深度学习视域下指向高阶思维的学习活动设计——以“多普勒效应”教学实践为例

刘 芳 孙德峰

(1. 北京市教育学院丰台分院,北京 100073; 2. 北京市第十二中学，北京 100071)

随着新课程标准的一步步落地,新一轮的课程改革正在持续推进中．新一轮课程改革围绕物理学科的核心素养(物理观念、科学思维、科学探究及科学态度与责任)展开,与之相对应的高考改革也将在2020年正式启动．教育部发布的《中国高考评价体系》中明确了课标的地位,并对高考提出了“一核四层四翼”的考查要求．综合新课标和新高考,“学科教学应当引导学生在真实问题情境中进行深度学习”这一教学理念正在当下的课程改革中逐步成为一线教师和教学理论研究者的共识．

众所周知,教学是教师的“教”和学生的“学”发生相互作用的过程．教学过程就是在学生原认知的基础上通过一系列的“学习活动”使学生发生知识进阶、重新建构自己认知结构的过程．安德森修订的布鲁姆教育目标分类把在学习知识的认知过程分成:记忆、理解、应用、分析、评价和创造6个方面;其中记忆、理解、应用被称为低阶思维,分析、综合、评价被称为高阶思维．显然指向高阶思维的学习活动更能使学生发生较高认知水平层次上的心智活动,促进较高层次的认知能力,更能实现促进学生发生深度学习并提升学生核心素养的课程目标．本文将以多普勒效应为例浅谈教学过程中指向高阶思维的学习活动设计,希望通过这样的设计给课改中的同行者“抛砖引玉”,让深度学习在我们的物理教学中真实发生并生机勃勃．

1 多普勒效应的已有学习活动设计

多普勒效应是人教版普通高中教科书选必修第1册第3章《机械波》第5节的内容．《普通高中物理课程标准》(2017版)要求通过实验,认识多普勒效应;能解释多普勒效应产生的原因,能列举多普勒效应的应用实例．人教版教材中用如图1所示的实验装置或者其他类似的实验装置(也可以播放音频或者视频)进行演示实验,学生通过观察实验形成对多普勒效应的认识．利用图2的模拟实验解释多普勒效应的产生原因,再对多普勒效应在生产生活中的实际应用做一些简单的介绍,使学生体会学科知识的科学价值．

图1 多普勒效应的观察实验

图2 多普勒效应的模拟实验

分析以上两个学习活动,不难发现图1中的学习活动中要求学生观察实验得出结论,属于理解层次的思维过程．学生在进行观察时首先感觉到的是声音响度的变化,音调的变化被掩盖在了音量的变化之中,单纯靠耳朵辨别音调发生的变化显然缺乏一定的科学性．图2中的学习活动可以帮助学生更好地理解多普勒效应产生的原因,虽然有一定的分析活动,但整体来看依然属于低阶的思维过程．结合学生的知识基础和能力基础进行总体分析,我们不难发现以上的学习活动对学生来说缺乏挑战,也缺乏真实的问题情境和丰富的实践体验.这样的学习活动必然很难激发学生的学习兴趣和学习动机,当然更谈不上促使学生通过深度学习提升核心素养的课程目标．为此,我们在这节课中进行了如下的尝试．

2 指向高阶思维的学习活动设计

2.1 基于反馈的自学和诊断

综合分析课标对本节课的内容要求以及学生的知识基础和能力基础,我们将教材中的多数内容安排为自学内容．为了准确了解学生的自学情况,精准找到学生对于多普勒效应的相关知识的认知中存在的障碍点,我们通过精心设计的问题检测学生自学的效果及可能遇到的认知障碍．课前自学诊断题目如下.

① 你能用简单的语言描述一下多普勒效应吗?

② 在学习本节课内容之前,在日常生活中你是否注意过此类现象?你是否曾经想办法弄清楚产生该现象的原理或本质?

③ 你能否简要地说明产生多普勒效应的本质原因?

④ 你尝试过利用实验验证多普勒效应吗?如果有,请简单描述一下你验证的过程;如果没有,那你能否现在设计一个实验来验证一下多普勒效应?

