深度學習視域下 高中物理教學改進策略

石瀚松

[摘要] 深度學習視域下的高中物理教學是落實培養學生核心素養的重要途徑，而物理學科的特點與深度學習特征的契合進一步表明將深度學習用于高中物理教學的必要性。本文以高中物理為例，在闡釋高中物理學習特點的基礎上，提出了基于深度學習的高中物理教學策略，希望為一線物理教師提供新的教學視角與實踐參考。

[關鍵詞] 深度學習;高中物理;教學設計;改進策略

新舊世紀交替之際，基礎教育迎來了一輪改革。就高中物理教育教學來說，經過20年的沉淀，無論是在課程結構、課程標準、教學過程還是教學評價等方面的調整，都積極體現出人的全面發展理論在教育教學中的實踐。然而，我們同樣發現，高中物理教師教學雖然一直努力在向培養學生“核心素養”的目標靠攏，但教學設計仍然存在桎梏。一方面，我國是一個應試底蘊濃厚的國家，“唯分數論”很大程度決定了教學內容必須圍繞考試內容而展開，學生對物理概念及其本質的理解、公式技巧的應用仍局限于如何考取高分，缺少主動建構物理觀念、物理思維，掌握物理探究方法，因而容易造成學生機械化學習，學習與生活脫節，學生面對情景問題反應遲緩，難以運用學科知識進行主動分析;另一方面，如何讓學科知識服務于自然生活，如何科學整合非結構化知識，如何在教學中提升學生遷移解決問題能力，如何引導學生塑造批判性思維等，都是教學策略制定中需要重點把握的難題。物理學科學習的嚴謹性、邏輯性與強應用性都決定了教師在教學設計上務必精雕細琢，才能事半功倍。于此，相關研究指出，引導學生進入物理學習的深度學習是解決以上問題，培養學生核心素養的關鍵途徑和有效方式。

一、深度學習的內涵

“深度學習”這一概念，是由馬頓和賽爾喬在布魯姆認知目標分類理論的基礎上提出的[1]，而后在計算機機器學習領域廣為發展，最為著名的是以深度學習為技術支持的AlphaGo，在2016年3月以4：1的比分戰勝圍棋冠軍李世石。而在教育界，學者們也圍繞“深度學習”展開了長時間的討論，黎加厚等在《促進學生深度學習》一文中認為深度學習是指在理解學習的基礎上，學習者能夠批判性地學習新的思想和事實，并將其融入原有認知結構中，能將眾多思想進行聯系，并將已有的知識遷移到新的情境中，作出決策和解決問題的學習[2];張浩認為深度學習是一種主動的、批判性的學習方式，也是實現有意義學習的有效方式[3];郭華則從教師引導、學習內容、學生情感等方面總結深度學習的特點[4]。目前，雖然對“深度學習”并沒有統一的概念界定，但結合學者的研究不難總結，相比于淺層學習，深度學習是一種具備高階思維、高意志情緒投入并且注重學習內容的整合關聯，注重學習內容的遷移應用的學習方式（如表1）。

如果把學生接收到的信息比作河流，把信息中重要的知識比作河流中的魚，那么學生的學習過程就是用漁網捕魚的過程，學生的學習方式、思維層次、學習狀態決定了學生能在湍急、龐大的信息流中捕獲多少有用的知識作為自己的營養來源。而基于深度學習進行教學設計，則能讓這張漁網更加結實，撒網面積更大，幫助學生以更高效的方式去主動捕獲信息。

二、深度學習與物理教學的契合

物理學是一門實驗科學，也是一門崇尚理性、重視邏輯推理的科學，它用數學作為自己的工作語言，是當今最精密的一門自然科學學科[5]。雖然高中物理教學內容因其受眾群體的平均發展認知規律與相對應試的教學目標的限定，僅僅保留了物理學中少部分的內容，但不影響這部分內容的經典性、綜合性及教學價值。整理高中物理教材發現以下特點：

第一，教學強調知識的整合。高中物理內容主要以力學和電磁學為核心延伸打造知識體系，概念與概念之間逐步發展，單元與單元內容之間層層遞進，難度上呈螺旋上升。以新課標高中物理教材必修1和必修2內容為例，在研究物體“運動”主題上，教材以分析質點運動的基本要素（速度、位移）為起點，逐步引入力與運動之間的關系，揭示質點運動規律，再代入經典的質點運動場景，如曲線運動、圓周運動、天體運動等，最后通過分析此類經典的質點運動，重新鞏固質點運動的基本要素，可見教材中各知識點要素呈現的順序關系緊密，整體性強。

第二，實驗是物理教學的特色。高中物理教學主要以傳授間接經驗為主，而知識是對事物普遍規律的抽象概括，缺乏教學的直觀性，所以，物理現象雖然在生活中隨處可見，但是學生從生活中去發現、解釋且實踐物理規律的敏感度比較低。物理實驗教學作為物理教學的重要組織形式，能充分體現教學的直觀性原則。教師通過科學組織實驗，能直觀地顯化物理現象，引導學生感受“提出問題—猜想假設—設計實驗—實驗操作—分析數據現象—得出結論”的科學研究方法，并且提升學生觀察事物的主動意識，是物理這門學科獨具特色的教學資源。筆者整理人教版高中物理全冊，統計出20個物理實驗，覆蓋范圍包括速度、力、電磁、光等主題，內容豐富且生動有趣，可見教材所具備的資源還是足夠足量的。但遺憾的是，實際教學過程中，多數教師并沒有組織實際的操作實驗，仍以口頭講述為主，沒有充分利用好這一優勢資源。

