以评促探：基于深度学习的实验探究教学——以“牛顿第一定律”活动设计为例

陈苍鹏

杭州市十三中教育集团（总校） 浙江 杭州 310012

长期以来，教师认真备课、上课、批改作业、辅导等，但对于学生的核心素养应该如何培养，实现立德树人的目标，思考不足。往往是把“教书”与“育人”割裂开来，教师的任务通过课堂把知识转移给学生，而学生并没有真正理解，通过刷题与强化训练，把知识记在心中，考试能考出来即可。而是应该教师主导下的学生主动参与、积极构建、强调学生的全面发展，使教师、学生、知识三方面紧密的融合起来，这样的学习才是能培养学生的关键能力和重要品质，才是我们所要的教育，才是深度学习。

一、深度学习的内涵

美国比较早地开展了深度学习的研究与实践，我国于2014年着手研究深度学习，并已经取得阶段性成果。初中物理深度学习作如下理解：深度学习中，学生围绕着挑战性的物理主题开展学习，学生通过教师设计的活动，开展合作学习与探究活动，形成物理观念，能进行模型建构、迁移应用、归纳演绎、推理论证等方法，解决实际问题。¹教师在深度学习中起主导作用，设计学习活动，并引导学生合作学习；学生学习的物理内容是挑战性的任务，把握其物理的本质与思想方法，学生的感知觉、思维、情感、意志等全面参与，形成积极内在的学习动机、高级的社会性情感态度价值观，是形成学生核心素养的基本途径。²

浅层次的学习是以识记、复述知识等为特征，而深度学习是学生在老师指导下通过解释、举例、分析、总结、表达、解决不同情境中的问题，要学生理解学习内容，强调深层次的思考，要综合运用归纳、演绎、解释、推理、迁移等科学方法，还要将已经理解的知识应用于真实情境。检验是否发生深度学习的方法是，学生在真实情境中应用知识，并能根据实际情景进行调整相关知识，创建模型、建立和其他概念的关联，形成知识网络，深度学习才真正发生。

二、基于深度学习的教学活动

《牛顿第一定律》教学引入环节创设“小车为什么停下来？”的真实情境，直逼学生前概念“运动需要力来维持”。学生探究“物体不受力运动状态变化？”这个具有挑战性的任务。通过合作探究，把“物体不受力运动状态变化”转变为“阻力大小对水平方向物体运动状态影响”的探究，探究的问题就定位为“运动快慢变化”与“滑动摩擦力”的关系，使实验操作具有可操作性。如图1所示。

图1 基于深度学习的实验探究框架

通过评价支架PTA量表引领，开展有序的探究，引导学生通过实验和推理的方法使问题得以解决，再结合史实构建牛顿第一定律，最后利用三个典型的实例运用定律来深入理解定律。

（一）情境真实，诱导学生产生问题

美国21世纪技能委员会委员会在一个报告里指出，能够让学生从一个情境中习得知识应用到其他情景中，深入学习能力主要有三个维度，分别是认知维度、人际交往维度和个人内在的维度。其中，认知维度包括掌握学科的核心内容及批判思维技能，人际交往维度是指培养学生的沟通和交流技能个人内在维度。

【活动一】牛顿第一定律教学情境创设与问题的提出

牛顿第一定律教学导入环节，采取真实情境的创设。

【情境创设】2000多年前，亚里士多德基于对生活的观察，物体受到力会运动，不受力则停止运动，于是，他提出物体不受力就不能运动，物体运动必须受到力的作用。进而归纳的出“力是维持物体运动的原因”。亚里士多德的观点较符合生活实际，符合学生的“前概念”，学生凭生活经验判断，学生往往觉得很有道理。

教师为了证明这个观点是“正确的”，做了一个演示实验：手推一下水平桌面上的木块，木块就由静止变运动；撤去推力，木块停了下来。所以，“力是维持物体运动的原因”是“正确的”。你同意这个观点吗？

