深度學習理論視域下的高中物理深度教學策略例談

盧文福

（長汀縣第一中學，福建 長汀 366300）

深度學習理論視域下的高中物理深度教學策略例談

盧文福

（長汀縣第一中學，福建 長汀 366300）

深度教學與深度學習互為表里，都強調知識呈現的邏輯機理，圍繞知識理解、問題解決和教學反饋，通過直觀化、精細化、整體化、人文化的深度教學策略，逐步改善學生高中物理教學浮于表面的狀況，逐步提升學生的知識建構能力、知識理解能力、知識應用能力和知識批判能力，為學生形成受益終身的物理學科核心素養奠定基礎。

深度學習；高中物理；深度教學；物理學科核心素養

深度學習與淺層學習相對，是對學生不同學習階段的描述。“淺層學習”表現為學生尚處于識記和復述知識的自發階段，孤立地接受一堆凌亂的知識碎片，由于缺乏對學習材料的整合使學生學習動機被抑制，因此被動學習是淺層學習階段的主要特征?！吧疃葘W習”是學生在充分理解學習材料的基礎上，批判性地學習新知，并將新知與舊知有效聯結從而更新學習者原有知識結構，并針對千變萬化的新情境提出問題解決策略的學習。［1］“深度學習”則以淺層學習為邏輯基點，深入挖掘學習材料的內在聯系，要求學生在教師的指導下運用高階思維循序漸進地將知識碎片經由建構、理解、應用、批判等環節實現知識系統化的過程。在高中階段，雖然物理學由于研究對象的差異被劃分為力學、光學、電學等不同模塊，但是不同模塊知識之間存在著盤根錯節、犬牙交錯的緊密關聯。學生對模塊內某一知識點的掌握會與對模塊內其他知識點的學習產生交互作用，學生對一個模塊知識的掌握程度往往會“牽一發而動全身”，深刻影響到對其他模塊知識的學習。深度學習理論強調知識呈現的內在聯系，有助于遏制當前高中物理教學“只見樹木不見森林”知識孤立主義傾向，以知識理解、問題解決和教學反饋為中心進行物理知識結構的持續優化，環繞核心概念突破促成繁蕪紛亂知識點的條理化。深度學習與深度教學互為表里，共同表現了課堂教學在知識呈現的嚴密性、關聯性、豐富性與回歸性之間達成動態平衡的學習革命［2］，要求教師必須通過對知識邏輯結構的細膩梳理，以強調符號表征傳遞、邏輯形式教學、知識意義生成有機統一的深度教學取代揠苗助長地拓展知識容量和拔高知識難度的表層教學，以教師深度教學的廣度、深度、關聯度推動學生深度學習的豐富性、沉浸性和層進性。［3］針對深度教學的豐富性、嚴密性、關聯性、回歸性等，教師在課堂教學中要相應地采取直觀化、精細化、整體化、人文化的教學策略，通過問題導向和教學反饋過程逐步形成學生受益終身的知識建構能力、知識理解能力、知識應用能力和知識批判能力，這些能力又與物理學科強調物理觀念、科學思維、實驗探究、科學態度與責任的核心素養相互呼應，這為深度學習理論視域下高中物理深度教學提供了重要契機。

一、知識建構能力：基于深度學習理論的深度教學直觀化策略

物理觀念錯綜復雜，如何通過教學梳理解決物理觀念的建構，是深度教學的重要任務。深度教學的直觀化策略是以使學生明了知識之間內在聯系為宗旨，這就要求教師必須綜合運用板書、思維導圖、PPT、FLASH演示等直觀手段使知識點之間抽象的聯系轉化為具象的知識結構呈現。直觀化策略既能深化教師對于課堂教學節奏的認識，減少學生知識點孤立學習而導致的知識碎片化問題，符合深度學習強調新舊知識整合，強調知識深度建構的價值取向，為學生通過具體物理概念和規律感知物理觀念創造了條件。［4］

