指向物理观念的逆向设计与实施策略——以新教材必修1“超重和失重”教学为例

任虎虎

（江苏省太仓高级中学，江苏 太仓 215411）

1 逆向设计的内涵

逆向设计倡导学习活动、课堂、单元和课程在逻辑上应该从想要达到的学习结果导出，而不是从教师所擅长的教法、教材和活动导出.教学过程是展示达到特定学习结果的最佳方式，类似于旅游计划，教学设计的框架应该提供一组设计详细的旅行指南，以达到文化层面的目标，而不是在某个国家的各大景点漫无目的地游览.总之，最好的设计应该是“以终为始”，从学习结果开始的逆向思考.

2 物理观念的意义和价值

2.1 物理观念是物理核心素养的基础

物理观念是物理概念和规律等在头脑中的整合、提炼和升华，物理观念是物理核心素养的重要组成部分，它代表着对物理知识本质理解的深度、广度和关联度，是其它三个物理学科核心素养的基础和纽带.

2.2 物理观念是逆向教学设计的起点

逆向教学设计是目标导向的设计，物理教学的目标就是落实物理学科核心素养，所以物理观念是逆向设计的逻辑起点，从这个角度讲，逆向设计就是指向物理观念的学习路径设计.

2.3 物理观念是有效教学实施的归宿

教学是否有效，最关键是目标有没有达成，形式服务于功能，只有指向有助于目标达成的学生活动和师生对话才有意义和价值，所以物理观念是有效教学实施的归宿.

3 基于物理观念的逆向设计

基于逆向设计的UbD（Understanding by Design）模板共分为3个阶段：阶段1为预期结果；阶段2为评估证据；阶段3为学习计划.表1为基于UbD模块的“起重与失重”逆向设计.

表1 基于UbD模板的“超重和失重”逆向设计

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4 基于物理观念的教学实施策略

4.1 创设体验式情境，引出研究主题

没有体验就没有学习，学习不仅是靠理解和记忆进行的理性活动，更是通过体验才能完成的涉身性、情感性和领悟性活动.教学中创设能让每个学生体验亲身参与的问题情境，将很好地激发学生主动探究的热情和提出问题，并对问题进行聚焦，引出研究主题.

教学片断1：按照新教材的逻辑，在教学开始时设置问题：常用的测量重力的方法有哪些？学生回答：弹簧测力计悬挂测量和体重计测量.

教师为每个学生准备了一个带弹性细绳的玩具水球，让学生起立，将手举高，弹性细绳的上端套在一根手指上，保持手指不动，让小球尽可能处于自然下垂并静止状态，闭上眼睛感受一下手指的拉力大小，如图1.接下来用另一只手将小球竖直向下拉一定距离（上面手指不动），放手后，小球上下运动，让学生再次闭上眼睛感受手指的拉力大小.

图1 感受手指的拉力

然后提出问题：大家感受到什么？说明了什么呢？

生1：感受到小球上下运动时，手指拉力变化，说明小球重力发生变化.

师：有不同的观点吗？

生2：小球的重力没变，应该是小球上下运动时对弹性细绳的拉力发生变化.

师：很好，说明运动会引起力的变化，这是基本问题：力和运动之间的相互作用关系.

接下来让一个学生利用指针式体重计测量重力，借助手机投屏软件让学生看清体重计的示数，如图2.让学生想一想：在不接触其它任何东西的情况下，如何让体重计的示数发生变化？

图2 体重计示数变化

学生想到通过下蹲—起立让示数变化，这个学生运动时，体重计示数变化很明显，说明这个过程中人对体重计的压力发生变化.通过两个小实验很自然让学生理解超重和失重的概念.

师：大家能不能列举一些生活中超重和失重现象的例子.

生3：乘坐电梯.

生4：蹦极、过山车、跳楼机等.

师：通过刚才的体验，对于超重和失重现象，大家能不能提出一些需要解决的问题呢？

生5：什么情况下会出现超（或失）重现象？

生6：为什么会出现超（或失）重现象？

生7：超（或失）重现象在生活中有什么用？

教师把这些问题记录在黑板上，并指出接下来将重点研究这3个问题.

4.2 通过层进式探究，领悟思想方法

学生真实的探究过程，不可能一蹴而就，需要经历从特殊到一般、从定性到定量、从浅层到深度层进式的曲折过程.这些过程教师无法代替，也不能代替.关键在过程中培养学生分析、类比、归纳和建模等科学思想方法.

教学片断2：有了开始的体验，让学生猜想：什么情况下会出现超或失重现象呢？

生8：向上运动可能超重，向下运动可能失重.

师：物体的运动方向也就是速度方向，还有不同的想法吗？

生9：可能和运动过程中加速度的方向有关.