【教学反思】情境问题化的教学策略，实质是通过“情境—问题—探究—迁移”的学习路径，旨在促进学生主动学习。根据知识固有的逻辑关系，以及单元的结构特点，教师创建真实情境，设计有针对性、关联性和实效性的科学问题，激发学生的学习内驱力，并利用已有的知识与技能，通过实验、观察、分析、推理等有关科学方法，开展有意义的学习。

（二）合作交流：促进学生深度思考

学生在上述情景中遇到困难，学生的思路“断了”，这时候教师予以引导，组织小组合作学习给出一个思想方法：如果想要知道一个事物的作用，一个非常简单的办法就是：把这个“事物”去掉。

学生会想到，如果要研究“力是不是维持物体运动的原因”，可以去掉“力”来观察物体的运动受到怎样的影响。这时，提供一个实验作为类比支架（图2）。

推理真空中能否传声 推理不受阻力能否改变运动状态

图2 类比支架

如真空能否传声，我们很难获取真空环境，但是我们可以逐渐抽去空气，听到铃声逐渐变弱，然后进行推理，假如空气抽尽，推理铃声就听不到，于是可以得出真空不能传声。我们也可以用研究声音传播的方法，采取实验加推理的方法来研究“力与运动的关系”，当没有力作用的时候，研究运动能否持续运动。我们可以把原有的探究进行可操作化的转换（图3）：阻力大小（水平摩擦力）对水平方向上运动的物体运动速度减小快慢的影响。这里的力，我们采取水平阻力，阻力不能消除但可以让阻力逐渐减小，观察物体水平运动状态变化。

图3 问题本质：力与运动的关系

教师引导学生推一下小车并设计问题。学生发现，撤去力滑板没有立即停下来。那么，运动需要力维持吗？小车最后停下来是因为什么呢？因为有阻力，假设阻力没有呢？滑板会怎么运动？讨论到这里，学生已经初步悟到“力不一定是维持物体运动的原因”，学生前概念得到初步否定，建立了物体运动不一定需要力维持，滑板停下来是因为阻力的原因。到底“力是不是维持物体运动的原因？”单凭上述的“推桌子”的活动，还是不能证明“力不是维持物体运动的原因”这个观点。

针对该问题，引导学生设计实验。教师设计两个问题进行导学：一是阻力大小如何改变？学生容易想到换用粗糙程度不同的水平表面。二是物体运动状态怎么观测？运动状态包括方向与运动快慢两个因素，选择哪一个因素为好？学生根据刚才滑板的经验，选择速度变化容易观测，速度减小快慢怎么观察？可以得出通过小车在水平方向上运动的距离越远，即越慢停下来，即速比较度减小的越慢。

【教学反思】

深度学习的场域，是多人共同参与的场域，学生在小组开展合作时，参与对话沟通，共同思考与协商。学生通过对“力与运动”关系的分析，提出方案与讨论，充分表达自己观点，拓宽思路、掌握方法。同时，要引导学生在有意义的开放性的真实情境中分析、讨论、质疑，用已有的方法“在真空中能否传播声音”解决新的问题“力是不是维持物体运动的原因”，强调思路方法的构建，尤其是“实验+推理”的思路方法的形成过程，这是以学为中心的实践性学习。

（三）以评促探，促进思维深入解决问题

讨论到此，学生对实验的原理已经基本了解，但是对于具体怎样设计实验，学生存在一定的困难。如何控制小车的初速度相同呢？如何让阻力逐渐变小呢？让学生开展小组交流。老师请一组自以为已经“会做实验”的同学上台做实验。学生第一次在棉布上推一下小车，撤掉推力后观察小车运动的距离，另一次在木板上推小车，撤掉推力后观察小车运动的距离。教师利用手机拍下视频。反复该实验播放视频，然后请同学们对该实验进行评价。学生认为，自变量——阻力大小的变化可以用不同的材料来改变阻力大小，但是，学生认为该同学前后两次的推力无法控制相同，造成小车的初始速度不同，所以用手推小车是不行的。

