“逆向设计+协作学习”帮助学生突破思维障碍——以“探究加速度与力、质量的关系”为例

马秀英

(浙江省平湖中学 浙江 嘉兴 314200)

1 引言

牛顿第二定律采用的是探究式的学习方法，即通过控制变量法的实验总结出物体的加速度与作用在物体上的合力成正比，与质量成反比，从而归纳出牛顿第二定律.但在实际教学中却面临这样的困窘：既要让学生了解实验的原理并学会自己设计方案、处理数据，又受到课堂时间的限制.于是大多数教师的处理方法往往先理论教一教，再实验做一做，一节课实验常还处理不完，最后不了了之.在许多的课例和文章中、在听课或日常教学设计中看到较多的也是先理论灌输讲授原理，再按部就班做一做实验，大多是直截了当地提出了合外力的获取和平衡摩擦的思想，诸如以下的引导提问： “合外力怎么获取？平衡摩擦力的方法是什么？”又如“小车除了受到绳子拉力外，还受到其他什么力？如何能抵消摩擦阻力的影响或者说平衡阻力？如何判断是否已经平衡阻力？”这样真的能解决问题吗？

在高三复习中发现，对于不同的实验方案，学生解题时凭经验而缺少分析的过程，特别是遇到具有一定创新性的实验方案时，总是很难准确把握是否需要平衡摩擦力，是否需要满足重物质量m远小于小车质量M.究其原因，并没有真正理解并学会解决本实验的两大难点问题，即小车受到的拉力与合力的关系，拉力与悬挂重物重力的关系.笔者正好连续两年任教高三，对本实验教学的困窘深有感触，对如何提升学生的思维品质不断思考.因此笔者在参加的沪上名师方梦非老师名师工作室与教研组联合教研的活动中，尝试利用DIS实验系统为课堂争取时间，但DIS系统轨道的摩擦力很小，不需要平衡摩擦力，而浙江近几年选考中，如2017年11月及2020年7月的17题均考查了该实验的平衡摩擦力这个点，而在其他几次选考试题中也有某一选项涉及，或者是在 “探究功和速度变化的关系”时也涉及到是否平衡摩擦力，是否需要悬挂物的重力远小于小车的重力的问题.说明这是考查的重点！《中国高考评价体系》中阐明高考必须坚持引导教学.将“引导教学”纳入核心功能，有利于理顺教考关系，增强“以考促学”的主动意识，达到“以考促教、以考促学”的目的，促进立德树人根本任务的落实，共同形成更高水平的全面培养体系[1].因此在设计时采用铺布轨道与DIS原轨道进行对照实验扩大摩擦力的影响，以问题链引导学生自主思考得到平衡摩擦力的方法，突破思维障碍，提升思维能力，落实核心素养.

2 理论依据

许多教师从输入端开始思考教学，即从教材、喜欢的方法，以及传统的活动开始思考教学，而不是从输出端开始思考教学.关注自己的“教”，而不是学生的“学”.花大量时间思考自己要做什么，使用哪些材料，要求学生做什么，而不是首先思考为了达到学习目标，学生需要什么[2].

逆向设计以目标为导向，以具体的结果为目标，然后根据这些结果相应地进行逆向设计.“以终为始”，从学习结果开始的逆向思考.只有明确知道预期结果，才能专注于最有可能实现这些结果的内容、方法和活动.逆向设计分3阶段进行，确定预期结果，确定合适的评估证据，设计学习体验和教学.以活动为导向的设计和灌输式教学设计这两大误区的弊端在于没有通过逆向设计方法彻底想清楚教学目的.

3 教学设计

为什么要用合外力？为什么细线要与长木板平行？为什么要平衡摩擦力？笔者认为，学生是在学习了牛顿第二定律后更清晰地了解公式中的F指合外力.而在之前的探究加速度、力与质量的关系实验中学生被直接告知F指合外力是很突兀的，学生仅知其然而不知其所以然.这种强加于学生的“直接告知”跟学生的认知规律不符，造成学生在方法认识上没有主动性，属于元认知困难,因此教学设计要注重教学逻辑.

DIS系统可快速多次实验、数据共享、开展协作学习等优点为课堂争取了时间，铺布轨道与原轨道实验的对比，通过“逆向设计+协作学习”，在问题链引导下解决实验时间的困窘而不削减学生的思维探究过程，从而在教学中提升学生的科学思维，落实核心素养.

3.1 “逆向设计+对比实验”

展现直观图像，分析a-F图像，学生自主探究确认F为合力，为平衡摩擦力打下基础.以问题链方式引导学生深入思考并自主得到平衡摩擦力的方法.

教学片段一：

【学生活动】设计表格填写小车在不同力作用下产生的加速度.

学生设计得非常漂亮,如图1所示.

图1 学生设计的表格

已知：固定有传感器发射端的小车质量、DIS中用于改变小车质量的小质量块的质量、空桶质量、用于改变悬挂重物质量的小螺母的质量.

学生共40人，4人一组，分10组.利用如图2所示的原装轨道(a)与铺布轨道(b)对比实验.

(a)原装轨道

(b)铺布轨道图2 实验对比

4组用原装轨道与位移传感器做M(小车与小质量块的总质量)一定，a与F(细线的拉力)的关系实验.

3组用铺布轨道结合位移传感器做M一定，a与F的关系实验.

3组用原装轨道与位移传感器做F一定，a与M的关系实验.