案例1圍繞“力的相互作用”對高中階段各模塊涉及的“力”進行分類

由于模塊化的物理學習方式，各版本高中教材對于各種“力”的講解呈現離散狀態，從力學、熱學、電學等不同物質運動差異性的角度分析“力”，通過這種知識的分解學習固然有利于學生對知識點的各個突破，卻也使得學生忽略物理學對于“力”的探討應依托于“相互作用”這一物質運動的共性，缺乏跨模塊的知識綜合與邏輯梳理，知識碎片化大行其道，導致學生對“力”的認知停留在淺層學習狀態，難以走向深度學習。故而，筆者以四種相互作用為中心，打破模塊化學習對于高中階段涉及的“力”進行重新分類，深化學生對“力”本質的認知。（見圖1）

圖1 高中階段“力”的跨模塊分類示意圖

案例2“磁場”的思維導圖

思維導圖，又名“概念地圖”“思維地圖”，是一種模仿大腦神經元網狀結構，利用圖文結合實現信息可視化表達的認知工具。刺激記憶、高效整合、自我評價是思維導圖的重要功用。不少學生之所以長期停留于淺層學習，缺乏知識的有效整合是很重要的因素，而思維導圖圍繞“主題”在知識點之間運用各種弧線、符號、字詞進行知識串聯，形成知識點的意義聯結，對于學生整體把握知識體系是極有幫助的。高中電磁學知識是一個抽象又綜合的教學單元，尤其是“磁場”。教師以“磁場”這一教學元素為中心，通過概括性提問不斷刺激學生的記憶，逐步“收復”淺層學習的“失地”，指導學生在筆記本上羅列與“磁場”有關的概念定律，不必苛求所有學生的表達一致。教師接著引導學生根據知識點之間的內在邏輯機理進行知識點的連線，在各知識點、章節、單元之間，交互使用分散繪制和總體繪制的方式，從而使學生從物理學視角初步形成關于磁場運動的基本認識。（見圖2）

圖2 “磁場”概念總體繪制的思維導圖

二、知識理解能力：基于深度學習理論的深度教學精細化策略

物理教學是以物理現象有序展示，使學生明了物理現象蘊含的物理概念，進而抽象概括物理規律的過程?，F象、變量、概念、規律共同構成了學生物理視界中的整體“知識”，這些知識的精細化過程深刻地體現了模型建構、科學推理、科學論證等科學思維要素。［5］教師以學生物理學科認知水平的“最近發展區”為基礎，以物理問題的知識理解為中心，不斷優化物理知識的呈現方式，將零散知識合理連綴為首尾貫通的知識共同體，是學生實現高中物理深度學習的重要環節。概念延伸、認知沖突、變式教學是高中物理深度教學策略的常見手法。

1.概念延伸

例如，教師講解“安培力”這一核心概念時，可以從“力”的影響因素、大小、方向等角度進行左右延伸與前后貫通，從而使學生從知識的內涵和外延兩個維度極大地豐富了“磁場中的通電導線教學”的邏輯層次。在此基礎上，教師應對“磁場”的“場”概念進行概念延伸，啟發學生注意磁場中電流運動與其他運動的關聯性。源自數學集合論中的“場”，原指不同元素集由于映射形成的特定關系。物理學家們認為離開了“場”，關于物質運動的動量探討將無所依托，任何物質的運動都是在一定的場域中進行的，如“電場”“引力場”“磁場”等。在物理學體系中，“場”就是物質運動分布與演變的樣態，以時空為變量的“場”可以細分為“標量場”“矢量場”“張量場”。通過“場”概念的引入，教師在經典物理與以“量子論”和“相對論”為代表的現代物理之間架起溝通的橋梁，打破“就事論事”的物理學習方式，從物質運動的理論將推向深度學習的高妙層次。

2.認知沖突

“認知沖突”指學習者由于新知與舊知間的矛盾引發的學習反思與認知調適，進而促成認知結構質變的過程。［6］在物理教學過程中，教師應充分讓學生展示舊知，通過問題情境激化舊知與新知的內在矛盾，逼迫學生跳出原有認知的學習舒適區，在發現問題的過程中對認知圖式采取同化與順應策略，在師生互動學習中經由認知圖式—認知沖突—認知平衡的螺旋式發展實現物理概念的深度學習。（見圖3）

圖3 物理學科“認知沖突”示意圖

案例3 圓周運動的“速度”與直線運動的“速度”

