核心素养视角下促进理解的逆向教学设计与实施——以人教版“平抛运动”为例

谈马平

（兰州新区舟曲中学，甘肃 兰州 730087）

自教育部颁布了2017版的《普通高中物理课程标准》以来，物理教育教学进入了“学科核心素养时代”.物理学科核心素养主要包括“物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任”4个方面，是物理学科育人价值的集中体现.“如何培养学生的物理学科核心素养”是每一个物理教育工作者必须要面对的问题.物理学科素养培养的主阵地在物理课堂，物理课堂必须指向物理学科核心素养.华东师范大学课程与教学研究所所长崔允漷指出，建立素养目标体系，实施、教学、评一致的教学，是落实核心素养的有效途径.[1]逆向教学设计为物理学科核心素养在物理课堂中的“落地生根”提供了可行途径.下面以人教版“平抛运动”一节为例，进行逆向教学设计与实施，促进学生深度理解，培养高阶思维.

1 促进理解

美国的两位学者格兰特·威金斯和杰伊·麦克泰格在《追求理解的教学设计（第二版）》[2]一书中提出了 “为理解而教”、“逆向教学设计”等富有变革精神的理念.“为理解而教”指教学的本质在于理解，学生在学习结束后，应该能够知道、实践和理解相关内容，并在表现和作品中体现出来.理解包含“习得知能、意义推断、可迁移性”3个层级与“解释、阐明、应用、洞察、神入、自知”6个侧面.“逆向教学设计”强调“以终为始”，进行结果导向的教学模式.它分为“确定预期结果”、“确定合适的评估证据”、“设计学习体验和教学”3个阶段，实现“知识为本”的课堂向“素养为本”的转变.

物理教学已经进入了“学科核心素养时代”.物理学科核心素养是物理学科育人价值的集中体现，是落实立德树人的重要抓手.在一定程度上，促进理解是落实学科核心素养的基础与前提，物理学科核心素养是促进理解的进阶目标，两者相辅相成.而理解的程度可以通过理解的6个维度与实作任务进行检测，具有更强的操作性，可以显性素养目标.理解每个侧面的落实会促进物理学科核心素养的某个方面的达成，体现出可操作性、可迁移性、可检测性.

物理学是研究物质结构、物质相互作用和运动规律的一门自然科学.核心素养视域下，物理学常常需要构建模型来认识事物的本质，需要运用数学语言来描述各物理量之间的关系，需要经过论证确立客观物质的运动规律.[3]构建模型需要抓住事物的本质，运用实验、判断、类比、抽象、概括等科学方法，需要经过理解中的应用、洞察维度.运用数学语言来描述各物理量之间的关系，需要经过解释、应用维度来数学推导.经过物理论证确定运动规律，需要经过解释、阐明、应用、维度，最终达到神入、自知维度.总之，物理教学的发展需要促进深度理解，深度理解可以有效落实物理学科核心素养.

2 促进理解的逆向教学设计

教师是课堂教学的设计师，课堂教学的有效性取决于教学设计是否符合知识内在逻辑、教学逻辑、学生认知逻辑.激发学生继续学习的兴趣，突显物理学科育人价值，是物理课堂的追求.“逆向教学设计”强调“以终为始”，进行结果导向的教学模式.它分为“确定预期结果”、“确定合适的评估证据”、“设计学习体验和教学”3个阶段，实现“知识为本”的课堂向“素养为本”的转变.表1是基于UbD逆向设计模板对人教版“平抛运动”一节进行的教学设计.

表1 基于UbD逆向设计模板的“平抛运动”教学设计

3 “平抛运动”学习评价设计

学习要有学习评价任务，学习任务是检测目标是否达成的载体.新课标倡导在情境中发现问题，在问题解决中发现新情境，进行知识、能力双重迁移.所以设计了基于“目标+情境+问题”的学习评价，旨在将评价任务嵌入教学过程，促进教、学、评一致.

表2 基于“目标+情境+问题”的学习评价设计

4 促进理解的逆向教学实施环节

4.1 轨迹展示，抽象概括定义

学习是将新知识纳入原有认知的，通过同化和顺应，提高认知能力的过程，学习的起点应该是创设情境，激发学生学习的乐趣，引起思维反应的链条.所以这节课引入时，可以提出采用下面的过程.

体验活动：用手水平抛出的小钢珠做什么运动？用手水平抛出的纸飞机做什么运动？

实验现象：用实物来演示，发现不同物体水平抛出运动形式不一样，小钢珠很快就落地，轨迹类似数学上的抛物线，而纸飞机的运动较为复杂.并且试验多次，小钢珠的轨迹几乎一样，而纸飞机的运动每次都不一样，具有多变性.

