指向深度學習的高中物理課堂教學問題鏈設計

史慧娟

摘 要：本文以牛頓第二定律為例進行促進深度學習發生的課堂問題鏈設計策略的探究，主要從引發思維起點、加深規律理解、促進高階思維、深化遷移應用四個方面著手設計階梯式的問題鏈，引發學生課堂深度思考，主動參與學習活動，從而實現物理核心素養目標在課堂中達成。

關鍵詞：深度學習；核心素養；問題鏈；牛頓第二定律

一、指向深度學習“問題鏈”設計的背景與意義

2020年新版《普通高中物理課程標準》進一步明確了普通高中教育的定位，普通高中的培養目標是進一步提升學生綜合素質，堅持發展核心素養，以實現立德樹人為根本任務。發展核心素養主要是指學生應具備的，能夠適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力。因而教師在課堂教學中不僅需要明確知識層面的教學目標，更需要思考如何培養學生運用物理知識和方法解釋自然現象和解決實際問題的能力，從物理學視角提出疑問、批判，進而提出創造性見解的能力等。然而在應試教育的模式下學生不斷地訓練刷題，導致會做題卻不能將知識遷移應用于解決真實問題的現象較為普遍；學生掌握的學科知識是割裂的、碎片化的、去情境化的，也無法與未來職業生活建立聯系，并沒有形成系統的物理觀念和物理科學思維，也就難以將學科知識真正應用到實際生活中。雖然素質教育的改革已推進多年，但實際課堂教學中教師還是多采用“講座式”模式，難以培養學生發展核心素養。

近年來，國內外研究人員對如何促進深度學習有深入的研究，深度學習強調基于理解的學習、主動建構知識、高階的批判性思維、有效的知識遷移和復雜性真實問題的解決[1]。課堂深度學習是課堂上學生在教師的引導下，通過對知識的理解、創造、應用等，實現自身認知結構的完善、科學思維能力的發展、實踐應用能力的提升。也就是說，深度學習是一種培養學習者多樣性的，而非單一素養的學習理念。當然深度學習和淺層學習不是完全對立的，它們在時間維度上是存在著連續性的，我們必須由一定的淺層學習得來的知識才能進行深度的更有意義的學習，通過深度學習將淺層學習割裂碎片化的知識重新整合建構，形成新的認知結構，并有利于知識的提取、遷移與應用。由此可見，深度學習可成為學生核心素養達成的有效路徑。

學習往往伴隨著問題，問題是觸發思維開啟的開關，也是教學過程開展的最好推手。教學需要通過一系列層次化、結構化、可擴展和可持續的問題來引導學生深入思考。簡而言之，有好問題的引導是促進深度學習發生的方式之一[2]。課堂“問題鏈”設計則是為了形成學生的最近發展區，基于這節課要達成的物理核心素養目標，根據學生已有的認知水平，把需要學習的知識轉化為一連串有主題的問題串。經過設計的問題之間相互有關聯，又層層遞進，對學生的思維要求是螺旋式上升的，巧妙的設問對學生有吸引力，能夠激發學生的探索欲，從而自發地形成由淺層學習至深度學習的路徑，學生的核心素養得到了培養[3]。

二、促進深度學習的課堂“問題鏈”設計策略

課堂問題鏈的設計應基于素養目標的達成為基本準則，筆者將以《牛頓第二定律》一節為例介紹促進深度學習發生的課堂“問題鏈”的設計策略，以下是牛頓第二定律的核心素養目標：

物理觀念：（1）掌握牛頓第二定律的內容及數學表述形式，形成與牛頓第二定律相關的運動與相互作用觀；（2）理解牛頓第二定律中每個物理量的含義及相互之間的因果關系，會利用牛頓第二定律解釋生活中的動力學問題；（3）能夠用牛頓第二定律方法完成相關的一些計算。

科學思維：能對探究加速度與其質量和合外力的實驗結果進行推理論證并得出結論，能利用牛頓第二定律的相關證據對動力學問題進行分析推理和論證。

科學探究：能通過實驗探究物體的加速度跟其的質量和所受合外力之間的關系，會運用控制變量法設計實驗方案，學會處理實驗數據和誤差分析，完善提升科學探究的能力。

科學態度與責任：通過牛頓第二定律的學習，滲透從物理學認識世界的方法，進一步認識學好物理對解釋自然現象的重要性，從而具有學習物理和探索世界的興趣。

三、舊知鏈接新知“問題鏈”，引出新課思維起點

能成為好的課堂引入需要具備兩個要素：一是激活學生思維、引發學習興趣；二是搭建新知與舊知之間的橋梁，使學生在接受新課內容時更加順暢。這樣既符合學生的認知特點，也契合深度學習中“聯想與結構”的特征，在喚醒已有知識的同時重新搭建知識網絡結構，發掘知識點之間的邏輯關系，加深對知識的理解，從而深化對物理觀念的認識。