不少教師在講解圓周運動時往往直接解釋線速度、角速度等物理概念，這種直奔主題的講解固然有助于學生在潛意識中將“線速度”“角速度”與直線運動的“速度”形成知識鏈接，但是往往使學生只注意到兩者的共性，而忽略了圓周運動“速度”與直線運動“速度”的差異性。因此，教師可以讓學生溫故知新，先回憶直線運動中“速度”，提出“我們能夠直接套用直線運動的位移與時間比值的計算方法來描述圓周運動速度嗎？”的問題情境，對于學生的不同回應用事實說話，通過實驗展示使金屬小球繞著豎桿運動一周（見圖4），提醒學生認真觀察圓周運動的位移，使學生發現直線運動的速度描述方法與圓周運動規律的認知沖突，激發學生主動探索圓周運動速度描述的方法，從而順勢引入“線速度”的概念。使用月、地、日的天體運行演示動畫，展示地球公轉周期（365天）和月球公轉周期（27天）與地球公轉速度（29.79km/s）和月球公轉速度（1.02km/s）之間的認知沖突，即地球公轉速度明顯高于月球公轉速度，為何公轉周期更為漫長，從而導入“角速度”的概念。

圖4 金屬小球圓周運動簡圖

3.變式教學

《教育大辭典》中指出，變式教學是教師在教學中為使學生準確地掌握概念，變換概念非本質特征有意識凸顯本質特征，在“變”與“不變”的轉換中探究規律的教學手法。概念變式、規律變式、實驗變式、習題變式是高中物理變式教學的重要策略。

案例4“慣性”的概念變式

經過教師的講解，學生們對于慣性的定義已較為熟稔，但學生往往由于問題情境的變化和前概念的深刻影響而不知所措，對慣性的認知水平難稱“深度學習”。比如，學生從汽車急剎車時駕乘人員上半身均會不自覺地往前傾的生活經驗了解慣性的力量，但教師切不可以為大功告成，此時，教師以學生的生活經驗為變式材料，在講臺上放置一個礦泉水瓶，突然給瓶子一個推力使其向左運動，請問瓶內的氣泡會往什么方向運動，不少學生會脫口而出：“往后運動”，這是因為不自覺地進行了前概念認知圖式的類比學習。教師秉承“眼見為實，口不臧否”的實證主義態度，通過實驗反復演示，強化“質量是慣性大小的量度”的慣性概念本質特征。

圖5 小轎車急剎車駕乘人員慣性作用示意圖

圖6 礦泉水瓶受力實驗

三、知識應用能力：基于深度學習理論的深度教學整體化策略

深度教學整體化策略要求教師根據物理學科核心素養培育的要求，將物理學概念規律依照邏輯機理細分為知識點，采取微觀的階段性細部分析方法解構知識，使學生遵循提出問題—科學假設—信息獲取與處理—實驗結論—反思改進的實驗探究過程，圍繞問題意識、實證闡釋、互動交流等環節，在循序漸進的思維過程中逐步洞悉知識點邏輯結構，并通過學習進階挖掘不同知識的整體聯系。［7］

案例5磁場中的通電導線

1.情境導入，歸納物理概念

往玻璃容器中傾倒足以淹沒玻璃容器中心和邊沿電極的氯化鈉水溶液，將容器整體居于并列U形磁鐵之上，并與磁感線保持豎直方向（見圖7）。通電后氯化鈉水溶液的旋轉，說明磁場方向被電流改變了。通過實驗情境導入“安培力”這一重要概念雖然會耗費一定的課堂教學時間，但是符合學生的認知始于淺層學習的心理規律，相對于單刀直入地講解抽象的安培力，從具身認知的視角更能使學生提升對安培力性質的認知水平。

圖7 氯化鈉水溶液導電旋轉實驗

2.科學假設，分析影響因素

通過圖的情境實驗，教師引導學生注意不同物質在實驗中的功用，即氯化鈉水溶液與磁場中的通電導線作用一致，水流就是電流的物質隱喻，氯化鈉水溶液的劇烈運動實為電流方向變化的具象表征，從而引出“通電導線在磁場中所受的力被稱為安培力”這一核心概念。從這一概念出發，教師應該趁熱打鐵追問學生導電溶液運動的影響因素，引導學生逐步歸納一些假設（包括但不限于這三個假設）：安培力的大小與導電溶液多少（通電導線長短）有關；安培力的大小與電極電流的大小有關；安培力的大小與U形磁鐵的磁場強度有關。［8］

