指向深度学习的高中物理教学设计——以“向心加速度”为例

指向深度学习的高中物理教学设计——以“向心加速度”为例

李瑞强

沂水县第二中学 山东临沂 276499

摘 要：指向深度学习的高中物理教学设计就是结合学生自身的认知水平和心理特征，以知识整体性传授和学生自身的思维入手，引导学生去探究问题。同时在处理问题的过程中，需结合多方面知识的展示来为学生提供专业化深度学习的机会；随后以多层次的学习内容来切实追求每一位学生的学校效果，将学生培养的目标切实落实到位，注重学生思维能力、科学探究能力和物力核心素养的全面提升。本文以“向心加速度”课程教学设计为例，探讨如何去在深度学习的背景下，综合提升学生的物理素养。

关键词：深度学习；高中物理；教学设计；“向心加速度”课例

随着物理核心素养的提出和全面落实，不仅为高中物理学习方式提供重要的理论性支撑，同时也从学生核心素养的培养基础上，充分体现出物理学科自身的育人价值。“向心加速度”属于重要的圆周运动知识，也是运动学的表征向着动力学表征方面的转换，既是高中物理学科教学的重点，也是难点，该知识的核心为向心加速度的方向以及对于表达式的理解。由此以深度学习的角度来设计“向心加速度”课程内容，可在核心素养的教育背景下，提升学生自身的思维能力和自主探究能力。

1. 深度学习的概念与特征

1.1何为“深度学习”

深度学习最早被提出在1976年，由马顿和塞利约所表达的《学习的本质区别-1：成果与过程》一文中，其认为浅层的学习必定也会处于较低的认知水平，所获取的也是低级的认知技能，所涉及的也是低阶的思维活动；而深度学习则是一种高级认知水准的表现与过程，面向的是高级认知技能的获取，涉及到的是高阶的思维活动^[1]。而在长期发展过程中，从多为学者的表示和认知背景下，深度学习被认为是在对学习经过理解的背景下，学习者可以批判性的态度来对心的思维与事实进行学习，并且在原有的认知结构中融入这些新学习的内容，也可在新的情境中迁移这些所学的新知识，进而为问题的解决提供新思路的一种重要方法。

1.2深度学习的特征

1. 理解性学习。深度学习重点在于理解相关知识与观念，学生可根据学习过程来对知识的本质进行全面了解，以此来加深对于深层知识和一些复杂观念的理解。

2. 整合相关内容。在学生学习到新知识后，可将其与自身原有的观念和原理相互联系，共同整合到原有的认知结构当中，进而促进对新信息知识的理解与迁移^[2]。

3. 自主建构。在教学期间，教师需尽量为学生构建科学的学习平台，激发学生潜能的同时，促使学生实现自主学习，只有这样学生才能够内化自己新学习的知识，进而建立稳固的知识体系与框架。

4. 迁移运用。在深度学习过程中，其要求学生需要深刻理解学习情境，并且能够在新的学习情境中做好事物的分辨与判断，规以思路的发散和迁移运用完成新知识的学习目标^[3]。

2. “向心加速度”课程指向深度学习的具体教学设计

在高中物理人教版教材中，关于“向心加速度”的讲解思路主要是从“力推知及速度”的角度来分析即：如果物体不受到力的作用做匀速运动→圆周所做的不是匀速直线运动，则一定受力→受力的方向是什么样的→考查实际案例→合力指向圆心→加速度也指向圆心，最后直接给出相信加速度的表达式。这种看似“迂回”的方式缺失降低知识的讲解难度，但是由于缺少对“向心加速度”的推导工程，学生思维能力也得不到训练^[4]。因此有必要结合学生的认知特点和课程内容的详细分析，为学生创设思维训练与自主探究的学习环境。

2.1创设问题情境后形成客观的表象

结合高中生自身的认知特征，物理概念的教学需要先从学生认知相关现象形成的特征上入手，随后再去引导学生对概念的深入分析与概括。

设计1：教师利用多媒体播放花样滑冰比赛的录像。【设计意图】：复习曲线运动相关知识后，引导学生理想化处理运动员后阶段的运动状态，建立匀速圆周运动的模型。随后提出问题。

问题1：做匀速圆周运动的物体是否存在加速度？为什么？

【设计意图】：第一，从曲线运动的层面进行分析；第二，从力的层面来感知加速度。

体验实验：如表1内容所示，利用绳子系着小球做近似匀速圆周运动后，让学生感知加速度的方向。

表1

情形1：重力和桌面支持力平衡，绳子的拉力等于小球受到的外力，由于绳子的拉力指向绳收缩方向，即圆心，因此由牛顿第二定理可知其加速度方向指向圆心。

情形2：绳子拉力沿着绳子指向其收缩的方向，那么加速度的方向又是怎样的？

【设计意图】：更多的情形是要先去确定加速度的方向，再去分析受力情况，因此有必要先从运动学的角度对匀速圆周运动中的加速度进行分析。

2.2设计课堂活动以此进行科学探究

探究1：速度的变化量可由矢量图进行表示，结合已有的知识与方法进行探究。并根据“加速直线运动→减速直线运动→曲线运动”的进阶式学习的方法来归纳，从同一点作出物体在一段时间的始末两个速度矢量，从初速度的末端到末速度的末端所作出的矢量即速度的变化量^[5]。

例：如图1所示的平抛运动期间速度变化量；图2所示，当物体以匀速圆周运动运动一周时，其速度变化量为0，那么由公式 可得加速度为0，这是不是和前面分析发生矛盾？

图1

图2

【设计意图】：形成认知冲突后，联系平均与瞬时速度两方面的知识内容，认识与探究平均到瞬时加速度的极限思想。

探究2：如图3所示，探究匀速圆周运动中的加速度大小与方向，并完成表2内容。

图3

表2

因此引导学生认知到，该处求解速度的变化量就是对等腰三角形的底边进行求解，即 。

结合计算结果发现加速度的表达式为： ，并且随着 逐渐减小，k随之逐渐增大，再根据Excel对数据进行分析后发现，当 趋近于0时，k逐渐趋近于1。

理论分析如图4所示。

图4

1. 加速度表达式。速度矢量三角形和△OAB相似，则有：

当 时，则有：

那么：

该方法体现出向心加速度表达式的多样性。

2. 向心加速度的方向。加速度方向与速度变化方向相同→当角度趋近于零时，速度变化方向与速度方向垂直（速度沿切线方向）→加速度方向沿半径方向指向圆心→定义向心加速度。

【设计意图】：学生从平均到瞬时的研究过程经历中可体会到极限思想和教学方法在物理研究中的重要性。

结 语：

综上所述，本文基于深度学习理念对“向心加速度”物理知识进行教学设计，目的在于培养学生的物理核心素养，凸显出物理学科的本质，展现出物理学科的魅力，以此“通透”的教学模式来发挥问题的导向作用，为学生判断性思维的培养提供有效的教学环境。

参考文献：

[1]张建斌,柴春琪.指向深度学习的高中物理教学设计——以"向心加速度"为例[J].中学物理教学参考,2020(11):3.

[2]祝令健,沈旭东.大数据技术下基于精准预习的高中物理精准教学探讨——以"向心加速度"为例[J].物理通报,2020(2):5.

[3]董丽.多台阶,小梯度,勤设问,引思考——"向心加速度"教学设计[J].2020.

[4]谢龙.曲线运动中的加速度和向心加速度探析[J].数理化学习：高中版,2020(1):2.

[5]刘小芳.基于科学方法显性化教学提升学生科学思维品质——以"向心加速度"教学设计与实施为例[J].中学物理教学参考,2020(10):2.