经验或者教学参考资料“一锤定音”.因此,笔者在仔细研读《义务教育初中科学课程标准(2011年版)》与多版本教材的基础上设计了对八年级学生“阿基米德原理”迷思概念调查问卷(如表1),对笔者所任教班级八年级学生进行施测,共发出问卷87份,回收85份,有效回收率达到97.7%.

表1 调查问卷

调查发现58.82%的学生认为物体密度越小,受到浮力越大,也有29.41%的学生认为物体密度越大,受到的浮力越大,仅有11.76%的学生认为物体受到的浮力与物体的密度无关,与液体的密度的有关,说明大部分学生对于“物体密度还是液体密度会对其所受浮力产生影响”还搞不清楚;65.88%的学生认为物体浸入深度越深、物体体积越大,其所受浮力浮力越大,17.65%的学生认为物体浸入深度、物体体积与其所受浮力无关,还有16.47%的学生认为物体所受浮力与浸入深度有关,与物体体积无关或者相反,这说明学生对于“物体浸入深度与物体体积对浮力的影响”还不明晰;70.58%的学生认为同样大小的铁块和木块完全浸没在水中,木块的浮力大,因为松手后木块会上浮,16.47%的学生认为铁块的浮力大,还有12.94%的学生认为一样大,这说明大部分学生对于浮力的大小取决于排开液体的体积大小没有概念;87.05%的学生认为浮力的大小与水量的多少有关,水越多,浮力越大;69.41%的学生认为物体受到的浮力与排开液体的重力无关.

通过数据分析,确定了学生存在的迷思概念: (1) 浸入深度越深的物体受到的浮力越大; (2) 体积小的物体受到的浮力小,体积大的受到的浮力大; (3) 物体密度越大,所受浮力越大; (4) 水越多,物体受到的浮力越大; (5) 同样大小的铁块和木块完全浸没在水中,木块所受的浮力大,因为木块会漂起来.

3 研究教材,是深度备课的难点

教材研究包括对教材和教法的研究.简言之,研究教材就是在研究课标与学生的基础上,分析具体教学内容,以期形成既符合学生认知规律,又符合学科教学规律,体现科学学科特点的教学设计方案的必要过程.

3.1 教材探究活动分析

浙教版八年级《科学》对“阿基米德原理”教学按如下步骤展开.

图1

(1) 根据生活经验,利用如图1所示的器材,以小组为单位,定性研究浮力的大小跟物体排开水的多少的关系.

(2) 和组内学生讨论:

① 要定量研究水的浮力大小与物体排开水的多少的关系,需要做什么?

② 图2中,量筒和溢杯在你的研究中有什么用?

③ 实验中需要直接测量哪些量?

(3) 进行实验,并把实验数据记录在表格中.

(4) 分析实验数据,得出实验结论.

评析:这个实验操作简单,现象明显,可以准确得出科学结论.但是在教学过程中,若教师只是以获得科学结论为目的,则该实验会对学生造成明显的认知障碍.

① 为什么要研究“物体所受浮力”与“排开液体重力”之间的关系?即问题提出的起点在哪里?

② 该实验采用装满水的溢杯,通过测量溢出水的重力进而得出排开液体的重力,容易让学生对“G排开”与“G排出”产生混淆,产生“浸在液体里的物体所受浮力是否由排出液体的重力决定?”的困惑.

③ 由于是将溢杯中的水排出,所以学生容易产生“物体所受浮力与容器中液体的重力有关”的误解.

3.2 常见教法学法分析

图3

针对以上3个问题,教师们在教学过程中通常作如下处理.

3.2.1 定性探究影响浮力大小的因素教学片段

师:在如图3所示的活动中,用手将塑料瓶浸入水中,你有什么感觉?水槽中的水发生了什么变化?

生:感觉瓶子向上顶,水槽水面会上升.

师:瓶子向上顶说明了什么?水槽中的水面为什么会上升?

生:瓶子向上顶说明瓶子受到水向上的浮力.水面会上升是因为瓶子浸入水中后,会排开一部分水.

师:对此你认为浮力的大小可能跟什么因素有关呢?

