教学评一致 知行思合一
——以苏科版“二力平衡”的逆向教学为例

汪金花

江苏省运河中学(221300)

0 引言

通过课堂教学发展学生的核心素养,已成为当前课程改革的主要目标与价值追求。核心素养是课程育人价值的集中体现,是学生通过课程学习逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的正确价值观、必备品格和关键能力[1-2]。物理学科核心素养主要由“物理观念”“科学思维”“科学探究”以及“科学态度与责任”四个维度构成,每个维度包含多个要素,形成内涵丰富且高度凝练的素养体系。

核心素养的提出是课程对时代发展的呼应,核心素养的培养,离不开课堂教学理念与模式的更新。2022年版义务教育物理课程标准多次强调重视“教-学-评”一致性[1],而传统的“重知而轻行”的讲授式教学与近年来盛行的“重行却轻思”活动体验式教学均存在一定局限性,不能满足新课程背景下的学生培养要求,且缺少教学评估环节,不利于深度学习的发生以及核心素养的落地。因此,注重“理解为先、评价以促学”的逆向设计受到越来越多的教育工作者的关注,逐渐成为教学研究热点,为有效落实课程改革提供了一种全新的理念与教学样态。

1 追求理解的逆向教学设计结构

追求理解的逆向教学推崇“以终为始”,注重“评估任务”的设计[3],即教师在开展教学活动之前,应首先明确学习要达到的预期目标是什么?哪些证据能够评估学生是否理解?哪些素材与活动是达成目标的最佳选择?只有从始至终关注目标实现,重视评价证据反馈,才有可能产生最合适的教学行为,实现最经济高效的学习。如图1所示,即为逆向设计的三阶段结构[3]。笔者依据这一理念,对义务教育苏科版物理教材八年级下册第九章第1节“二力平衡”[4]进行了教学实践,获得了理想的教学效果。

图1 逆向设计三阶段

2 教学实践

2.1 基于已有认知,建构平衡观念

预期结果:通过观察与分析,知道什么是平衡状态,形成平衡观念,对自然平衡之美能动心、共情。

教学体验:展示图2～5四幅图片(起初没有力的示意图),让学生观察与思考。

问题1:从运动的角度分析,这些物体各自处于什么状态?

问题2:这两种运动状态下,物体的速度大小和运动方向有什么共同特征?

图2 黄山飞来石

图3 匀速起吊的货车

图4 两根绳牵拉的重球

图5 匀速直线行驶的列车

问题3:速度大小和运动方向都不改变,称为物体的运动状态不变。物体的运动状态不改变,我们就说物体处于平衡状态。由此可见,物体的平衡状态存在几种类型?分别是什么?

评估:判断表1中的物体(教学时应该给相关事例配静态或动态图)是否处于平衡状态,并指出平衡状态的类型。或逆向思维,让学生列举非平衡状态的事例。

表1 即练反馈

设计意图:立足教材,但不囿于教材。书本上的四幅事例图,从受力角度看,均是偶数,存在一定的局限性。常规教学中,教师往往在匆匆展示书本图片以后,直接陈述平衡状态的概念。但学生其实并不清楚为什么要将“保持静止或做匀速直线运动”称为物体的平衡状态。因此,平衡的观念并没有真正地建构起来,学生的思维仅仅停留在“知道”概念的低阶层次。

本设计力求遵循学生身心发展规律,从学生已有经验和认知水平出发,聚焦学习生长点,引导学生通过观察与分析,归纳出“保持静止或做匀速直线运动”这两种状态的共性特征。从而帮助学生由物体的“运动状态不变”自然过渡到物体处于“平衡”,建立起“因为不变,所以平衡;因为平衡,才会不变”的观念,促使学生对“平衡状态”知其然更知其所以然。另外,通过评估事例的设计,既考查了学生对于平衡状态的理解,渗透了非平衡状态的观念,同时纠正学生把“保持静止”直接默认为“静止”的错误思维。

2.2 问题催生思维 猜想引领探究

2.2.1 实验设计与实验优化

预期结果:经历实验设计,审视各种方案的优劣,体会教材设计的意图,提升科学探究素养。

教学体验:继续观察图2～5,思考并用力的示意图,表示出这几个物体分别受到哪些力的作用。

问题1:物体在几个力的作用下能够保持平衡?一个力能让物体处于平衡状态吗?试举例说明。

师:如果物体在两个力的作用下处于平衡状态,我们就说这两个力相互平衡,简称二力平衡。

问题2:物体只要受到两个力的作用,就一定能处于平衡状态吗?你能否想到反例?