(10组实验同时进行，各完成5组数据，注意细线平行轨道、桶与小螺母的总质量m远小于小车与小质量块的总质量M)

思考1:如何处理这些数据，能更直观地看出a与F，M的关系？

学生：图像法.

【学生活动】数据采集后作出a-F图像、a-M图像.

思考2:用原轨道作出的a-F关系图像是怎样的？

生：图3为原轨道对应图像，由此看出直线几乎过原点.

图3 原轨道对应的图像

师：在误差允许范围内，我们认为图3中的图线过原点，得到a与F成正比关系.

思考3:图4为铺布轨道对应的图像，比较原轨道与铺布轨道的图像有何不同.铺布轨道与原轨道对比不同在哪里？讨论上述现象的原因并交流.

生：图4中的图线与F轴的交点在F轴的正半轴，且离原点较远.原轨道与铺布轨道的不同在于，铺布轨道更显粗糙.

图4 铺布轨道对应的图像

思考4：由图4可以看出当拉力F由零增大到某值的过程中时，a为零，那么产生加速度的是拉力F吗？

生：不是.

思考5:不是拉力F是什么力？

生：合力！

思考6:我们又不知道摩擦力f，又该如何得到合力？我们能否想办法仍然让F成为合力？如果F是合力，那么其他几个力什么关系？

生：其他几个力平衡！

思考7：实验过程中怎样操作就可以让其他3个力平衡呢？

【学生活动】思考平衡摩擦力的方法，进行交流.

思考8:如何处理a与M的关系？

图5 a-M图像

设计意图:《追求理解的教学设计》一书中提到“理解永远不能通过灌输实现”.逆向设计铺布轨道是为扩大摩擦力对于本实验的影响，通过对照两组数据，对比分析原轨道与铺布轨道的a-F图像，确认F为合力，通过对照组让学生讨论，自主分析得出平衡摩擦力方法而不强加于学生，发展学生的科学思维.

3.2 逆向设计+演示实验

通过实验事实获得具体而丰满的感性认识，使重物的重力与细绳拉力的关系不含糊！

教学片段二：

思考9：如何得知细绳的拉力？装置中最直接得到的是什么力？

生：悬挂重物的重力.

思考10:当重物静止或匀速运动时，细绳的拉力与重物的重力间是什么关系？

生：两者相等.

思考11:当重物拉动小车使之匀加速运动时，细绳拉力是否仍然等于悬挂物的重力？

学生们陷入了沉思.

下面给大家测一测绳子的拉力.

【演示实验】如图6所示，用无线力传感器测定绳子拉力与悬挂物体重力间的关系.

图6 “牛顿第二定律”实验测拉力

请一学生帮忙操作器材，教师在DIS系统中操作获取数据.

步骤一：请学生按住小车，使重物及小车静止，通过力传感器得知细绳拉力与重力相等.

步骤二：再释放小车，使重物下落，小车沿轨道前进.用F-t图像显示细绳拉力随时间的关系.(可适当缩放纵坐标，使图像显示更明显)

逐次增加所挂重物的重力，重复步骤二.

实验发现：当m远小于M时，拉力近似等于mg，否则差距较大.因此，利用上述学生实验装置进行实验，在改变拉力时要注意满足m远小于M.

设计意图:在本实验中，由于还未得到加速度a与质量的关系，因此无法从理论上推理证明，但可以从实验测量的数据上比较出两者的关系，用事实数据证明，简明清晰.学生的定向思维很牢固，前期学习了力的平衡后总会有学生有拉力与重力相等这样错误的前概念，这就要提高学生的物理思维，形成正确的物理观念.任何定律、规律或结论脱离条件就不适用.

3.3 协作学习+课堂延伸

通过受力分析，结合分组实验得出的牛顿第二定律，安排作业分析推理“为什么m必须远小于M”，得到结论与演示实验相符.

教学片段三:

在分组对比实验中，采用了生生协作的方式.组与组间的协作，实验数据共享，既省时间又不代替学生思考，每一个分组都是实验不可或缺的组成部分.

演示实验则体现了师生间的协作.

在作业布置中，设置如下习题：

请大家尝试推导，在实验中为什么当悬挂物质量m远小于小车质量M时，绳子拉力F约等于重物的重力mg.

设计意图:通过逆向设计评估学生的学习情况.检验学生对于课堂学习的灵活运用能力，理论推理验证之前的演示实验结果.将课堂延伸至课下，提高学生科学思维的深度，厘清前后的逻辑关系.不仅让学生知道然，更要清楚其所以然，这样的安排也更符合学生的认知规律，从而更好地落实核心素养.

3.4 DIS软件+极域课堂+同屏技术

DIS软件、极域课堂、同屏技术相结合,省时而不削减学生的思维过程.

在学生进行表格设计和分组对比实验时，都可以同屏，利用极域课堂进行数据的共享，方便协作学习，以及听课教师近距离地感受学生实验的真实过程，如图7所示.

图7 学生实验场景

4 结束语

教学是根据学习的需要来开展的，采用逆向设计，是要清楚学生应该知道什么，能够做什么，什么内容值得理解，什么是期望的持久理解.决定教什么和如何教之前必须思考如何开展评估，然后集中精力关注更重要的内容设计具体学习体验和教学，以此展示学生的理解.因此，在高一高二备课组活动或在解决这种重要又难度较大的课题时，可以与高三教师联合，或采用工作室与教研组联合的方式，从高三教学目的出发更能切中学生思维障碍的要害，突破教学的难点.协作学习节约课堂时间的同时，让学生体会到合作的重要性，一起提高实验探究能力，发展科学思维，落实核心素养.