生:浮力的大小跟物体排开液体的多少有一定的联系.

评析:此种处理方式看似合理,实则更多体现教师教学预设,在实际教学中学生完全可以提出更多假设,如笔者在前文中所述学生存在的迷思概念:“物体浸入液体中越深,物体受到的浮力越大”,从而提出“浮力的大小跟物体浸入液体的深度有关”的假设.但有时教师为了完成教学任务,对学生的困惑并没有及时反馈.而深度学习的目的在于使学生能够作为主体“参与”(虽然只是简约地、模拟地参与到)人类的伟大历史实践中[5].因此,无论从本节内容的科学探究目标:通过实验检验不同的假设,找准问题生成点,让学生经历科学探究的原始过程,还是深度学习的过程来看,此种处理方式都存在不妥之处.

3.2.2 强化对阿基米德原理理解的教学片段

很多教师在得出F浮=G排液=ρ液gV排结论后,通常会向学生强调.

① 公式中的ρ液是液体的密度,而不是浸入液体的物体的密度.

② 公式中的V排是物体浸入液体时排开液体的体积,而不是液体的总体积,也不是物体的体积.

③ 浮力只跟物体排开液体受到的重力有关,而与其他因素无关.

评析:从F浮=G排液=ρ液gV排公式中,的确可以获得以上3点理解.但仔细推敲,这种方式存在欺骗性,从一开始建立假设环节就研究“浮力大小跟物体排开液体多少的关系”,已经“人为”的否定了其他因素,最后所获得的结论自然是与其他因素无关的,且此种教学方式带有“灌输”色彩.而深度学习的特征之一即情感和行为的高投入,但在这种情况下学生只是机械的浅层学习.

3.2.3 课后补偿迷思概念的教学片段

部分教师在新课教学后察觉到学生存在“物体所受浮力与液体重力之间是否有关”的困惑,所以通过实验(如图4)进行补偿教学,实验步骤如下.

图4

① 用量筒量取一定量的水(加红墨水),记为V1.

② 用弹簧测力计测出集气瓶的重,记为G.

③ 将集气瓶放入烧杯中,并将量筒中的水沿着间隙慢慢倒入烧杯中,直至集气瓶在烧杯中浮起来.

④ 测出剩余水的体积为V2.

⑤ 计算倒入水的重力G水=ρ水g(V1-V2),比较G和G水,当G>G水时,说明水对浸在其中的物体能产生比自身重力更大的浮力.

评析:此种教学方式,看似可取得较“好”的效果,学生对于“浮力只跟物体排开液体受到的重力有关,与液体重力无关”有了更“好”的理解.但学生实现深度学习的高投入状态一般出现在课堂教学中,所以从教学过程来看,此种方式属于亡羊补牢.此外,由于“首因效应”,在前面的教学中部分学生已形成错误的认识,需要花费较大精力帮助学生重新建构认知.

3.3 多版本教材借鉴分析

不同版本教材对“阿基米德原理”学习活动设计是不同的,通过分析各版本教材中的活动,不仅能使教师更好地理解教材设计的意图,还能相互借鉴设计出更加贴近学生生活经验的学习情境,选择更加符合学生认知规律的教学方式.

因此,笔者借鉴分析了人教版、沪科版、北师大版教材,整理了三者呈现阿基米德原理的知识序(表2)和“浸在”与“排开”的关系(表3).

表2 关于知识序的对比

在3个版本的教材中,人教版和沪科版教材对阿基米德进行了介绍,但北师大版未提及.科学史的呈现可以让学生感受科学探究的过程,因此在课堂上重现简约的、模拟的参与过程,可以使学生体会科学探究的精神,也可以实现深度学习的体验.

表3 关于处理“浸在”与“排开”的关系对比

从“物体浸在液体中的体积”到“物体排开液体的体积”再到“物体排开液体的重力”的转换是学生理解的难点.浮力的大小又为什么与排开液体的重力之间有关系?这都是学生即使有数据支撑,但还是难以理解的地方.因此,在教学过程中,教师必须处理好其中的教学逻辑,但是就教材的安排来看,无论是浙教版还是人教版、沪科版、北师大版都存在逻辑断点.这也成为笔者深度备课时期望攻破的重点.

