中學物理深度學習的研究進展述評

關亞琴

（西南大學科學教育研究中心，重慶 400715）

教育部考試中心制定的《中國高考評價體系》（本文簡稱 《體系》）中構建了以價值為引領的評價體系，是國家對“培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人、為誰培養(yǎng)人”這一教育根本問題的堅定回答.［1］隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能為代表的新一代信息技術的蓬勃發(fā)展，各國對人才的需求也越來越高，新時代的中學生如何在牢固掌握學科知識的基礎上能夠自主地運用高階思維解決結構不良問題并將之付諸實踐以適應未來社會的發(fā)展.這是一個亟待解決的問題.《體系》中旨認高考要引導教學重視教材，夯實學生學習基礎，給學生提供深度學習和思考的空間.［1］

本研究基于CNKI高級文獻檢索，時間范圍選取1980—2020年1月40年間物理深度學習的研究論文，在期刊欄目中將主題詞輸入“深度學習”和“物理”，文獻來源選擇核心及CSSCI，將分組瀏覽選為研究層次中的“基礎教育與中等職業(yè)教育”共檢索出34篇文獻，刊物主要包含《物理教師》《物理教學》《中學物理教學參考》《教學與管理》；然后在《物理之友》《物理通報》《物理教學探討》《中學物理》這4本刊物中選出42篇文獻作為原始文獻；最后在碩博欄目將主題詞輸入“深度學習”和“物理”，在分組瀏覽中選擇學科專業(yè)為課程與教學論，最終選出符合主題的15篇文獻作為研讀對象并進行內(nèi)容分析.通過對這些文獻進行梳理和述評，在此基礎上做了些前瞻.

1 物理深度學習的概念界定及特點

1.1 深度學習的國內(nèi)外界定

深度學習由瑞典格特堡大學馬頓（Marton）和薩爾喬（Saljo）兩位學者于1976年提出.他們指出深度學習是一個知識的遷移過程，而這個過程有助于學習者提高解決問題并作出決策的能力.并認為，深度學習的學習者追求知識的理解并使已有知識與特定教材的內(nèi)容進行批判性互動，探尋知識的邏輯意義，使現(xiàn)有事實和所得結論建立聯(lián)系.［2］1982年，比格斯（Biggs）與柯利斯（Collis）基于皮亞杰認知發(fā)展階段理論，提出SOLO分類法（可觀察的學習成果結構）.他們把學生對于某個問題的學習程度從能力、思維操作、一致性與收斂、應答4個方面劃分為5級水平：前結構層次、單點結構層次、多點結構層次、關聯(lián)結構層次、拓展抽象結構層次.前三級為淺層學習，后兩級為深度學習.［3］自比格斯與柯利斯提出深度學習的分層后，更多學者和機構投入到關于學生深度學習的研究中，如美國新媒體聯(lián)盟《2015地平線報告（基礎教育版）》中引用了“卓越教育聯(lián)盟”對深度學習的定義：“以創(chuàng)新方式向?qū)W生傳遞豐富的核心學習內(nèi)容，并讓他們學習后應用所學的內(nèi)容.”［4］

我國學者何玲和黎加厚教授于2005年在教育領域提出深度學習是一種在理解的基礎上，學習者能夠批判地學習新思想和事實并將它們?nèi)谌氲皆械恼J知結構中，能夠在眾多思想間進行聯(lián)系并將已有的知識遷移到新的學習情境中，進而做出決策和解決問題的學習方式.［5］2014年9月教育部基礎教育課程教材發(fā)展中心 “深度學習總項目組”對其界定為：在教師引領下，學生圍繞著具有挑戰(zhàn)性的學習主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發(fā)展的有意義的學習過程.［1］郭華教授則認為深度學習是教學中的學生學習而不是一般的學習者的自學，必有教師的引導和幫助；深度學習的內(nèi)容是有挑戰(zhàn)性的人類已有認識成果；深度學習是學生感知覺、思維、情感、意志、價值觀全面參與、全身心投入的活動；深度學習的目的指向具體的、社會的人的全面發(fā)展，是形成學生核心素養(yǎng)的基本途徑.［6］

