基于深度学习促进核心素养发展的物理作业设计

赵 波 赵 柳 李春密

(1.北京师范大学物理学系,北京 100875;2.昆明市第十中学,云南昆明 650051)

1 问题的提出

2020年出台的《中国高考评价体系》中明确指出高考的核心功能是“立德树人、服务选才、引导教学”.[1]《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》(以下简称“2020年修订版高中课标”)提出了在初中物理教育的基础上进一步促进学生物理学科核心素养的养成和发展的高中物理课程目标.[2]高考试题依据高校选拔人才需求和国家课程标准要求进行设计,对核心素养培育具有很强的导向作用,而深度学习是落实立德树人根本任务、实现学生发展核心素养的重要途径.[3]基于上述认识,笔者认为,基于深度学习的高考试题作业设计是将核心素养全面落实到物理教育教学活动中的一种可行的手段与载体.本文选取一道新课标卷物理高考试题,在探讨试题对物理学科核心素养考查的基础上对其进行改编,以适用于学生不同认知阶段进行深度学习培育物理学科核心素养的不同要素.

2 深度学习的概念和特征

深度学习可以克服浅层学习、机械学习的弊端,使学生形成适应个人终身发展和社会发展需要应具备的必备品格和关键能力.深度学习与浅层学习的区别体现在以下6个方面(见表1).[4]

表1 深度学习与浅层学习的区别

从2014年9月起,教育部基础教育课程教材发展中心研究团队在借鉴国外研究成果和总结国内改革经验的基础上,从理论和实践等层面对深度学习进行了深入研究.基于总项目组对深度学习的定义,本文将物理深度学习界定为:学习者在教师的引领下,能动地参与基于生活实际情境和物理实验等情境化问题创设的挑战性物理学习主题,体验成功,在物理学科核心素养各个方面获得全面发展的有意义的学习过程.[5]深度学习具有以下5个特征(见表2).[3]

表2 深度学习的特征

3 深度学习物理作业设计的特征

作业主要是指由学校教师依据一定目标布置的由学生在非教学时间完成的学习任务.[6]学生的学习包括课堂学习和课外学习,作业是学生课外学习的主要方式,它是学科教学不可或缺的环节,在教学中发挥着复习巩固、提升素养、诊断反馈、过程性评价、激发求知欲等正向功能.但是,过多的作业负担会对学生产生负向作用.为了克服因作业设计不当带来的消极影响,需要挖掘作业的价值,以期用最少的作业量达到预期的学习目标.

对深度学习作业设计特征的描述,应以作业设计为主体,将深度学习表征为目标和内容与之融合.综合既有研究,可将其特征总结为如下几个方面.

(1)素养性.

素养性主要体现在深度学习作业设计的立意是指向发展学生的物理学科核心素养.

作业设计的导向从让学生“知道什么物理知识”到“能运用物理知识解决什么问题”转换,再进一步地向“能灵活运用所学知识现实地解决怎样的物理问题或跨学科问题”转换.在深度学习的物理作业设计中,学生在素养导向的学习任务引领下,全身心参与以生活实际情境和物理实验为主的多种探究活动与情境互动,在物理概念和规律的探究与运用过程中,物理问题的分析与解决过程中,生成核心物理知识,完善物理观念,充分训练和提升科学思维、自主迁移与运用、科学探究等能力,形成积极的科学态度与正确的价值观.

(2)情境性.

情境性主要体现在深度学习作业设计的任务内容和任务要求是分别通过“问题情境”与“情境活动”两类载体来实现的.

基于《中国高考评价体系说明》,本文对物理作业设计中的“问题情境”及“情境活动”作如下界定.物理问题情境是指真实的物理问题背景,是以物理问题或物理任务为中心构成的活动场域.物理情境活动是指学生在物理问题情境中所进行的解决物理问题或完成物理任务的活动.[7]深度学习的物理作业设计,以2020年修订版高中课标中的课程内容为内容标准,选取实践、生活、社会、自然、科技与生产、物理学史、学习探索与科学探究等背景中真实发生的相关的事件作为设计作业内容的素材,再现物理概念和规律产生的背景或是呈现现实中的物理问题情境,将自主学习、合作、探究、实践等学习方式融入作业设计中,引导学生在真实的物理背景下综合运用所学物理知识解决实际问题的情境活动过程中,发挥主体作用全身心地主动活动,经历物理知识的发现(发明)、形成、发展、运用过程,生发丰富的内心体验,体会物理学科的思想方法和育人价值,从而发展学生自身认知、能力、情感、态度等.

(3)多元性.