4 指向深度学习的教学设计

在深度学习中,提倡学生以高投入状态“进入”知识发现发展的过程,“亲历”知识形成和发展过程.基于上述分析,笔者在教学实践过程中,设计“阿基米德原理”教学片段如下.

4.1 定性探究

① 提出问题、建立假设

师:浮力大小与什么有关系呢?你有什么猜想?说明你提出猜想的依据.

生1:船运载货物的多少与船的大小有关,所以我猜想浮力与物体的体积有关.

生2:木头能漂在水面上,铁块会沉入水底,所以我猜想浮力与物体的密度有关.

生3:塑料瓶从水面压入水下时,物体越向下压,人越费劲,所以我猜想浮力与物体浸入液体深度有关.

生4:液体对物体产生浮力,所以我猜想浮力与液体密度有关.

意图:让学生进行有根据的猜想与假设,根据自己的困惑和需求,积极主动地进行自我导向性的学习,达到深度学习的预热状态.

② 设计实验、获得结论

师:根据上面的猜想,确定小组要探究的问题,并用下面的器材,设计实验进行探究.

(实验器材:体积相等的铜块、铁块、铝块,较大的铁块、纯水、浓盐水、弹簧秤、细线,如图5)

图5

生:小组讨论,设计实验,完成实验.

师:从上面的实验表明,浮力的大小与物体浸在液体中的体积和液体的密度有关,与物体的密度、物体的体积、物体浸在液体中的深度无关.

意图:根据以上猜想,提供多种物体(体积相同的铁块和铜块,较大的铁块)和不同密度的液体(水和浓盐水)由学生设计实验、自主探究,让学生有意识地运用控制变量法,体验检验假设的过程,在这个过程中,根据布鲁姆目标分类学,学生经过分析、综合等高阶思维活动来设计实验,最终得到浮力与浸在液体中物体的体积有关,与物体的密度无关的结论,使学生进入深度学习状态.

4.2 理性探究

师:用弹簧测力计吊起一只装满水的气球(袋内不留空气),观察弹簧测力计示数?

把这只气球逐渐浸入水中,弹簧测力计示数如何变化?

当这袋水完完全浸没时受到的浮力是多大?

你从这个实验中得到了什么启示?

师:如果把气球中的水换成相同体积的固体,由前面得到的结论,水对固体的作用和对气球中水的作用是一样的.即固体所受浮力等于固体排开的水所受到的重力.

图7

意图:在定量探究“阿基米德原理”之前,采用了先定性探究,再理性探究的设计方式.为了让学生体会到浸在液体里的物体受到的浮力等于物体排开液体受到的重力,专门设计了装满水的塑料袋实验,用替代法从理论的角度阐明相同体积的固体所受到的浮力与装满水的塑料袋所受到的浮力相同,并且都等于装满水的塑料袋所受到的重力,为溢水法做好铺垫.

4.3 定量验证

有了对前面实验假设的充分论证以及对浮力等于排开液体所受重力的理论探究,接下来就可以利用教材中图2中的装置定量验证阿基米德原理.让学生自主设计并完成实验,学生也可以更好的理解量筒和溢杯在研究中的作用.

意图:从整体来看,笔者引导学生围绕3个探究活动:活动1.定性探究浮力大小影响因素.活动2.理性探究阿基米德原理.活动3.定量探究阿基米德原理.完成前一个活动是完成后一个活动的基础,由易至难,配合模型辅助,调动学生高阶思维解决问题.笔者认为,在高投入状态下的深度体验式问题解决过程给学生带来的影响,是深刻而持久的.

结语：综合上述备课分析实践,拟构建了指向深度学习的深度备课框架如图8所示.

图8 深度备课框架

在深度学习中,学生是学习的主体,教师是引导者而非学生学习的替代者.教师通过深度研究课程标准、学生和教材教法,将课程资源转化为学生可操作的具体教学材料.这个过程正是指向深度学习的深度备课,其最终目标是期望学生能在探究活动中积极主动地破除迷思概念,亲历科学探究过程,体验知识与规律的生成,达到深度学习的目的.