3.控制變量，測量安培力大小

為了較為準確地測量安培力大小與通電導線長度、電流大小、磁場強弱等因素之間的量化關系，我們使用平衡性能較好的三角形多匝線圈以盡可能地減少洛倫茲力干擾帶來的誤差。（如圖3）教師先旋轉磁鐵使三角形線圈與磁感線夾角（θ）由垂直關系一直過渡到平行關系，找出θ與F的正相關關系。然后，教師指導學生時刻注意線圈下沿是否與磁場保持垂直角度（Sin 90°=1），通過控制磁場強度（B）、通電導線的電流強度（I）、位于磁場中的通電導線長度（L）這三個變量中的任意兩個量，而觀察安培力（F）與另外一個量的數量關系，學生通過分組對比實驗將得出“F與B、I、L分別成正相關”，從而推導出安培力的計算公式為F=BILsinθ。（見圖8）

圖8 控制變量測量安培力大小的電路實驗

4.規律研討，探求安培力方向

通過分組實驗探討，教師提醒學生使用左手模擬通電導線在磁場中受力場景。在桌面上平展左手，手心對準N極，使磁感線穿過手心，并攏的四指指向電流方向，大拇指則與其余四指垂直，大拇指所指方向即為安培力的受力方向（見圖9）。學生自己動手探求安培左手定則的使用方法，化抽象的受力分析為形象的具身認知，從空間想象的角度深化對安培力方向的認知。

圖9 安培左手定則示意圖

四、知識批判能力：基于深度學習理論的深度教學人文化策略

深度教學的人文化策略，就是要求教師突破以往高中物理課堂忽視文化品格的疏失，結合課內外教學資源有效引入科學史的相關內容，從科學史觀的高度引導學生思考物理科學的本質，推動學生人文素養和科學精神的完美融合，為學生在未來的學習、生活、工作中不斷調適科學技術與社會發展、自然環境之間的關系提供科學的世界觀與方法論，幫助學生適應未來社會對于復合型人才的剛性需求。

案例6《自由落體運動》教學與伽利略比薩斜塔落體實驗

今天的高中生通過語文、歷史、物理等各科教材的介紹，經由一些課外閱讀資源的強化記憶，對于意大利科學家伽利略通過比薩斜塔實驗推翻古希臘哲學家亞里士多德“自由落體速度與其重量成正比”的說法可謂耳熟能詳，不少學生對于伽利略的自由落體定律倒背如流。然而，伽利略比薩斜塔實驗是否真實發生，尤其是否于1590年在比薩斜塔公開演示落體實驗成為物理史上的一個著名公案，國內外科學史和百科全書中存在肯定、回避和否定三種常見的說法。［9］爭論圍繞比薩斜塔落體實驗的真實性、有效性、創新性展開：該實驗究竟是通過理論推導的思想模擬實驗，還是在比薩斜塔上的現場演示？伽利略是挑戰亞里士多德物質運動觀的第一人，同時代其他科學家有無先于伽利略開展類似實驗？該實驗源自伽利略學生維維安尼的《伽利略生平的歷史故事》，而伽利略比薩時期的作品《論運動》卻對該實驗只字未提，同時期的學者亦從未記述這個在當時應為驚世駭俗的實驗。究竟哪個更為可靠？否定說的學者大多是從實驗的發生時間（從未發生、質疑首創、伽利略晚年才開展類似實驗）、發生地點（從未發生或不是比薩斜塔）、實驗器具的嚴重誤差（仿真實驗論證伽利略落體實驗結果的謬誤）等方面質疑比薩斜塔實驗的真實性。與之爭鋒相對的是，肯定說的學者則有些依據維維安尼的《伽利略生平的歷史故事》（1712年）和伽利略《關于力學和位置運動的兩種新科學的對話和數學證明》（1638年），力圖從史學考證的角度論證比薩斜塔實驗的真實性，從而反駁否定說的純理論猜想，有些則另辟蹊徑，從實驗條件的易模擬性的視角指出，伽利略即使沒有進行現場實驗，也曾進行類似模擬實驗。［10］回避說則游走于兩說間，對于比薩斜塔實驗真實性、有效性、創新性采取“述而不作”的態度，雖然有一些具有傾向性的語義表達，但是更多的還是轉述各方觀點供讀者參考。