問題鏈1 通過知識回顧與梳理進行引入：

師：牛頓第一定律反映了力與運動的關系，力與運動是什么關系呢？

生：力是改變物體運動狀態的原因。

師：能夠表現物體運動狀態改變的難易程度是我們學過的哪個物理量呢？

生：慣性。

師：影響慣性大小的因素是什么？

生：質量。

師：質量越大，慣性越大，物體的運動狀態越難改變。

師總結：運動狀態改變的實質是速度改變，速度改變的原因是產生了加速度；換句話說力是產生加速度的原因，同時加速度的大小與質量有關。由以上推理過程我們可以猜想物體加速度大小與其質量、所受外力兩個因素有關，具體是什么關系需要通過實驗驗證。上節課我們分組對該實驗進行了探究，得到了什么結論？

生：質量一定時，加速度與合外力成正比；合外力一定時，加速度與質量成反比。

設計意圖：新課引入“問題鏈”設計通過學生回答問題反饋，判斷學生是否掌握牛頓第一定律的含義；同時回顧探究加速度大小與合外力、質量關系的實驗結論。學生能夠深刻理解牛頓第一定律的內容，則能較好推出影響加速度大小的因素。從而初步形成與牛頓運動定律相關的運動與相互作用觀。

四、探究結果解構“問題鏈”，加深對物理規律的理解

課堂中的深度學習即學生在教師的引導下體會物理學科的基本思想，主動參與建構知識結構。我們知道物理教學中經歷科學探究的過程非常重要，在筆者看來對科學探究后結果的分析同等重要，這個過程學生在親歷物理規律的生成過程，可加深對其的理解，同時能夠培養學生通過科學推理得出物理規律的科學思維能力。

問題鏈2 牛頓第二定律的內容與表達式的生成

師：通過大量實驗探究，得出以下結論：一定時，；一定時，。則，這便是牛頓第二定律，請同學們根據比例式用文字描述牛頓第二定律。

生：物體加速度的大小與所受合外力的大小成正比，與物體的質量成反比，加速度的方向與合外力的方向相同。

師：由可以得到，，轉化為等式即，那么該式中的就是比例常數。那么請同學思考等于多少呢？可以通過簡單的生活實例進行引導，如人有兩只眼睛，也可以說有一對眼睛，為什么量詞變了？以此生活體驗引導學生認識k等于多少是決定于單位。

師：讓同學們閱讀教材力單位由來的內容，從而得出牛頓第二定律的公式可以簡化為什么？

生：或

設計意圖：這一環節的問題鏈設計引導學生主動分析“探究加速度與合外力和質量的關系”實驗結果，進而歸納出牛頓第二定律的內容，推導出牛頓第二定律的表達式，在引導學生理解表達式中k值等于1的條件中，也能夠加深對牛頓第二定律的推導過程的認識，體會牛頓對物理學發展做出的巨大貢獻，而并非直接給出牛頓第二定律的表達式，為后續對牛頓第二定律內涵的理解奠定基礎。

五、引發深度思考“問題鏈”，促進高階思維發展

關鍵能力的培養旨在學生掌握相關知識的層面上，深刻理解其內涵，可以將其運用到新的實際情境中解決問題。指向高階思維的深度學習是實現這一目標的有效途徑，教師通過層層遞進的問題驅動引導學生對所學知識深入細致思考與審慎質疑，探求事物的本質與知識的內在聯系，基于證據進行科學推理，從而科學構建自己的認知結構，發展批判性思維與創造性思維。

問題鏈3 對牛頓第二定律因果性、矢量性、同體性、同時性、獨立性的理解

因果性：

師：牛頓第二定律中說明了加速度與力是成正比的，能否反過來說力與加速度成正比，思考為什么？

生：不可以…

師總結：力是產生加速度的原因。式中的等號表示的是一種因果關系，物體的受力情況決定了物體會做什么樣的運動，物體的運動狀態又可以反映出受力情況。

矢量性：

師：牛頓第二定律中與都是矢量，加速度是由力決定的，加速度的方向與力的方向總是相同。請同學們回想加速度的定義式是什么？

生：。

師：從加速度的定義式我們知道加速度的方向與什么相同？

生：物體加速度的方向與它速度變化量的方向是相同的。

師總結：是加速度的定義式，通過該式我們知道了加速度的測量與計算方法，但是加速度大小與速度及其變化沒有因果關系。是加速度的決定式，該式揭示了力與運動的關系，即力是物體產生加速度的本質原因，因此物體加速度的方向由所受合外力的方向決定。

同體性：

師：請同學們思考牛頓第二定律表述中提到的“物體”是指同一物體嗎？

（學生討論）

師：根據學生的討論結果給予分析并總結牛頓第二定律中、、必須是對同一研究對象（物體）。

同時性（瞬時性）：

師：請同學們思考以下問題，物體受到拉力之前靜止，物體受到拉力之后做什么運動？那當我們撤去拉力后，物體的運動狀態如何呢？如果力逐漸減小到0的過程中，物體的加速度將怎樣變化？