多元性主要体现在深度学习作业设计的形式要根据学生的认知规律和培养目标进行设计.

深度学习的物理作业设计,需要依据教学目标、教学内容、学生已有的知识和经验,设计出具有辨析性、探究性和实践性的作业.依据学生的认知规律和最近发展区理论,教师需要根据学生的认知发展阶段设计前置体验型作业和后置作业,其中后置作业可以分为“基础型—提升型—拓展型”进阶式的作业.不同核心素养要素的培养方式存在差异,因此体现不同核心素养的作业也具有不同的设计类型.例如培养物理观念可以采用基础型习题的形式,培养科学思维可以采用拓展型习题的形式,培养科学探究可以采用小课题的形式等.

(4)标准性.

标准性主要体现在深度学习作业设计的难度分布、水平层次、评价标准分层要以2020年修订版高中课标中的学业质量水平和物理学科核心素养的水平划分为标准.

落实国家减轻学生作业负担的要求,实现减负提质增效,要求教师根据教学目标和内容、结合班级学生实际情况,设计作业的难度、数量和各个层次水平作业的比例.作业的梯度、难度和水平层次设计,可以通过情境创设分层、问题设置分层两条路径解决.而作业的具体难度及分层评价标准,则需要统一的质量水平划分标准,显然,2020年修订版高中课标中的学业质量水平和物理学科核心素养的水平划分满足了这一需求.作业难度不应超出国家2020年修订版高中课标的要求.

(5)发展性.

发展性主要体现在深度学习作业设计的目标是促进学生思维发展,培养和提升学生高阶思维水平.

具体而言,深度学习的物理作业设计的内容与形式,应有利于促进学生生成结构化的知识体系,把握知识本质与内在联系,培养逻辑分析与推演变式能力、自主迁移运用与实践创新等能力.研究发现,在应试教育“唯分数论”的强大影响和桎梏下,我国基础教育阶段,作业的功能被单一固化为巩固知识与技能,作业的内容被窄化为去情境化的结果性知识的记忆、理解与熟练.作业的形式被浅表化为记忆、再认或应用而缺乏深层次理解和创造性应用.作业设计只关注学科知识重难点而无视学生已有知识、能力与兴趣.[7]大量反复“机械刷题”的结果是把学生培养成为了只能在既定的状态与情境中发挥作用的“定型熟练者”,而非核心素养要求培养的能在任何情境中灵活运用所学知识解决问题的“适应性熟练者”.深度学习的物理作业设计,应避免低水平、低效无效、机械重复的作业,应在注重基础性的前提下突出应用性、综合性和创新性,设计促进学生各方面能力与素质发展的分层作业、实践式作业、探究式作业、情境化作业、学科融合类作业和个性化作业等.

(6)成长性.

成长性主要体现在深度学习作业设计的价值取向是立德树人,促进学生成长.

深度学习的物理作业设计的内容,不仅需要涉及学生的认知侧面,而且还需要涉及学生的学习态度、人格、意志与情感、理性精神、价值观等情意(非认知)侧面,促进学生全面综合发展,凸显学科育人价值.深度学习的物理作业设计,可以通过联系中国优秀传统文化与航天等领域现代科技成果的作业情境创设培养学生的爱国精神与文化自信,通过探究类、实践类任务式作业培养学生合作互助、沟通交流与劳动观念,通过复杂情境活动创设的挑战性物理学习主题培养学生锲而不舍、坚韧不拔地致力于问题解决的意志和情感.通过反思性作业自我评价与小组互相评价实现自我理解,塑造自我认识,完善人格.

根据深度学习的特征,判断某个物理作业设计是否符合深度学习的理念,可以从作业形式、作业内容、学生活动、作业过程、作业结果5个维度进行分析(见图1).

4 深度学习物理作业设计案例

4.1 高考真题及评析

例1.(2021年高考全国甲卷物理试题第14题)如图2所示,将光滑长平板的下端置于铁架台水平底座上的挡板P处,上部架在横杆上.横杆的位置可在竖直杆上调节,使得平板与底座之间的夹角θ可变.将小物块由平板与竖直杆交点Q处静止释放,物块沿平板从Q点滑至P点所用的时间t与夹角θ的大小有关.若θ由30°逐渐增大至60°,物块的下滑时间t将

图2

(A)逐渐增大. (B)逐渐减小.

(C)先增大后减小. (D)先减小后增大.

答案:(D).

