打造证据课堂从深度备课开始

姚秀伟 孙宝东 陈艺丹

(哈尔滨师范大学,黑龙江 哈尔滨 150025)

深度学习是培养学生核心素养的有效途径之一,而深度学习是与深度教学分不开的．因此深度备课、深度教学是学生深度学习的前提和保障．

证据意识作为“科学思维”素养的核心要点之一,是学生形成核心素养的重要思维前提．证据课堂是培养学生证据意识的主阵地,而证据课堂的打造需要教师深度备课深度设计,所以打造证据课堂应从深度备课开始．本文以“多普勒效应”一课为例,讨论通过深度备课打造证据课堂．

1 深度思考,基于事实证据选择感知素材

很多经验不足的教师习惯完全按照教材提供的素材和思路进行教学设计．但教材中并非所有素材都完全符合我们的教学实际,教师应有针对性地二次开发教材,使其变成实施中的教科书．[1]

图1 教材中给出的感知实验素材

人教版物理教材2003年版和2017年版(以下简称新教材)中给出的“多普勒效应”感知素材都包括一个生活实例(感受疾驶而过的汽车或救护车鸣笛音调变化)和一个演示实验(如图1快速转动蜂鸣器,听音调变化)．这两个素材能否起到感知多普勒效应的作用,还需教师基于身边资源和事实证据进行判断,从而决定是否选用该素材．

考虑到汽车行驶时通常不鸣笛,所以新教材将“汽车鸣笛驶过”的素材改成了“疾驶而过的救护车”．[2]但是很少有学生感受过疾驶状态与静止状态下救护车鸣笛音调的不同,无法进行对比“取证”,很难建立疾驶而过与音调变化之间的因果关系．所以此素材更适合留至巩固规律时选用,而不适合作为建立规律的感知素材．

图2 一种小型蜂鸣器

对于“快速转动蜂鸣器”的感知实验,为鉴别实验的直观性,笔者利用身边的小型蜂鸣器(如图2)进行了教材中的演示．实验发现,无论是按教材方式转动蜂鸣器,还是出于安全性考虑向下转动,都能听到明显的音调变化,与蜂鸣器静止时人耳听到的恒定音调形成鲜明对比．为进一步获取可分享的证据,用装有频率测量软件的手机充当人耳,记录了蜂鸣器转动过程中手机接收的频率变化．数据显示,固定发声频率为3024 Hz的蜂鸣器围绕手机转动时,手机接收频率在3041～3008 Hz之间．若采用新教材推荐方法,在几米以外听蜂鸣器转动时的音调变化(本实验最远距离为8 m),模仿学生在不同位置观察实验,效果依然明显,说明本实验符合直观性原则,可满足全班学生观测需要,且小型蜂鸣器固定在长杆上,实验安全性可以保障．综上,本实验适合作为多普勒效应的感知素材．

2 深度设计,基于数据证据接近内容本质

作为感知实验,转动蜂鸣器的实验呈现方式是否有利于学生对多普勒效应本质的感知呢?多普勒效应的关键是“波源与观察者互相靠近或远离”时“接收到的波的频率发生变化”．蜂鸣器转动实验容易让学生误认为多普勒效应的出现与转动有关,而不利于学生对“靠近或远离”这一关键条件进行感知和理解．为了让学生明晰蜂鸣器转动其实是引起了波源与观察者之间的“靠近或远离”,还要另外做解释,而且还会牵涉二者之间的垂直运动,而垂直运动引起的多普勒效应在高中阶段是不讨论的．由此可见,转动蜂鸣器的实验呈现方式对于高中阶段的学习来说,包含了一些干扰规律理解的无关因素．为避免上述干扰,可将蜂鸣器转动变成平动,让学生分别感受蜂鸣器靠近和远离过程的音调变化,辅以频率测量．图3为蜂鸣器相对手机(观察者)靠近或远离时,手机接收到的频率变化．若保持蜂鸣器静止,手机靠近或远离,结果与图3数据规律一致,体现了多普勒效应是运动相对性的结果．

图3 手机接收到的蜂鸣器发声频率变化

通过数据证据,学生可将频率变化与“靠近或远离”建立直观联系,从而更接近多普勒效应的本质．

3 深度探究,基于双重证据走出理解误区

关于多普勒效应的本质,很多学生包括大学生往往存在这样的理解误区:在波源与观察者之间相互靠近或远离时,是距离变化导致接收到的波的频率发生了变化,而认识不到相对运动才是多普勒效应的本质原因．通过深度探究获取可视化证据,可以帮助学生更好地建立正确认识、走出理解误区．在基于定性感知总结出多普勒效应的内容之后,增加深度探究,引导学生获取和对比图4实验数据,直观体验蜂鸣器不动，手机在远离或靠近蜂鸣器过程中,如果手机静止,接收到的频率将与蜂鸣器发出的频率相同,而与距离远近无关，从而让学生理解多普勒效应的实质不是距离变化．

图4 手机运动或静止时手机接收频率对比

在此基础上,再利用教材中的模拟实验进行理论探究,让学生借助实验数据和理论分析双重证据走出理解误区．同时培养学生的证据意识,促成深度学习．

4 深度呈现,基于证据体验理解规律应用

从现象到规律,再到规律应用,是人类对科学的一般认识模式．[3]教材中以水下多普勒测速仪的照片创设真实情境,并用文字阐述了多普勒效应的几种典型应用．利用教材资源可以顺利完成多普勒效应应用部分的教学,并达成课标的内容要求．

但考虑到素养目标的落实,兼顾“学生基于证据和逻辑对问题作出合理解释的意愿和能力”还有待提高的实际学情,规律应用部分可以继续采取“打造证据课堂”的深度备课方式,利用图5所示的自制装置变教材上的静态图文情境为真实的动态演示情境,在真实问题的引领下,用图5装置呈现电磁波(微波)也具有多普勒效应的证据,再进一步演示频率变化与运动速度之间的关系,让学生基于证据体验理解多普勒效应的应用原理,从而使规律应用有机成为规律建构的一部分,同时让学生学会为自己的观点提供证据支持,培养证据意识和证据思维,达成科学素养培养目标．在此基础上,再过渡到以超声波和光波为载体的多普勒效应的应用学习,学生则更容易完成知识的有意义迁移和系统建构,也更容易在遇到类似的情境时能有意愿有能力基于证据和逻辑对问题作出合理解释,提高学生的科学思维和解决实际问题的能力．

总之,为打造证据课堂,培养学生的证据意识,教师在备课时就要有意识地基于证据选择教学资源,将证据和逻辑融入教学环节和教学活动的设计,把发展学生科学思维和解决实际问题这两个深度学习目标融入备课思考和教学设计中,用深度备课和深度教学帮助学生实现深度学习．

图5 微波多普勒效应演示和测速装置