⑤ 通过课前自学多普勒效应及其相关内容后,你还对什么问题感兴趣?或者说你还有什么疑问希望在课上得到解决?

对诊断的结果进行深入分析,我们发现:通过课前的自学,学生对多普勒效应有了初步了解,甚至有相当一部分学生能够对多普勒效应的本质进行正确的说明．但诊断结果同时表明发现学生的“实践”意识还有待提高,几乎没有学生在学习了一种新的物理现象之后能主动去验证和研究;对于多普勒效应的本质学生虽然能给出定性的说明,但很难从定量的角度进行系统的论证．诊断结果不仅凸显了课堂教学中指向高阶思维的学习活动设计的必要性,也为发展学生的高阶思维做好了铺垫．

2.2 基于评价的科学实验观察

教材中的演示实验提出的问题是:蜂鸣器在转动的过程中,声音有什么变化?正如前文中所说,这个实验中声音的响度和音调同时发生变化,如果仅仅让学生通过耳朵进行区分,缺乏科学性和严谨性．另一方面观察属于理解层面的思维活动,指向的是学生的低阶思维．如何将这样的学习活动进行改进,设计指向学生高阶思维的学习活动呢?我们做了如下的尝试:一是针对教材中的演示实验提出设计指向高阶思维的问题:你观察到的现象中哪些可以作为发生了多普勒效应的证据?如何让证据更加具有可视性和说服力?二是引导学生对课本中的演示实验提出改进建议．课堂教学中,我们在学生建议的基础上利用手机等智能设备将多普勒效应中声音频率的变化从定性观察转化为定量观察．以上的学习活动设计使得简单的实验观察变为了评价性的学习活动.这样的学习活动要求学生能够寻找证据解释结论,对证据进行评估;为了使证据更有说服力从而对实验方案提出改进.显然,这样的学习活动设计引导学生通过分析、评价的过程中发展学生的高阶思维,促进了深度学习的发生．

2.3 基于分析的现象定量描述

普通高中物理课程标准中对于多普勒效应这一节的教学要求中并没有多普勒效应的定量理论解释．考虑到笔者所教学生学习能力较强,同时为物理学习兴趣和学习能力较强的学生拓宽通往科学研究领域的视野,我们在课堂教学中在学生能力的范围内,增加了理论推导这一教学内容．课堂教学中将启发学生利用所学知识,构建物理模型,尝试从理论上探究观察者听到的声音频率与声源发出频率的关系．为了降低学生的理论推导难度,借助Flash动画引导学生自主完成理论推导全过程．

如图3所示,D为观察者位置(假定不动),S为波源,发出周期为T(相应频率为f)的机械波,在空气中的传播速度为v0,波源以vS向左做匀速直线运动．t=0时刻,S位于A位置,发出的波经t时间到达观察者处(传播距离为v0t);随后经过时间T,S位于B位置,发出下一列波,在t时刻,波传至如图所示位置[传播距离为v0(t-T)]．显然,观察者听到相邻两列波的时间间隔T′满足关系式，可解得

所以观察者测得v0T′+v0(t-T)+vST=v0t的频率满足

学生自主完成观察者靠近波源,波源不动时的定量推导,最后综合可得波源和观察者有相对运动时,观察者接收到的频率满足

图3 观察者不动，波源靠近观察者

这一过程的学习活动设计,不仅丰富了学生对多普勒效应的认知,满足了学生关于多普勒效应定量描述的好奇心．更重要的是:在对物理现象从‘’定性”到“定量”的描述中,使学生完成了一个学习进阶的过程．对多普勒效应的定量描述需要学生结合现象抽象出与现象有高度相关性的物理模型,围绕模型选择模型中适用的物理定律或者定理,通过严密的数学逻辑推理最后得到结论．在这一学习活动过程中,学生在分析和综合方面的高阶思维将得到进一步地发展和提升．