光滑水平面

生：受到拉力之后做勻加速運動；撤去拉力后，物體做勻速運動；如果力逐漸減小，則物體的加速度逐漸減小。

師總結：加速度與合外力總是同時產生，同時消失，同時變化。力可以突變，加速度也可以突變，加速度與力必須是同一時刻。

獨立性：

師：請同學們思考，根據牛頓第二定律我們可以推理出無論多小的力都可以產生加速度，但是我現在用力去推講桌卻沒有推動它。這一結果是否與牛頓第二定律矛盾呢？

生：不矛盾，因為物體還受摩擦力，合力為零。

師總結：講桌沒有推動，加速度為0，這里的加速度是合加速度，而前面分析的力是推力，應該對應合外力，而合外力確實為0。所以不矛盾。也就是說物體所受的每個力均會獨立產生一個加速度，而物體的實際加速度是合加速度，是由每個力產生的加速度矢量合成得到的。例如：拿著粉筆豎直緩慢移動它受到支持力和重力，釋放粉筆自由下落，它只受重力（忽略空氣阻力），但兩種情況下重力對應的加速度都是。

設計意圖：牛頓第二定律是在實驗基礎上建立起來的重要規律，它是動力學的核心規律，是本章的重點，也是一個難點內容，能否正確理解這一定律對今后力學部分的學習至關重要。對于學生來說，全面深入理解牛頓第二定律的內涵與各物理量的相互聯系是有困難的，這一系列環環相扣的問題串引導學生明確認識并理解牛頓第二定律的內涵。通過思考問題與相應實例，學生能夠理解牛頓第二定律的物理意義。

六、巧設真實情境問題，深化遷移應用能力

對于《牛頓第二定律》一節的學習，經歷了猜想、探究、論證、反思等過程，學生已經初步掌握了牛頓第二定律的內容。然而深度學習除了深度參與、深度思考、深度反思，更重要的是能夠遷移應用。將新收獲的知識應用到解決相關的實際情境問題中，就是一種思維遷移，那么具體的問題選擇是非常關鍵的，能夠讓學生內化的知識外顯化和可操作化，同時盡可能真實且稍微有一定的挑戰性[4]。筆者設計了兩個角度的課堂例題，已知受力情況求運動情況和已知運動情況求受力情況。通過兩種不同類型題目的練習與講解，使學生逐步掌握應用牛頓第二定律解決問題的方法，鍛煉學生將物理規律應用于實際問題解決的能力。

【例一】跳傘運動員在下落的初始階段，可視為做勻加速直線運動。若在這個過程中運動員所受阻力為400N，該運動員與飛行器的總質量為200kg，則列車從起動至速度達到30m/s需要多長時間？

師：引導學生分析題目，首先確定研究對象，接著對其受力分析，然后建立直角坐標系列方程。

由牛頓第二定律：

由運動學方程：兩式聯立解得

【例二】某同學騎自行車在平直的公路上以18km/h的速度勻速行駛，突然看到前面10m處有一只小狗停在路邊立即剎車，剎車后可視為勻減速運動，該同學與自行車的總質量是180kg。則該同學在剎車過程中受到的阻力至少為多大？（學生練習）

師：強調列方程規定正方向，建立直角坐標系的原則；總結解題過程。

設計意圖：通過例題引導學生體會利用牛頓第二定律解決動力學實際問題的思路和具體的求解過程。由于是新課教學，需要特別注意循序漸進，逐步引導學生應用牛頓第二定律的一般思路。最終學生能夠通過牛頓第二定律的相關證據分析解決動力學與運動學問題。

結束語

綜上所述，課堂問題鏈設計需要有教師引導，學生由簡單問題的初步探究逐步轉化為對深層問題的深入探索，以此促進學生的深度學習。針對不同的教學內容，課堂教學中問題鏈的構建都可以應用本文中介紹的四種策略，學生在問題鏈的驅動下，主動參與課堂活動，在不斷深入思考中挖掘知識與知識之間的內在聯系，構建系統的知識網絡，同時在質疑、推理、反思等高階思維活動中深化科學思維能力，發展核心素養。當然問題鏈的設計策略不只局限于此，無論采用何種方式提出問題，都應緊緊圍繞素養目標的達成，同時問題設計要符合學生心理特征和認知能力，要使問題間具有學科的邏輯關聯，呈階梯式由淺入深、循序漸進。

參考文獻

[1]黃晶.指向深度學習的“重心”概念教學策略研究和實踐[J].物理教學，2022，44（11）：15-18，32.

[2]顧曉東.促進深度學習的問題群設計策略[J].基礎教育課程，2021（21）：36-41.

[3]谷海躍，陳新華.促進高中物理深度學習的“問題鏈”策略研究：以“電表的改裝”教學為例[J].物理教學，2020，42（11）：25-28，3.

[4]黃晶.基于問題解決的重心概念深度學習研究[J].物理教師，2023，44（4）：6-10.