在此组织小组合作与交流，教师也给予适当的引导，重新设计实验。教师采取提供给学生仪器，如小车，滑板，弹簧，木块，刻度尺，棉布，浴巾等，让学生自主选择仪器，设计实验。学生根据材料的选择，可以用弹簧控制初速度相同，也可以用斜面。充分讨论后，各组合作完成实验设计方案，教师提供PTA评价量表进行评价，PTA量表如下表1所示：

表1 力与运动实验设计PTA评价量表

评价要素	评价标准	学生水平	分值	自我评价	小组互评	导师评价
1.自变量	能选择不同材料作为下垫面，获得大小不同的滑动摩擦力。	水平一：达到6个标准 水平二：达到5个标准 水平三：达到4个标准 水平四：达到3个标准 水平五：达到0-2个标准	10 8 6 4 2
2.无关变量	相同斜面、相同小车
3.因变量	小车从相同高度下滑，获得相同的初速度。
4.记录表设计	设计科学合理的表格。
5.可行性	实验具有可操作性与科学性。
6.合作学习	小组成员之间有明确的分工与合作。

对于学生的实验记录表的设计，可基于课本表格进行改进，作出引导。引导学生把因变量，即速度减小快慢也列入表格，建立一个新的表格（表2）。因为只有在实验中观察速度变化的快慢，才能理解运动状态发生改变，否则，又是一个及其抽象的概念。

表2 运动与力记录表

表面材料	物体受到的阻力 （填“大、较大、小”）	物体运动的距离 （填“大、较大、小”）	物体速度减小的快慢 （填“快、较快、慢”）
毛巾
棉布
木板

实验设计好后，进行实验，并进行成果展示，以表格展示与实验操作展示，加上口头解释。大多数同学都能做出相似的实验结果，得出结论：物体受到的阻力越小，运动距离越远，速度减小越慢。相反，物体受到的阻力越大，运动距离越近，速度减小越快。

在小组汇报完毕时，引导学生在表1的基础上增加两行，并增加一列“物体的运动方向”（表2）。教师引导学生做如下推理：假设换用玻璃板做实验，阻力更小，物体运动更远，速度减小更慢；进一步推理，假设平面绝对光滑，没有阻力，物体运动距离无限远，速度不减小，即一直运动下去。同时，通过实验还可以发现，物体的运动方向也保持不变的。综合起来看，当物体不受力的时候，物体的运动状态保持不变。

表3 运动与力记录表

表面材料	物体受到的阻力 （填“大、较大、小”）	物体运动的距离 （填“大、较大、小”）	物体速度减小的快慢（填“快、较快、慢”）	物体运动的方向
毛巾	大	小	快	不变
棉布	较大	较大	较快	不变
木板	小	大	慢	不变
玻璃板	很小	很大	很慢	不变
光滑平面	没有阻力	无限远	速度不变	不变

至此，我们回顾前面的困惑：“物体不受力，能否继续运动下去”，显然，作水平运动的物体，假如水平方向不受力，会一直运动下去，也就是“运动不需要力来维持”。学生推翻了自己的前概念，建立了新的认知，收获了理解的喜悦。

【教学反思】

这里大胆让学生展示自己设计的实验，暴露学生的对变量的控制方法与措施，并引导学生思考如何控制好小车相同的初速度以及阻力的类型选择。这里教师的“主导”体现在两个方面：其一是提高一定的仪器与设备，从仪器中悟出实验应该怎样设计；二是利用PTA量表予以引导。PTA评价量表突出导向性、全面性、合作性、科学性。

（四）史实分析，构建定律

科学史的学习，不仅是牛顿第一定律建构过程的重要一环，也帮助学生树立观念：一个定律的得出，不是一位科学家就能获得的，需要大量的科学家一起努力，不断实验与论证，才能得出正确的结论，科学规律往往是众多科学家智慧的结晶。

