基于理解的初中物理逆向教学设计 ①——以“机械效率”为例

王红芳

(江苏省丹阳市云阳学校，江苏 镇江 212300)

每位物理老师都希望自己的教学能取得好的效果，然而部分教师在平时教学中关注更多的是自己的教,而较少关注学生的学，学生学习效果常依据测验的分数来判定。一些教师采用灌输式教学，缺少明确的大概念引导教学，缺乏为确保学习效果而进行设计的过程，教学效果不尽如人意；一些教师作了一些改变，在平时的教学中增加学生分组实验、小制作活动，让学生积极参与教学，学生的学习积极性和主动性有了较大提高。但由于没有学习体验的明确设计，对于花了很多功夫得出的结论，学生的理解不深刻，不会在真实的情景下自如应用。格兰特·威金斯和杰伊麦克泰提出了“逆向设计”教学理论，能较好地避开这两个教学的误区。

逆向设计的过程主要分为由三个阶段：确定预期学习结果、确定合适的评价证据、设计体验和教学，这种设计使得目标、评价、教学过程三者相互作用成为互为联系的整体。笔者以“机械效率”为例，探讨逆向教学设计问题。

1 确定预期学习结果

1.1 教学目标

(1) 理解有用功、额外功、总功以及三者之间的关系；理解机械效率的物理意义；利用各种机械做功时能从中辨认出有用功和额外功。

(2) 能设计实验，测定动滑轮的机械效率；通过讨论、分析，了解影响机械效率的因素。

(3) 知道提高机械效率的实际意义和方法，有合理改进机械、提高效率的意识，增强将科学服务于人类的责任感。

1.2 需要思考的问题

(1) 有用功、额外功和总功是什么？三者之间的数量关系是什么？

(2) 不同情况下机械效率的计算公式是什么？

(3) 如何测定简单机械的机械效率？

(4) 影响机械效率的因素有哪些？

1.3 预期的学习结果

(1) 预期的迁移是什么?

学生能将测定动滑轮提升重物机械效率的方法迁移到其他机械的机械效率测定中。

(2) 预期的理解是什么?

学生将会理解:机械效率总小于1。

学生将会知道:有用功、额外功、总功以及三者之间的数量关系。

学生将能够:测定动滑轮的机械效率。

2 确定合适的评价证据

哪些证据能够说明学生的理解和掌握程度?

证据1：学生对有用功、额外功、总功、机械效率、功率的理解，可通过学生对下列问题的回答进行判断。

下面说法是否正确？

(1) 做功越多的机械，机械效率越高。

(2) 做的总功越多，机械效率越低。

(3) 做相同的有用功，额外功越少，机械效率越高。

(4) 做相同的总功时，有用功越多，机械效率越高。

(5) 因为有用功总小于总功，所以机械效率总小于1。

(6) 做的额外功一定时，总功越少，机械效率越高。

(7) 有用功在总功中占的比例越大，机械效率越高。

(8) 机械效率高的机械省功。

(9) 机械效率高的机械有用功占总功比值大。

(10) 机械效率高的机械功率一定大。

(11) 功率大的机械的机械效率一定高。

(12) 机械效率高的机械做功一定快。

(13) 机械效率高的机械做功一定多。

证据2：学生对有用功、额外功的理解。

(1) 当人们用水桶从井中提水时,所做的有用功是对水做的功(即克服水的重力做功),额外功是对桶做的功(即克服桶的重力做功),总功是拉力做的功。

(2) 假如桶掉到了井里,从井里捞出桶时,捞上来的桶里总会带有一些水,此时所做的有用功是对桶做的功(即克服桶的重力做功),额外功是对水做的功(即克服水的重力做功),总功是拉力做的功。

通过上述问题的解答，你发现了什么？

证据3：学生对不同情况下机械效率公式的应用情况，通过学生对下列问题的回答进行判断。

(1) 用如图1所示的滑轮组，将重为10 N的物体匀速提升0.1 m。拉力F=6 N。在这过程中，分别求出有用功、总功、额外功和滑轮组的机械效率。

图1

图2

(2) 利用如图2所示的滑轮组将桌面上重为2 000 N的物体匀速移动20 cm，物体受到的摩擦力为400 N，拉力为250 N，分别求出有用功、额外功、总功和滑轮组的机械效率。

(3) 如何提高滑轮组的机械效率？

3 设计学习体验和教学

确定预期学习结果和评价证据后,我们就应该考虑逆向设计的第三个阶段：设计体验和教学，认真做好教学方法、教学顺序、教学素材的设计与选择。以下为机械效率第一课时学习体验和教学的设计思路，使用的评价证据是证据1、2。

(1) 学习了功、功率之后，通过两个实验进行对比(图3)。

图3

第1个实验为拉力对物体做功，也就是克服物体的重力做功。对于第2个实验，让学生说一说：有哪些力做功了？学生回答：使用动滑轮对物体做功，拉力也做了功。教师追问：这两个功相等吗？今天我们就来测一测这两个功，并探究这两个功之间的关系。

(2) 将学生分为8组，其中1、2组使用质量较大的滑轮，挂2只钩码；3、4组使用质量较大的滑轮，挂4只钩码；5、6组使用质量较小的滑轮，挂2只钩码；7、8组使用质量较小的滑轮，挂4只钩码。各组分别测出手的拉力F、手移动的距离s、所挂钩码所受的重力G、钩码升高的高度h，计算使用动滑轮提升钩码做的功W1=Gh，人拉绳做的功W2=Fs，设计表格，填入数据，并进行小组交流。

实验组别手的拉力F/N手移动的距离s/m人拉绳所做功W2/J物体的重力G/N钩码升高的高度h/m使用动滑轮提升钩码所做功W1/J1、2组3、4组5、6组7、8组

学生发现：W1不等于W2，为什么呢？学生通过交流讨论，使用质量较大滑轮的小组会发现：人对动滑轮也做了功。有的小组还测出了动滑轮所受的重力，计算出克服动滑轮的重力所做的功，并发现拉力做的功，近似等于克服钩码重力和动滑轮重力所做的功之和。总结得出：有用功是人们为了达到工作目的必须要做的功；额外功是利用机械时，并非我们所需要的但又不得不做的功；手拉绳所做的功叫作总功，为有用功和额外功的总和。

(3) 为了真正认识有用功、额外功和总功，教师以水桶提水和通过斜面拉物体为例。让学生说一说：总功、有用功、额外功都是谁对谁做的功?我们希望什么功多一些?学生回答：有用功。

(4) 教师再提出问题：各组实验结果不同的原因是什么？组织学生进行小组汇报和展示，总结出影响机械效率的因素是：物体所受的重力、滑轮所受的重力、绳子的重力和摩擦力。

(5) 分组讨论：① 要提高滑轮组的机械效率，我们要如何做？② 要提高斜面的机械效率，我们要如何做？③ 要提高使用水桶提水时的机械效率，我们要如何做？

4 结语

逆向设计能有效地引领学生进行整个单元或专题的学习，达成学生深入理解和迁移的目标，提高他们的物理学科核心素养。