在學科深度學習的研究中，馬云鵬教授認為小學數(shù)學深度學習是以數(shù)學學科的核心內(nèi)容為載體，以提升學生的綜合素養(yǎng)為目標，整體分析與理解相關內(nèi)容本質(zhì)，提煉深度探究的目標與主題，了解學生學習特定內(nèi)容的狀況.通過精心設計問題情境，引發(fā)學生認知沖突，組織學生全身心參與學習活動，圍繞具有挑戰(zhàn)性的學習主題深度探究，使學生體驗成功、獲得發(fā)展的有意義的學習過程.［7］胡久華教授認為化學學科的深度學習界定為：在教師引領下，學生圍繞具有挑戰(zhàn)性的學習主題，開展以化學實驗為主的多種探究活動，從宏微結合、變化守恒的視角，運用證據(jù)推理與模型認知的思維方式，解決綜合復雜問題，獲得結構化的化學核心知識，建立運用化學學科思想解決問題的思路方法，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力，促進學生核心素養(yǎng)的發(fā)展.［8］

以上為國內(nèi)外不同研究者及機構對深度學習所給的定義.由此可以看出，深度學習沒有統(tǒng)一的概念，但主要以“學習方式”“學習過程”“學習能力”及“學習結果”所設定義較多；從所給定義也可看出，深度學習除具有批判性思維及高階思維能力以外，還需合作、協(xié)同的交際能力，在這些能力具備的情況下，學生會對新知識遷移運用，最終達到創(chuàng)新思維的目的.另外，從學科對深度學習的界定來看，深度學習還包含學生核心素養(yǎng)的發(fā)展.

1.2 物理深度學習

關于物理深度學習的定義很少，江蘇省錫山高級中學實驗學校的高級教師曹曉東在多年的教學實踐當中概括得出物理學科深度學習的定義.他認為物理深度學習旨在教師的引領下，學生圍繞具有挑戰(zhàn)性的學習主題，開展以實驗探究為主的多種探究活動，從物質(zhì)、運動及相互作用、能量等視角，運用證據(jù)推理與模型建構的思維方式，解決綜合復雜問題，從而獲得結構化的學科核心知識，建立運用學科思想解決問題的思路方法，逐步形成內(nèi)在的學習動機、正確的科學態(tài)度和責任的一種學習方式.［9］

曹曉東老師對物理深度學習的界定較為全面，涉及到物理學以實驗為基礎的特色，涵蓋了物理學中物質(zhì)、運動及相互作用、能量等學科核心概念，認為物理深度學習是一種學習方式，但在定義過程中忽視了學生團結協(xié)作能力及創(chuàng)新精神的發(fā)展.所以對物理深度學習的界定，還需根據(jù)物理學科本身的特點，結合物理觀念、科學思維、科學探究及科學態(tài)度與責任4個學科核心素養(yǎng)的主要方面，從符合學生認知發(fā)展及提高學生創(chuàng)新意識視角去定義物理學科深度學習，有待于學者們繼續(xù)研究.

1.3 物理學科深度學習的特點

2012年，張浩和吳秀娟在《深度學習的內(nèi)涵及認知理論基礎探析》中提出了深度學習的6大特點：深度學習注重批判理解、深度學習強調(diào)信息整合、深度學習促進知識建構、深度學習著意遷移運用、深度學習面向問題解決及深度學習提倡主動終身.［10］付亦寧認為深度學習的首要特征是理解認知，固有特征為高階思維，本質(zhì)特征為整體聯(lián)通，必要特征為創(chuàng)造批判，趨向特征為專家構建.［11］

物理學是自然科學領域的一門基礎學科，研究自然界物質(zhì)的基本結構、相互作用和運動規(guī)律.物理學基于觀察與實踐建構物理模型，應用數(shù)學等工具，通過科學推理和論證，形成系統(tǒng)的研究方法和理論體系.［12］該定義給出了物理學科與其他學科的區(qū)別，這體現(xiàn)在，物理學科是一門以實驗為主的自然科學課程，它的核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”及“科學態(tài)度與責任”.