展示单摆的动态图,让学生观察。再呈现摆球在右侧最高点处的静态图,让学生对摆球进行受力分析。

如图6所示,将摆球的受力示意图与吊灯的受力示意图进行横向对比,让学生在认知冲突中,意识到作用在物体上的两个力要想平衡,是有条件的。从而自然生成探究问题:作用在同一物体上的两个力在满足哪些条件时,才能让物体平衡?同时,在对平衡与不平衡现象的观察与比较中,对二力平衡的条件作出有依据的猜想。

图6 摆球与吊灯的受力示意图

给学生提供两端带有滑轮的长木桌、两端带有挂钩的木块和小车、细线、砝码、弹簧测力计等。

再设计以下问题链,引导学生基于初步猜想,进行交流合作,自主选择器材、设计实验方案。

问题3:需要选择哪些器材?

问题4:以谁作为研究对象?

问题5:怎样(用什么)对研究对象施加两个力的作用?怎样改变两个力的大小?

各小组经过交流讨论,给出如图7(a)、7(b)所示的两种常见探究方案。教师针对学生方案,通过问题设置以及增加体验环节等引发认知冲突、启发学生思考。

问题:为什么使用砝码对物体施加力的作用?

体验:让学生用弹簧测力计拉木块,体验示数不稳定、读数不方便。

体验+问题:让学生向图7(a)侧的托盘中逐次添加多枚回形针,观察现象。为什么木块仍然能够平衡?是不是我们的猜想出错了?据此,请大家对图7(b)方案进行评价。

图7 方案进化

问题6:除了变滑动为滚动以外,还有哪些方法能够减小摩擦力?

问题7:能否设法消除小车与桌面之间的摩擦力,而不仅仅只是减小它对实验的影响?

学生继续深入思考,联系已学知识,想到可以让小车与桌面脱离,即:使小车悬空,如图7(c)所示。但还未来得及高兴,立即会发现新的问题,小车自身重力较大,悬空时明显下坠,此时更不利于探究二力平衡的条件,从而再一次陷入思考。

问题8:你觉得此时哪个力显得多余?这个力能够消除吗?那只能怎么办?怎样尽可能得减小?要小到什么程度?

通过不间断地制造问题、发现问题、思考问题、解决问题,实现深度学习,并最终过渡到教材方案,如图8所示。唯有如此,学生才能真正理解教材方案的设计意图,以及信息快递所要表达的含义,产生强烈的心理认同感。同时,在解决问题的过程中,促使科学思维实现质的飞跃。正如2022年版课标所倡导的“注重问题导向,合理设计探究活动;鼓励学生设计实验方案,改进实验装置及操作方法,给学生提供自主探究的时间和空间”[1]。

图8 教材方案及信息快递

2.2.2 实验思想与实验探究

预期结果:①通过实验探究,自行总结二力平衡的条件,体悟科学探究的过程与方法;②了解二力平衡条件在日常生产和生活中的应用[5],能够运用二力平衡的知识解释相关现象。

教学体验:学生组装、观察图8所示的实验装置,并思考。

问题1:此时卡片处于什么状态?目前有哪些猜想条件已经满足?那么是否能就此得出结论?接下来该怎样逐一探究各个猜想条件对于二力平衡的影响?联系表1事例思考,出现什么现象能够说明平衡已经被打破?这表明猜想条件需不需要被满足?

显化实验思想:因此“逐一破坏各个猜想条件,同时确保其他条件不改变,对比观察卡片前后的状态变化”即为本实验探究的核心思想。

问题2:怎样破坏两个力大小相等这个条件?

问题3:怎样破坏两个力方向相反这个条件,但同时确保两个力仍然作用在一条直线上?

问题4:怎样破坏两个力作用在一条直线上这个条件,但同时确保两个力仍然方向相反?

问题5:再次揣摩实验探究的目的“作用在同一物体上的两个力,在怎样的条件下才能平衡”,这其中还蕴含了什么前提条件?由此可见,二力平衡的条件有哪些?

图9 卡片倾斜平衡

评估1:判断图9所示的卡片是否处于平衡状态并解释。

评估2:解释为什么测量钩码所受的重力大小时,弹簧测力计要竖直向上拉且静止后读数?若使弹簧测力计和钩码一起竖直向上匀速运动,测力计的示数将怎样变化?