在获得结论“当物体不受阻力时，物体将保持匀速直线运动”后，出示科学史料，引导学生阅读史料，进一步理解并完善“力与运动”的内容。伽利略通过复杂而又严谨的实验证明了：运动的物体不受外力作用时，速度大小保持不变。后来科学家笛卡尔作了补充：运动的物体不受力，除了快慢不变以外，运动方向也不改变，即做匀速直线运动。两位科学家阐释了“当运动的物体不受外力作用时，运动状态是不变的。”后来，牛顿继续补充，当静止的物体不受力作用的时候，物体仍保持静止，并结合两位前辈的成果，得出牛顿第一定律：一切物体在没有受到外力作用的时候，总保持匀速直线运动状态或静止状态。

【教学反思】对未知世界的学习，应该对概念有更全面地理解。物理学习要进入深度学习，不仅要去理解实验现象所蕴含的意义，还要借助于相关文献中提取意义，并使两者的结合，让概念理解更为全面更为深入，这种理解，不仅仅表面上的知道与了解，更强调一种深层次的思考、整合、内化，是更加复杂和更具综合性的学习结果。围绕着该“力与运动”这一核心概念，从多个角度对其加以表征的，能够提取信息、创建“力与运动”的模型、解决“不是运动的原因”、而是“力是改变物体运动状态的原因”。

（五）学以致用，迁移应用理解科学实质

为了更加精准地理解定律，需要引导对定律的解读。牛顿第一定律也可以说成是：若物体不受力，运动状态不变，若物体受力，运动状态要改变；反过来，若物体运动状态改变，则必须有力。总而言之，力是改变物体运动状态的原因。

那么力是如何改变物体运动状态的呢？这里我运用课本三个典型的例子，让学生从运动状态的两个方面入手，先受力分析，后分类归纳力是如何改变物体运动方向和速度大小的，最后举例论证。

图3

针对本节课的难点：理解力和运动的关系。理解的最好检验方法就是迁移。我选取了若干个学生根深蒂固的生活情境，让学生判断某个运动状态的物体如果不受力运动状态会如何，如果学生能做出准确判断则说明学生初步理解了力和运动的关系。本环节的情境分析设置了难度梯度，并配合王者荣耀闯关进阶激励，积分学生的学习兴趣。

三、结论与反思

从本次的课堂教学效果来看，当学生碰到与自己的前概念发生冲突时，学生能非常主动地参与到课堂交流与实验探究中来，能及时提出自己想要表达的意见；从课后的思考问题来看，能有效地予以分析与解决，后续的惯性学习也是水到渠成。本次教学主要的经验，“突出重点、注重创新；水平适切，体现差异；梯度发展，指向高阶；操作具体，易于检测”。

总之，为了更为有效，我们采取“以评促探”的理念，开展教学评价，促进学生达到学习目标。从“力是否是维持物体运动的原因”到“力不是维持物体运动的原因”的实验探究，采取PTA量表与任务单的形成性评价，从如何控制无关变量、确定自变量、因变量，并引导学生开展合作学习，尤其是如何获得相同的“初速度”的实验设计，以及实验表格设计与突破，制定评价标准，开展基于SOLO理论的评价。量表和任务单既提供了实践指导，也是评价的依据，还是实践优化的方向，达到了以评促学的目的。

参考文献：

[1]蒋永贵，金京生等.以评促探：基于标准的科学探究评价工具设计与应用[M].杭州：浙江大学出版社，2021.3

[2]李春密.深度学习：走向核心素养（学科教学指南·初中物理）[M].北京：教育科学出版社，2020.6

[3]刘月霞，郭华.深度学习：走向核心素养[M].北京：教育科学出版社，2018.11

[4]钟启泉，核心素养十讲[M].福州：福建教育出版社，2018.10

1 李春密，马朝华.深度学习：走向核心素养（学科教学指南·初中物理）[M].教育科学出版社，2020（6）：2

2刘月霞，郭华.深度学习：走向核心素养[M].教育科学出版社，2018（11）：32