基于以上界定，物理深度學習的特點具有指向物理觀念的概念關聯(lián)與意義建構；形成科學思維的質(zhì)疑論證與推理建模；注重科學探究的活動設計與評估；觸發(fā)評價體系的反思與體悟等方面特征.［9］江蘇省錫山高級中學實驗學校教師駱波在透析大量教學案例的基礎上，圍繞深度學習特征、物理學科核心素養(yǎng)、物理學科關鍵能力，篩選、提煉出初中物理深度學習的典型特征模型，［13］如表1所示.

表1 初中物理深度學習的典型特征及行為表現(xiàn)

2 深度學習的實施策略及評價方法

為了培養(yǎng)學生獲取復雜知識，掌握深度學習的技能，讓學生適應不斷變化的外部世界，美國威廉和弗洛拉·休利特基金會與美國研究院合作開展了深度學習項目（SDL）.該項目采用準實驗研究法，實驗組和對照組后測的研究設計，定量和定性相結合的方式，做了為期3年的實驗研究.實驗學校采取的深度學習策略與途徑宏觀上分為兩個：一是重塑課堂教學設計，具體從明確教學目標、課程開發(fā)、課堂教學、教學評價4個方面進行重新設計；二是變革學校結構與文化，具體包括課時上的靈活安排、開設咨詢課、支持個性化發(fā)展的學校文化.最終以學生認知能力、人際和個人能力、高中畢業(yè)率、大學入學情況等4個維度對實驗組和對照組進行評價.該研究在國際上產(chǎn)生強烈的反響，我國教育部基礎教育課程教材中心組織專家團隊2014年借鑒國外經(jīng)驗也開始進行深度學習實驗研究.而此項目僅針對語文、數(shù)學、化學等學科進行，并未涉及物理學科.

2.1 物理深度學習的實施策略

應該說關于物理深度學習的大部分研究都是基于策略而研究，大體可以分為7類：基于核心素養(yǎng)的深度學習策略、思維提升的深度學習策略、實驗類課程的深度學習策略、基于問題解決的物理深度學習策略、知識遷移的深度學習策略、PBL視角下的深度學習策略及復習課的深度學習策略，還有部分研究者以深度學習為理論基礎的教學設計.本部分研究遴選具有代表性的實施策略并進行梳理，得出不同主題詞下的深度學習策略的具體內(nèi)容如表2所示.

表2 物理學科深度學習實施策略

從表2中可以看出，關于物理學科的深度學習策略主要集中在創(chuàng)設情境，聯(lián)系生活，通過認知沖突引發(fā)學生深度思考；建構知識導圖，整合碎片化知識；提倡自主探究，發(fā)展學生探究能力.無論是基于核心素養(yǎng)的深度學習還是問題解決的深度學習，整體策略偏向于知識本位的策略研究，沒有過渡到素養(yǎng)本位的深度學習研究.另外，不同研究提供的策略都是基于經(jīng)驗的總結，缺少理論的支撐，比如思維提升的深度學習策略，多數(shù)僅是通過案例，缺少心理學的理論支撐，因而使研究不夠深入，所以在有關物理深度學習的教學策略方面可以結合教育學基本原理、心理學、社會學等理論更加深入地展開研究.

2.2 深度學習的評價策略

戴歆紫，王祖浩通過對國外深度學習評價的研究方法進行梳理，總結得出過程取向及結果取向的評價研究，其中過程取向評價又包括問卷調(diào)查法、眼球追蹤法；結果取向的評價方法包括概念圖法、開放型問題或任務、學業(yè)成就評價及綜合性評價.［26］殷常鴻，張義兵，高偉，李藝將皮亞杰的認知理論及比格斯的SOLO學習結果分類結合在一起，分別從過程描述（思維層次）及具體表現(xiàn)（知識深度）兩個方面的7個維度：重述、綜述、抽象、追溯、修正、重構及遷移研究得出“皮亞杰-比格斯”深度學習評價指標.［27］