试题评析:本题以等底斜面上的物体运动为素材,创设了研究物体运动时间与斜面倾角关系的学习探索问题情境.此类问题属于牛顿第二定律应用中的“从受力确定运动情况”问题,在人教版的新(2019年版)、旧(普通高中课程标准实验教科书)教材中都有篇幅专门介绍.[8,9]本题考查了牛顿第二定律、匀变速直线运动等基本知识和基本规律,功能关系(动能定理、机械能守恒定律)、动量定理等基本知识和基本规律,涉及了受力分析、正交分解、运动分析等基本方法,涵盖了处理力与运动问题的核心知识和必备技能,具有一定的基础性.学生只需调动牛顿运动定律应用或动量定理应用中的一类知识与技能便可解决问题.综上分析,本题是简单情境活动层次的学习探索情境问题,学业质量属于2020年修订版高中课标中的水平4层次,体现了基础性的考查要求.

在作业设计时,针对不同阶段学生的认知水平做如下改编,以适用于不同阶段学生进行深度学习培育物理学科核心素养的不同要素的需求.

4.2 基于高考真题的作业设计

4.2.1 通过核心方法,形成物理观念

例2.如图3所示,分别为公园的滑梯、上海南浦大桥螺旋状引桥、湖南张家界天门山盘山公路,请你仔细观察,它们有什么特点?并思考为什么公园滑梯倾角较大,而大桥引桥、盘山公路等倾角又不能太大?

图3

设计意图:本题以生活化的公园滑梯、现代化的立交桥、巧夺天工的盘山公路为素材,创设了简单分析建筑中的力学原理的生活实践问题情境.要求学生能用力的合成与分解的知识,简单分析斜面上物体受力问题.本题既有学生熟悉的生活化场景,又有体现我国经济高速发展的现代化缩影,还有祖国大好河山的秀美风光,设计的目的就是链接学生生活经验,在经验和知识之间建立起关联,促进知识重构和生成,形成相关物理观念.同时让学生感受祖国举世瞩目的成就,接受大自然美的熏陶,培养学以致用观念和民族自信.

本题具有一定的基础性和应用性,学业质量属于2020年修订版高中课标中的水平2层次,适合作为高一力的合成和分解的课前前置体验型预习作业题使用.

例3.某游乐场要在空地上建一个滑梯,如图4所示,根据空地的大小,滑梯的水平跨度确定为6 m.如果你是设计师,为使滑梯者能以最短时间从滑板上滑下,将滑梯者视为质点,不计一切阻力,设计时,滑梯高度应为多少?

图4

设计意图:本题以学生熟悉的游乐场滑梯为素材,创设了求解符合设计要求滑梯高度的生活实践问题情境.要求学生能用牛顿第二定律得到加速度的表达式,利用匀变速直线运动的规律找到时间和滑梯高度的函数关系,能用数学(跨学科知识)中的三角函数找到位移、高度、底边、倾角之间的关系式,用函数关系式讨论时间的极值.或者学生也可以利用功能关系找到滑梯者滑到最低点的速度表达式,利用动量定理找到时间和滑梯高度的函数关系式.本题涉及牛顿运动定律应用和动量定理应用的基本知识、基本方法和基本技能,有利于培养学生运动与相互作用观念或能量观念.

本题具有一定的基础性,学业质量属于2020年修订版高中课标中的水平4层次,适合作为高一牛顿运动定律的应用或高二动量定理新授课的课后作业的训练题或单元复习的复习题使用.

4.2.2 通过推理论证,促进科学思维

例4.如图5所示,将光滑长平板的下端置于铁架台水平底座上的挡板P处,上部架在横杆上.横杆的位置可在竖直杆上调节,使得平板与底座之间的夹角θ可变.将小物块由平板与竖直杆交点Q处静止释放,物块沿平板从Q点滑至P点所用的时间t与夹角θ的大小有关.若θ由70°逐渐减小至20°,物块的下滑时间t将如何变化,请你动动脑筋尝试用几种不同的方法分析并写出具体的分析论证过程.

图5

设计意图:本题在高考题的基础上改变了题型和数据,并要求学生用多种方法进行解析.题型由选择题调整为科学论证题,要求学生在综合运用所学知识进行推理论证的基础上,基于证据作出判断,这一过程就是培养学生批判性思维的过程.将θ由“逐渐增大”调整为“逐渐减小”,有利于培养学生的逆向思维和知识迁移与运用能力.

本题可以运用相互作用观利用牛顿运动定律分析,也可以运用能量观利用能量和动量分析.除核心解法,本题也可以运用“等底斜面”模型或“等时圆”模型(如图6所示)的规律快速得到正确答案.从不同视角“一题多解”可以突破学生的思维定式,启发学生多角度地思考物理问题,培养高中生发散思维和思维的灵活性、敏捷性和创造性,激发学生对物理学习的兴趣.