分析解释：纸飞机的运动比小钢珠的复杂、多变，原因是空气阻力的影响.小钢珠收到的空气阻力比较小，运动受重力影响大，重力是恒力，所以运动轨迹相似.而纸飞机受到的空气阻力比较大，运动受重力和空气阻力双重影响，空气阻力的变化较为复杂，所以运动每一次都不一样.

建立模型：人类研究自然，大多都从最简单的运动开始研究，而生活中的运动大多复杂，所以需要我们抓住主要本质方面的特点，忽略次要非本质方面，建立理想化模型.什么是平抛运动呢？以一定的速度将物体水平抛出，如果物体只受重力的作用，这时的运动叫做平抛运动.

4.2 第一性原理出发，矢量分解，建立物理模型

物理理论具有简单美，教学过程也应该采用简单化的原则，切莫复杂化，增加学生的认知负担.平抛运动规律的形成应该从物理学中的第一性原理出发，简洁地得出.所以，笔者建议下面的方法.

牛顿第二定律能解释大自然存在的各种各样的复杂的运动，当然也能应用到平抛运动中.具体应用过程如下.[4]

设平抛运动的物体受竖直向下的大小为mg的重力作用，初速度为v0.由牛顿第二定律，可列

F合与a都是矢量，矢量的分解遵循平行四边形定则，有无数种分解方法，原则是选取有利于简化计算或有物理意义的两个方向进行分解.

以抛出点为坐标原点，v0方向为x轴正方向，以重力加速度的方向为y轴正方向，用正交分解法分解a得

水平方向：ax=0，vx=v0，x=v0t，

竖起方向：ay=g，

4.3 推理论证，建立数学模型

论证是由已有的正确的前提到被论证的结论的一连串的推理过程，推理论证能力是学生必须要具备的思维能力.所以在教学中应该多培养学生的论证能力.建立平抛运动的数学模型，正是培养论证能力的好机会，如图1所示.

图1

教学契机总是在教师示弱、学生追问中发现的.平抛运动的轨迹判断正好是发展数学能力的契机，应该“趁热打铁”，继续追问：如何求平抛运动的轨迹方程？学生经过思考后，不难发现：消去水平位移x=v0t与竖直位移中的时间t，就可以得到轨迹方程为结合数学中圆锥曲线的知识，轨迹是开口为y轴的抛物线.但是教师得引导思考“为什么可以消去时间t呢？”这是因为运动的分运动与合运动具有等时性，再一次升华认识，巩固所学.

通过牛顿运动定律与矢量分解得到水平方向和竖直方向的速度、位移规律，再建构出平抛运动的数学模型，形成对平抛运动的“螺旋式”上升的认知.

4.4 实验验证，完成实作任务

物理是一门实验和科学思维相结合的学科，物理教学中得突出实验特征.经过第一性原理出发的理论演绎，再用实验验证，加深对平抛运动规律的认识，形成清晰稳定的思维.采用DIS数字信息系统研究平抛运动（图2），计算机会绘制出平抛运动的轨迹（图3）.观察轨迹，分析数据，不难发现小球在水平方向做的是匀速直线运动，竖直方向是自由落体运动，符合之前的理论分析，实现理论与实验的结合.

图2 数字化研究平抛运动的装置

图3 计算机描绘平抛运动的轨迹

逆向设计认为，实作任务是评价学生是否达到持久性理解、灵活应用的恰当证据.实作任务强调，在真实的情境中解决问题，进行过程性与结果性双重评价，培养模型建构、问题解决、学习迁移、科学论证等学科核心素养.因此，本节课设置了如下实作任务（见表3）.

表3 平抛运动的实作任务

4.5 情境迁移，引导上位学习

任何学习都是在学习者已经具有的知识结构和认知结构的基础上进行的，新的知识、认知只有逐步嵌入在原有认知中，才会发生真正的学习.学生在知识迁移的过程中，习惯用的方法是类比.所以把学到的模型应用于相近的情境中，采用变式的形式理解所学概念、规律，是培养学生迁移能力的途径之一.

学习了平抛运动的规律后，可以适当练习相近的变式题目，迁移到一般的抛体运动，达到举一反三的效果.

变式1：以初速度v0水平抛出的物体，飞行一段时间后，垂直地撞在倾角为θ的斜面上，求物体飞行的时间.

变式2：AB为斜面，倾角为30°，小球从A点以初速度v0水平抛出，恰好落在B点，求小球在空中飞行的时间.

变式3：在倾角为θ的斜面顶端A处以速度v0水平抛出一小球，落在斜面上的某一点B处，设空气阻力不计，求从抛出开始计时，经过多长时间小球离斜面的距离达到最大？

在物理教学中进行逆向教学设计与实施，从教、学、评三个维度落实物理教学，促进学生深度理解，实现物理学科核心素养在物理课堂中真正“落地”.