2.4 基于创新的定量验证实验

在完成了多普勒效应的定量描述后,一般的课堂教学中会引导学生利用定量描述的结果,对现象尝试给出定性的解释．这一过程不仅使学生验证了定量描述的合理性,也使学生的思维过程实现了逻辑上完整的闭合链条．但一个定量描述是否正确仅从定性的角度来进行验证,不免会使人感到缺乏足够的说服力,也不是物理学的发展过程以及科学研究过程的真实呈现．物理是以实验为基础的学科．物理学研究中,一个理论是否正确,必须依靠实验去检验,从定量的角度进行实验的检验才能使科学理论的形成更严谨．我们在课前诊断环节设计了问题4:让学生自主设计实验,通过实验验证定量解释的合理性．课堂教学中,围绕某同学课前检测中提出的实验设计方案,设计了分组的学生活动:对该同学的方案进行评价和改进．通过小组的讨论与面向全体同学的交流,形成了最终的定量验证实验方案．方案如下:

图4 多普勒效应定量描述的验证实验

如图4所示,将手机1用网兜装好后系在半径约为1 m的绳子上,用手甩动绳子使手机1在水平面内尽量做匀速圆周运动,测量手机1做圆周运动的半径r．在手机1中利用“phyphox”软件发出某一特定频率的声波,将手机2置与手机1同一水平面后在手机2中利用“phyphox”软件,接收声波信号并通过视频记录接收到声波信号的实时频率．利用视频回放功能找出接收信号的最大和最小频率,并读出手机1做圆周运动的周期T．通过多普勒效应的理论推导公式求得手机1做圆周运动的线速度．同时通过圆周运动的周期、半径、线速度的关系估算手机1做圆周运动的线速度．通过两个速度的比较验证理论解释的合理性,同时对误差产生的原因做出科学的解释．

实际课堂教学中我们不仅完成了实验方案的改进,还与学生一起完成了全部的实验验证过程．与学生一起进行实验操作时课堂氛围非常热烈,学生利用圆周运动估算出手机1做圆周运动的线速度大小v=6.3 m/s,通过多普勒效应求得手机做圆周运动的线速度大小v=8 m/s．在发现两个速度非常相近时学生们的脸上散发出了由衷的激动和喜悦．

科学理论的形成过程是科学推理和科学实验不断互证的过程．以上的学习活动设计引导学生围绕定量的实验验证展开,活动的目标是让学生在真实情境中发现问题,构建模型、设计实验并进行评价和交流．这样的学习活动不仅能促使学生发生深度的思考,更让学生充分体会到科学实践的重要性以及科学理论的严密性．

2.5 基于质疑和反思的学习评价

经历了前面4个环节的学习活动后,学生的思维变得异常的活跃,课堂教学如果就此结束不免给人一种戛然而止的错愕感．如何让学生的思维继续保持在较高的层级上,在前面已有的基础上形成更高的突破呢?我们在课堂小结环节给学生提出了这样的问题:问题1,实验验证的过程速度测量值和理论值之间的差异是如何产生的呢?问题2,对于多普勒效应定量描述的理论结果,你还有哪些疑问或者思考?

课堂教学实践再次证明:给学生一个舞台,学生会给你无数惊喜．结合上面的两个问题,学生将多普勒效应的定量描述从一维的特殊情形讨论并修正为二维的一般结论．更有学生提出了“超波速”运动形式、艏波(冲击波)以及马赫数等大学物理中的一些概念．

通过这样的课堂小结,不仅提升学生深入的观察和思考能力,更提升了学生质疑创新维度的核心素养,进而激发优秀学生深入学习物理的兴趣,引导更多的学生进入物理专业的学习．

3 小结

华东师范大学的崔允漷教授曾经指出深度学习有四个关键点:一是高认知,高认知的起点就是理解;二是高投入,高投入就是学习过程中学生要全神贯注;三是真任务、真情境;四是反思．显然指向深度学习的课堂教学应当让学生明白自己的起点在哪里,明确自己要去哪里,通过指向高阶思维的学习活动让学生经历从起点到终点的学习过程．指向高阶思维的学习活动设计要在学生已有的知识基础上围绕真实情境展开,让学生在真实的问题解决过程中经历知识或者技能的应用,从而达到提高学生思维水平,提升学生整体素养的课程目标．