教師在教學《自由落體運動》一節時，僅僅滿足于對自由落體運動的現象演示、變量控制、規律歸納等物理教學活動是令人遺憾的。雖然物理學是運用實驗手段、應用數學工具和理想模型建構，通過邏輯思維方法進行科學推理和論證，研究物質世界基本結構、相互作用、運動規律的自然科學，但是物理科學實踐歸根結底是“人”的實踐，物理學家運用科學方法探究科學真理的史實不僅有助于學生從故事情境中了解物理規律發現的來龍去脈，從側面幫助學生澄清對科學家形象一些錯誤認識，提升學生對于物理知識的學習興趣，而且科學史的引入還為學生提供了科學精神的示范，有助于學生形成嚴謹深刻、團結協作、實事求是的科學研究態度，為學生涵養利用科學技術造福人類的家國情懷和世界意識奠定心理基礎。關于伽利略比薩斜塔落體實驗的論爭為物理科學教育提供了重要契機，也是對于《自由落體運動》教學成果的理論升華，教師對于論證焦點的展示，引導學生大膽質疑與小心求證，“質疑是創新之母”，唯有質疑才能推動“發現問題—分析問題—解決問題”的良性循環，科學史家們對于比薩斜塔落體實驗看似錙銖必較的研討是對科學精神的最好詮釋，使學生深刻體會到合理質疑與知識批判，正是現代科學創新發展的精神驅動力。

五、小結

綜上所述，基于知識建構能力、知識理解能力、知識應用能力、知識批判能力的深度學習理論，符合當代高中物理教育實踐的現實需求，有利于教師把握高中物理課堂的教學邏輯層次。直觀化、精細化、整體化、人文化是深度學習視域下高中物理深度教學的四種常見策略，是物理學科在教學中培養核心素養,落地生根的可行之路。直觀化策略從物理知識建構的角度，通過思維導圖、板書等知識呈現方式，體現深度教學豐富性的要求，強調“物理觀念”的熏陶；精細化策略從知識理解的視角，使用概念延伸、認知沖突、變式教學等手法，凸顯深度教學嚴密性的需求，著重“科學思維”的涵養；整體化策略從知識應用的層次呈現深度教學關聯性的內涵，注重“實驗探究”的訓練；人文化策略從知識批判的高度，引入科學史相關資源，彰顯深度教學回歸性的意義，側重“科學態度與責任”的陶冶。雖然這四種深度教學各有側重，但又是一個以學生物理學科核心素養培育為中心的有機整體，教師應緊密圍繞學生的全面發展不斷梳理深度教學的邏輯層次，使學生從淺層學習走向深度學習，為實現高中物理教育“立德樹人”核心目標奠定學理基礎。

［1］何玲，黎加厚.促進學生深度學習［J］.現代教學，2005（5）：29-30.

［2］郭元祥.知識的性質、結構與深度教學［J］.課程·教材·教法，2009（11）:17-23.

［3］郭元祥.論深度教學：源起、基礎與理念［J］.教育研究與實驗，2017（3）:3-13.

［4］杜紅樂，張燕.深度學習在實踐教學中的應用研究［J］.教育探索，2015（4）：37-40.

［5］吳加澍.中學物理教師的學科教學知識［J］.物理教學，2012（12）：4-10.

［6］薛燕敏．基于認知沖突下的物理課堂教學［J］.中學物理，2014（3）：12-13.

［7］張惠作.高中物理教學內容的細膩化處理［J］.教學與管理，2016（31）:70-72.

［8］王祥東.規律教學的邏輯化處理策略初探［J］.物理教學探討，2017（2）：5-7.

［9］閻康年.關于“比薩斜塔實驗”爭論的發展和看法［J］.科學、技術與辯證法，1988（1）：44-51.

［10］肖太陶.文獻評論：伽利略有沒有在比薩斜塔做過落體實驗［J］.科技論壇，2005（19）：79-80.

2015年龍巖市基礎教育教育教學改革課題“基于大數據支持的高中學科教學研究”。

（責任編輯：周志平）