图6 等时圆分析图

本题有一定的综合性,学业质量属于2020年修订版高中课标中的水平4层次,适合作为高三一轮复习阶段教师的讲解例题或二轮复习阶段学生的课后训练题使用.

4.2.3 通过实践作业,培养科学探究

例5.为了测量物块与长平板之间的动摩擦因数μ,某实验小组使用位移传感器设计了如图7(甲)所示的实验装置.让物块从倾斜长平板上的P点由静止释放,位移传感器可以测出物块到传感器的距离x.把位移传感器与计算机连接,描绘出物块到传感器的距离x随时间t的变化规律如图7(乙)所示.

图7

(1)根据图(乙)可计算出物块沿长平板下滑时的加速度大小为a=________m/s2;

(2)已知当地的重力加速度为g,为了测定物块与长平板间的动摩擦因数μ,还必须测量的物理量是_________(填正确答案标号).

(A)物块的质量. (B)长平板的倾角.

(C)长平板总长度. (D)点P距铁架台高度.

答案:(1)4;(2)(B).

设计意图:本题以位移传感器为素材,创设了测量动摩擦因数的学习探索问题情境.“光滑的长平板”是一种理想化的物理模型.事实上,两个物体接触且有相对运动时,总有摩擦存在,本题旨在将“理想模型问题”回归到“真实情境中的问题”,让学生在运用所学知识解决真实问题的过程中,培育和提升其科学探究素养.本题有一定的创新性,学业质量属于2020年修订版高中课标中的水平4层次,适合作为高一牛顿运动定律应用新授课结束后单元复习的训练题使用.

为了增加探究性和开放性,训练和培养学生的创新意识和高阶思维,也可以在此基础上设计任务式作业,如设计为学生课外活动研究的小课题(如例6)或拓展为等高模型、等底模型、等边模型、等时圆模型等与学生熟悉的情境结合进行改编(如图8所示),题型可以设计为选择题、实验题或计算题等.[10]

图8 可拓展的情境模型

例6.能否利用斜面来测量物块与长木板之间的动摩擦因数?你能想到哪些方案?和大家交流一下,并选择一种方案来进行测量.完成测量后请思考,除了利用斜面,你还能想到其他方法吗?和同学们交流一下你的方案.

4.2.4 通过联系实际,培养科学态度与责任

例7.如图9所示,等腰三角形的屋顶,是我国古代建筑中经常采用的结构形式.试设计一角度(屋顶的瓦面与水平面的夹角),使雨水能以最短时间从屋顶瓦面流下.(假设雨水与瓦面间的摩擦阻力不计,一般说来等腰三角形屋顶的底边是一定值).

图9 中国古代建筑代表故宫

设计意图:实际上本题为笔者借用的一道陈题,也是高考题的原型题.本题以中国古代建筑为素材,创设了计算符合要求的屋顶角度的生活实践问题情境.在让学生感受到从生活走向物理,从物理走向社会的同时,体会中华传统文化中的中国智慧,培养学生的爱国精神和文化自信.本题联系古今,有一定的应用性和综合性,学业质量属于2020年修订版高中课标中的水平4层次,可作为新授课结束后单元复习的训练题使用.

在具体学习过程中,由于一些错误的前认知,部分学生会从感性认识出发,认为倾角越大下滑时间越短.教师可以设计相应的问题引导学生进行深度学习,例如“是不是倾角越大越好?为什么?”等,通过建模后计算和分析讨论,学生会发现由于底边不变,若倾角变大,则加速度变大的同时,需要下滑的位移(斜边)大小也变大,所以下滑的时间不一定变短.同时考虑到实际情况,若倾角变大,瓦片重力沿斜面向下分力也变大,则瓦片容易往下溜而不容易固定.通过这样的作业设计,让学生在面对问题时能在猜想的基础上,学会理性地逻辑思辨,形成实事求是的科学态度.[11]

5 结束语

本文从理论和实践两个角度探讨了基于深度学习促进核心素养发展的物理作业设计特征和实例,对一道高考试题改编,使之适合学生不同认知阶段核心素养不同要素的培养.目前深度学习物理作业设计的研究和案例相对匮乏,作业是教学活动的重要环节、课程的重要组成部分、新课程改革的关键领域,也是核心素养培育的重要途径,在此抛砖引玉,希冀引发大家对深度学习作业设计的关注和研究.同时也希冀引发大家对高考试题深度研究和二次开发,重视和创新高考试题使用,[12]使其在引导教学方面发挥更大的作用和价值.