第三，考驗學生解決問題能力。高中物理應用題復雜程度高，知識點范圍廣同時內容與數學關聯密切，如數學中極限法、幾何思想等在解題中都有應用，因而物理學科要求學生具備一定的綜合能力。以2021年四川高考理綜第25題為例，如圖1所示，長度均為l的兩塊擋板豎直相對放置，間距也為l，兩擋板上邊緣P和M處于同一水平線上，在該水平線的上方區域有方向豎直向下的勻強電場，電場強度大小為E;兩擋板間有垂直紙面向外、磁感應強度大小可調節的勻強磁場。一質量為m，電荷量為q（q>0）的粒子自電場中某處以大小為v0的速度水平向右發射，恰好從P點處射入磁場，從兩擋板下邊緣Q和N之間射出磁場，運動過程中粒子未與擋板碰撞。已知粒子射入磁場時的速度方向與PQ的夾角為60°，不計重力，求粒子發射位置到P點的距離，磁感應強度大小的取值范圍。

要解答此題，學生需要具備分解帶電粒子速度與位移的能力，具備分析帶電粒子在磁場電場受力情況的能力，掌握平拋運動的規律，具備通過數學幾何關系尋求粒子運動半徑的能力，只有充分掌握這些知識技能，加上精確的計算才能完成作答，可見其對學生解決問題的綜合能力要求之高。

需要說明的是，雖然物理學科具備以上特點，但并不代表任意物理教學活動的組織都能激活這些特點，而深度學習所強調的高階思維、遷移整合能力、主動持續的學習品質及引導學生建構知識、學會解決問題等特性決定了其在物理教學設計中應用的適配性，因此，將深度學習的理念用于高中物理教學設計中勢在必行。

三、基于深度學習的物理教學設計的改進策略

新課改背景下，高中物理教學設計一直在不斷迭代優化，但仍存在一些問題，比如教學形式單一、物理實驗淺嘗輒止，這些流于形式、知識體系缺乏有意義建構等問題[6]極大地限制了物理這門學科的育人價值，不利于學生有意義學習。而基于深度學習的高中物理教學設計，是在教師充分把握教材內容，了解學生學習活動規律并且對深度學習理論理解到位的情況下展開的教學設計，對于提升教學品質，提升學生學習效率，提升學生學科核心素養，可謂一劑妙方。

（一）構建思維導圖，整合知識體系

思維導圖也叫作心智圖，是一種上世紀便盛行于世界各國的教學方式，其重要理論基礎就是腦科學[7]。思維導圖因其表現形式與人腦思維方式有共同特征，能直觀地表征知識，建立知識之間的關聯，輔助學生進行思維搭建，因此在教學中使用具有重要意義。如圖2所示“牛頓運動定律”思維導圖，將思維導圖融入物理教學的優勢：（1）突出關鍵詞，幫助學生迅速鎖定核心概念，把握學習重點;（2）末端放開，教師教學和學生筆記可以隨時進行補充，針對發散內容教師通過口述展開，學生主動參與討論并補充;（3）提升教學和學習效率，舍棄逐字逐句的筆記方式，避免傳統的直線式教學使學生把精力分配給機械記錄，禁錮思維;（4）有效刺激大腦，既能在小單元內精細講解知識點，又能引導學生宏觀建立知識點之間的聯系，讓學生思維經歷從淺層到深層的遞進。使用思維導圖的教學方式，需要物理教師對知識點的覆蓋范圍了如指掌，并且能夠科學建立知識點之間的聯系;而在思維導圖的作用下，教師可以積極調動學生的思維活躍度，引導學生進行知識的有意義建構與整合，充分彰顯深度學習的優勢。

（二）打磨物理實驗，展現物理本質

高中物理實驗是在教師的指導下，以學生為主體，利用物理實驗材料，對物理定律進行探究和驗證的教學活動，其與公式、定理教學最大的區別就在于學生學習的直觀性、可操作性，學生感受更加立體。學生在完整的物理實驗流程中，對實驗探究結果的渴望、質疑假設能力、方案設計能力、實驗操作能力、歸納總結能力、團隊協作能力，以及通過實驗現象分析物理本質的能力都得到全面激活，這與深度學習所倡導的學生“感知覺、思維、情感、意志、價值觀全面參與、全身心投入”[8]是高度一致的。因此，重視學生物理實驗的組織，打磨好物理實驗教學的設計，是實踐深度學習的重要途徑。