物理學科深度學習評價主要以高子翔、鄒雪晴、任虎虎為主，幾位研究者都提出基于SOLO學習結果分類進行學習評價的策略，并分別用不同的案例來解釋說明評價實施策略.上海師范大學碩士研究生高子翔基于SOLO分類提出從無學習水平到淺層學習水平及從淺層學習水平到深度學習水平的學習策略；［28］西南大學碩士研究生鄒雪晴基于SOLO分類以“相互作用及牛頓運動定律”及“磁場”為例開發(fā)了高中物理深度學習評價工具；［29］任虎虎以“師生間多維對話”“開放性問題解決”“批判性自我監(jiān)控”提出基于SOLO分類理論的高中物理深度學習教學評價策略；［30］東北師范大學碩士研究生關舒元以中學科學SSI課程為例，在實踐研究基礎上分別從教材編寫、教師發(fā)展、及教學3方面提出了促進深度學習的課堂教學策略.［31］雖然這些研究者都涉及到評價策略，但大多都是基于結果的評價，可以從增值評價、綜合評價等過程性評價多方面進行審視，以全方位視角展開物理深度學習的研究.

3 物理深度學習研究反思及期望

3.1 物理深度學習研究的反思

越來越多的研究表明，深度學習教學模式比傳統(tǒng)的講授模式更有效.我國關于深度學習的研究和實踐探索，面向未來社會對學生素養(yǎng)的新要求，針對我國當前中小學課堂教學存在的關鍵問題，立足本土文化，借鑒國外經(jīng)驗，形成了一系列理念框架以及實踐模式，但有關物理深度學習的研究僅在中小學教師中以具體實施策略為研究對象，其理論深度尚且不夠.具體存在以下問題：

（1）物理學科深度學習理論方面研究仍有欠缺，針對性和實踐性不強.如物理深度學習的概念界定不清，物理深度學習的價值取向不明等.在全球經(jīng)濟化的進程中，教學方式的轉變顯得尤為重要，如何通過線上線下教學實現(xiàn)物理學科核心素養(yǎng)的轉變是目前亟待解決的一個問題.物理課程深度學習理論與實踐結合不夠緊密，對實踐的指導意義不突出，能夠看到實踐中存在的問題，但如何指導實踐解決問題研究不顯著.

（2）理論研究深度不夠.研究中基本能看到問題的存在，但如蜻蜓點水一代而過，不能走入深水區(qū)透徹地研究問題，比如如何基于大概念整合進行物理學科深度學習，如何指向單元主題設計進行深度學習等；與其他學科的結合也不夠緊密，比如在對教師深度教學研究中，不能將教育理論與教育心理學有機結合起來，只從教學策略的方面強調(diào)物理深度學習的運行機制，而沒有從學生的內(nèi)部心理機制進行深入研究.

（3）評價方式單一，評價指標不夠明晰.大多數(shù)研究者基于SOLO分類的學習結果對深度學習進行評價研究，缺少增值評價、律動評價等多元評價的研究.可結合2017版高中物理課程標準提出學業(yè)質(zhì)量評價指標及國家教育部發(fā)布的《深化新時代教育評價改革總體方案》構建比較完善的評價指標體系.

（4）農(nóng)村和民族地區(qū)物理深度學習的研究不足.我國是一個多民族、文化多元的國家，地域遼闊，南北、東西差異較大，不同的地域分布有各自的特色文化.基于不同民族和地區(qū)，怎樣進行有針對性的物理學科深度學習，彰顯民族及農(nóng)村特色進行教學和學習，有利于激發(fā)學生的學習興趣和動機，從而提升對知識有效遷移.

3.2 物理深度學習研究的期望

通過上述反思，筆者認為物理深度學習研究應該進一步推向深入，特別要有針對性地加強在教育教學實踐中的深度學習問題的研究，在研究方法上多采用實證研究，減少經(jīng)驗總結或理論指導下的思考與分析；適當將研究視角轉“教學策略”為“學習策略”，從動態(tài)生成性學習理論入手，轉變“靜態(tài)”的課堂教學研究理念，提倡“動態(tài)”教學或者“靜態(tài)、動態(tài)結合”的教學研究理念；結合結果評價、增值評價及綜合評價，構建多元的物理深度學習評價體系；重視農(nóng)村及民族地區(qū)的物理深度學習研究，利用農(nóng)村及民族地區(qū)的特有資源，激發(fā)教師和學生的想象力，推動物理學科深度學習的發(fā)生.