4.2.1 半定量探究

每个小组借助体重计进行探究，其中一个学生做下蹲——起立的动作，其它学生仔细观察，如图3.

图3 小组合作探究

在小组探究后进行充分的观点展示和交流讨论.

师：大家观察到什么现象？得到什么结论？

生10：我们组发现下蹲的时候示数变小，起立的时候示数变大，得出的结论是速度向下超重，速度向上失重.

生11：我们组发现下蹲的时候示数变大，起立的时候示数变小.

生12：我们组发现缓慢下蹲和起立时示数不变，说明与速度方向无关.

师：还有不同的发现吗？

生13：我们组发现下蹲的时候示数先变小后变大，起立的时候先变大后变小，说明和速度方向无关.

师：同一个过程为什么有如此多不同的结论？说明仔细观察很重要，刚才大家在观察的过程中遇到什么困难吗？

生14：示数变化太快，来不及读数和记录.

师：如何解决这个问题呢？

生15：把刚才过程拍成视频慢镜头播放.

师：很好的方案，老师今天带来了秘密武器：朗威测力板传感器.

4.2.2 DIS定量探究

让班级一个体重较大的学生站在测力板传感器上进行演示，得到下蹲—起立过程的F-t图像，如图4.与刚才一组学生的结果一致，对他们的细心观察提出表扬，接下来让学生分析图像.

图4 DIS测力板传感器定量探究

师：从图像中能得到什么结论？

生16：站在上面不动时压力不变，大小等于人的重力，下蹲时先失重后超重，起立时先超重后失重.

师：到底什么情况下会出现超重或失重现象呢？请大家分析讨论.

4.2.3 建构物理模型

下蹲过程是一个生活现象，需要学生从物理学的角度对这一过程进行分析和表征.静止不动时初速度为0，下蹲到最低点时末速度也为0，所以下蹲可以分为两个运动过程：先向下加速，后向下减速.同理，起立可分为：先向上加速，后向上减速.

向下加速和向上减速时加速度都向下，向下减速和向上加速时加速度都向上，和图像对应可以得出结论：加速度向上时出现超重现象，加速度下时出现失重现象.

4.3 基于审辩式论证，理解知识本质

审辩式论证是一种通过理性活动达到合理结论的过程.在这个过程中，包含着基于原则、实践、经验、推理和归纳之上的质疑和创造.学生在审辩式论证时不断的质疑和进行批判性反思，并根据自己的思考、逻辑、经验和理性作出独立的判断，理解知识的本质，培养物理观念.

教学片断3：对于上面的初步结论，一些学生将信将疑，可以通过列表让学生进一步分析和内化（表2）.

表2 下蹲—起立过程的过程分析

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为什么加速度向上出现超重，加速度向下出现失重呢？让学生建立模型，运用牛顿运动定律自主研究，得到如图5所示的受力分析，当具有向上的加速度时FN-mg=ma；当有向下的加速度时FN+mg=ma.

图5

在学生理解出现超重和失重的原因后，可以进一步提升：让学生说说对运动和力关系的理解，并根据DIS得到的F-t图像（图4），分析下蹲和起立阶段的运动性质.

4.4 设置开放式问题，促进灵活迁移

物理观念的培养包括形成和应用两个阶段，物理观念到底有没有形成需要通过迁移应用情况来评估，观念是活的能力不是僵化的知识，所以需要设置开放式问题让学生解决，在灵活迁移过程中帮助学生进一步理解物理观念的内涵.

教学片断4：基于航空航天和生活实际可以设置大量有关超重和失重的开放式问题.比如以中国太空第一人杨利伟和记者对话为背景，分析各个运动阶段的超（失）重情况.

记者：在“神舟五号”发射和运行过程中，你有什么感觉？

杨利伟：飞船升空时感到有载荷，就是感到胸部有压力（处于什么状态？），平时训练时，这种压力可达到8个G.箭船分离时，感觉身体突然被抛了一下，有一种突然腾空的感觉（处于什么状态？）.

记者：飞船着陆过程中有什么感觉？

杨利伟：降落伞打开后船体晃动厉害……当时有很强烈的_______感，仪表盘显示有3至4个G的载荷.

以生活实际为背景，设置开放式问题：如何将两本一页一页叠在一起的教科书分开？请根据本节课所学提出解决方案，并尝试做一做.

物理观念的培养是物理教学的基本目标，逆向设计就是要瞄准目标，开发的一切学习活动为目标达成而服务，也就是在开展教与学活动之前，先要努力思考此类学习要达到的目的到底是什么，以及哪些证据能够表明学习达到了目的.虽然我们习惯上总是考虑教什么和如何教，但现在必须要挑战自我，首先关注预期学习结果，这样才有可能产生适合的教学行为.