评估3:重达4 t的卡车,在2×103N牵引力的作用下,沿平直公路匀速行驶,计算地面对汽车的支持力和汽车受到的阻力大小。

评估4:小华沿水平方向用力推静止在水平地面上的桌子,但是没有推动,则小华对桌子的推力F1与桌子受到的摩擦力f1的大小关系为?小华继续以更大的水平推力F2推桌子,仍然没有推动,此过程中桌子受到的摩擦力为f2,则f1与f2的大小关系为?

评估5:爬杆比赛,小明第一个爬到直杆顶部。小明紧紧握住杆子保持静止,此时他受到的摩擦力为f1;片刻后,小明适度减小握杆子的力度使自己匀速下滑,此时他受到摩擦力为f2,则两次摩擦力f1与f2的方向分别是?两者的大小关系是?

评估6:课后利用身边的废旧物品,自制一个稳定性好、易于调节且富有美感的手机支架,可供教师线上教学使用。

设计意图:遵循2022年版义务教育物理课程标准中有关“科学探究”素养的培养要求[1],从学生的最近发展区,选取适宜的生长点,通过设置对比事例,构成认知冲突,激发认知需求,让学生在看得见的现象中,结合力的示意图,进行科学思维,让思维具有显化的路径和图景,猜想才能有方向、有依据,知识记忆才会有牢靠的锚点。

同时,注重问题导向,借助环环相扣、层层递进的问题链,引导学生进行实验方案设计与优化,体悟科学探究的思想与方法,养成科学思维习惯。在不断质疑的过程中,认识不同方案的优劣,发展批判性和创新性思维,培养严谨认真、实事求是的科学态度。在多要素融合的科学探究过程中,落实“知行思合一”,实现深度学习,发展核心素养。

在此基础上,基于科学思维的前三级水平要点:“能说出一些简单的物理模型;能在熟悉的问题情境中应用常见的物理模型;能在熟悉的问题情境中根据需要选用恰当的模型解决简单的物理问题”[2],针对本节教学的核心内容,设计了由易到难、形式多样的评估任务,寻找学生理解的证据以及理解的层次。同时,在逐级进阶的过程中,启发思维、形成思维[6]、运用思维、活化并提升思维,深化学生对于规律的认识与应用。

2.3 对比模型异同 促进知识融通

预期目标:知道一对平衡力与一对相互作用力的异同,并能够对相关事例进行区分和解释。

教学体验:回顾课本图片——静止的花瓶,并思考。

问题1:桌面受到的压力与花瓶受到的支持力是一对平衡力吗?为什么?这两个力是什么关系?

问题2:一对平衡力与一对相互作用力有哪些异同点?尝试列表对比说明(见表2)。

问题3:你能否通过画模型示意图的方式,分别表示出一对平衡力与一对相互作用力的特点?

表2 异同点比较

评估1:一个物体同时受到两个力的作用,若这两个力的三要素完全相同,则两个力能否平衡?

评估2:沿水平方向用力,把一块长方体黑板擦压在竖直黑板上静止,请结合力的示意图说明,其中包含的平衡力与相互作用力有哪些?

评估3:结合力的示意图,解释为什么将物体置于水平桌面上,用弹簧测力计沿水平方向拉动,使其做匀速直线运动,此时弹簧测力计的示数会等于物体所受滑动摩擦力的大小?

设计意图:结合具体事例,引导学生通过列表分析、画图对比,深入建构平衡力与相互作用力的模型,透视两者的异同,形成初步的运动与相互作用观念。进而经历对概念和规律的反思与应用,使其学会选择合适的模型、能够综合运用所学模型,解释常见的物理现象、解决实际问题。在此过程中,促使“力的三要素、力的示意图、平衡状态、平衡力、相互作用力以及测量滑动摩擦力的实验操作方法”等核心概念,在学生的心智中贯通、融合、内化。

3 结束语

义务教育苏科版物理教材由多种课型组成。课型及内容的差异与学科核心素养内涵的丰富性,共同决定了教师在日常教学过程中,应有所侧重地培养学生学科核心素养的不同维度。教师需要真正落实“以终为始”,积极践行追求理解的逆向教学设计理念,加强对课程方案、课程标准、教材教参等的解读,明确教学目标,把握教学内容中的素养落脚点,以理解为先,依据核心素养的培养要求及学业质量标准,确定教学策略、选取教学资源、规划教学次序、组织教学活动、设计评估任务等,促使教学评有机衔接,注重知行思合一,以实现深度教学,逐步发展学生的核心素养。