物理教師在組織學生實驗中，首先在觀念上要摒棄實驗僅僅是對付應試內容的“舊思想”，注重實驗教學的趣味性、豐富性，同時要以學生為實驗參與的主體，充分調動學生學習的主動性。其次，要避免陷入追求“寬基礎”，追求面面俱到，導致實驗教學過程浮光掠影的誤區，而要追求對少量主題的深度探究，精細打磨教學設計，真正地通過學生實踐傳遞物理實驗的價值精華，以最大功率進行教育教學，展示物理本質，展示物理學科的魅力，打造深度學習的實驗課堂。

（三）巧用原始物理問題，強化解決問題能力

“念死書”是當前相當一部分中學生所處的學習境況，一方面是囿于唯分數決定升學的大環境，學生自己不得不把精力放到怎樣拿取高分，另一方面還是教師在教學策略的制訂上，忽視了培養學生實際解決物理問題的能力，導致學生只會在“題中做題”，面對結構不良問題，面對生活情景問題難以找到解決問題的切入口。這是不利于核心素養建立的，而利用原始物理問題則是強化學生解決問題能力行之有效的方式。

所謂原始問題，是指自然界及社會生活、生產中未被抽象加工的典型現象。這類問題是對現象的描述，通常來自生活情景，帶有隱含的變量、常量，對學生來說是非常規的、不能靠簡單模仿來解決的，是具有魅力和趣味的問題[9]。如圖3所示的原始物理問題：為什么火車軌道在直線道路上設計成水平的，但是在轉彎的部分要將軌道設計成內側低、外側高呢？原始物理問題并不會直接給出抽象的物理模型，所以要解決這個問題，學生首先就要思考這個問題的物理本質是什么，在腦海中搜尋能夠匹配問題的知識點（圓周運動、受力分析等），然后自己建立火車過彎的物理模型，最后再通過分析火車過彎時的受力情況從而解決問題。在分析解決原始物理問題中，需要學生具備的信息檢索能力、場景抽象能力和分析能力都比學生直接套用公式做題要求高很多，這恰恰是學習者在深度學習過程中調用的能力。顯然，在教學中穿插原始物理問題，既能將知識與生活結合，幫助學生會用知識，又能提升學生綜合解決問題的能力，是踐行物理深度學習的重要方式。

（四）建立“蘇格拉底”課堂，提升批判性思維

柏拉圖《理想國》中展現的蘇格拉底式對話，即產婆術，被認為是西方教學傳統的基礎。“產婆術”教學法本質上是一種師生平等辯論以揭露矛盾、克服矛盾，最終獲得知識并發展能力的教學方法，也是一種幫助學生糾正錯誤觀念并產生新思想的藝術[10]，這種方式一般包括四個步驟：反詰、助產、歸納與定義[11]?！爱a婆術”之所以被推廣，是因為教師通過這種對話教學方式，能夠激發起學生主動思考、自我發掘的狀態，在這種狀態下，學生的情緒飽滿、注意力集中，能進行批判性思考。在高中物理教學中，矯正學生“前概念”是概念教學中的重要環節，比如剛接觸“加速度”概念的學生，極易把“加速度”理解成速度的增加，若教師能合理運用“產婆術”，便可從公式定義上與學生產生對話。例如，“你是怎么產生這樣的想法的呢？”“公式中有可以表現出速度增加的部分嗎？”當學生發現加速度定義式中的ΔV與自己認為的“速度增加”并不完全對應且存在矛盾的時候，教師便進一步引導學生從定義式來看待加速度的本質，最后進行歸納總結?？梢?，教師建立蘇格拉底式的課堂，合理運用“產婆術”，既可以避免教學進入“一言堂”模式，更好地吸引學生注意力成為教學過程中的主體，又容易幫助學生進行自我反思，這與深度學習所強調的主動性、批判性思維是高度一致的。

宏觀上講，深度學習視域下的高中物理教學改進，其根本目的仍在于響應國家提出的“培養全面發展的人”“培養具備核心素養的人”“培養學會終身學習的人”等教育目標，是面對數字經濟時代、生產智能化時代在基礎教育層面踐行的教學策略。微觀上講，物理教學的深度學習是為了幫助學生擺脫“死讀書，讀死書”的學習困境，是提高教學效率、促進學生思維發展、助力提升學習品質、增長學生綜合能力的有效措施。當然，只有不斷提升個人專業素養，充分理解深度學習的基本特點，教師才能更好地在教育教學中實現學生在知識、能力、情感態度等方面的協調發展，才能達成最終的教育目標。

[參考文獻]

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[3]張浩，吳秀娟.深度學習的內涵及認知理論基礎探析[J].中國電化教育，2012（10）：7-11，21.

[4]郭華.深度學習及其意義[J].課程·教材·教法，2016，36（11）：25-32.

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[6]王利.新課改背景下高中物理課堂教學設計現狀研究[D].昆明：云南師范大學，2016.

[7]孟祥東.思維導圖在高中物理綜合復習中的應用研究[D].石家莊：河北師范大學，2008.

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[9]邢紅軍.原始問題教學：物理教育改革的新視域[J].課程·教材·教法，2007（05）：51-57.

[10]張樹棟.古希臘著名哲學家蘇格拉底[M].北京：商務印書館，1986.

[11]杜永紅.試析蘇格拉底“產婆術”教學法及其實踐價值[J].現代教育科學，2005（10）：33-34.