基于證據意識促進深度學習
——以“機械能守恒定律”為例

周連鵬

(阜陽市第三中學 安徽 阜陽 236000)

1 深度學習與證據意識

深度學習是學習者在理解掌握的基礎上，通過批判性的分析，將新知識融入自己已有的認知結構，并把新知識遷移應用到新的問題情景中，有效地做出決策的一種學習方式[1-2].深度學習有以下幾個特征：

(1)深度學習注重批判建構，是一種批判性的、理解性的學習方式，學習者應具有較強的質疑精神和批判精神，通過批判性的吸收知識，建立起各知識之間的聯系方式，加深對知識的理解，形成自己對知識的建構模式，比如概念圖、邏輯線、思維導圖等形式.

(2)深度學習強調信息整合，將新舊知識融入自己已有的認知結構，以達到對知識的深刻理解.

(3)深度學習注重遷移運用和問題解決，將已學的知識遷移應用到多種實際問題情景中去，鍛煉其解決實際問題的能力，達到學以致用，觸類旁通，舉一反三的效果.

(4)深度學習注重反思，反思能從學習經驗和學習過程中提取有價值的東西，有利于對知識的整體理解，是通向深度學習的必要條件，通過反思，學生能夠發現并采取相應的策略修正認知過程存在的問題，從中習得復雜知識、問題解決的策略方法等，思維由低階走向高階，從而學會如何學習.

對于證據意識，目前學術界的界定大概有兩種：其一，從心理活動的視角來看，大多數學者都認同證據意識是一種心理覺悟或心理活動.其二，從科學視角來看，對證據意識有兩種不同看法，一種認為證據意識是建立在科學的基礎上，另一種認為其是一個科學論證過程，包含在科學素養之中.

本研究的證據意識是指：在高中物理教學中，學生通過對物理的學習，對科學探究中遇到的物理問題，經歷一定的質疑、假設、求證和反思的心理過程.其中，“質疑”是證據意識培養的起始點，結合物理學科的性質與內容，教師應引導學生觀察，鼓勵學生提出疑問；“假設”是證據意識培養的著力點，在具體教學過程中，教師應引導學生回顧舊知識與經驗，根據質疑提出科學的假設；“求證”是證據意識培養的生長點，通過設計科學實驗方案，尋找科學解釋和正確答案，在尋找的過程中收集、分析證據.“反思”是證據意識培養的增長點，此過程中要深刻思考證據的可靠性、驗證證據的邏輯性.證據有多種展現形式，如物理實驗器材、物理史實、實驗數據、物理模型等.

實現深度學習可以從培育證據意識開始，即基于證據的探究學習使學習深度發生，可以認為證據意識是實現深度學習的路徑和工具；無論知識建構還是問題解決，深度學習都離不開學生的求證和求真，在證據求證的過程中所獲得的感悟與體會、實踐與操作，可以深入知識內核、體現學習本質.可以把證據意識和深度學習理解為形式和內容的統一體：證據意識從形式上強調以何種方式完成教學內容，達成教學目標；深度學習從內容上指向學科核心素養，指明育人內容、目標等，將兩者緊密結合，可以實現形式與內容的統一，使學生在學習中逐步養成圍繞研究問題，形成質疑、假設、求證和反思的習慣和能力，進一步實現深度學習.證據意識的培育，有利于教師轉變教學觀念，自覺改進和優化課堂教學行為，引導學生在證據探究中達成深度學習.本文以《普通高中物理課程標準(2017年版)2020年修訂》必修課程必修2模塊中“機械能及其守恒定律”主題下的“機械能守恒定律”一節為例，詳細論述如何基于證據意識，促進深度學習.

2 基于證據意識的深度學習案例分析

以“機械能守恒定律”為例.

2.1 引入新課提出質疑

先播放工地上用大鐵錘拆除建筑物的視頻，然后請兩位學生上講臺體驗“碰鼻子”的勇氣挑戰，第一次把鐵球拉到貼近學生鼻子的書本處用力推動鐵球，鐵球回擺到原處打到書本，第二次把鐵球拉到學生鼻子處由靜止釋放，鐵球幾乎回到原處碰到鼻子.

提出質疑：鐵球第一次釋放能夠回到原處并且打到書本，為什么第二次釋放鐵球幾乎到達原來的等高處呢？有沒有碰到鼻子呢？

設計意圖：先觀察視頻，讓學生感受鐵錘運動拆除建筑物的的震撼過程，進而鼓勵學生挑戰“碰鼻子”的體驗活動，形成認知沖突，提出質疑，激發學生學習本節課的興趣.質疑，作為證據意識培養的起始點，通過引導學生觀察實驗和體驗活動，鼓勵學生提出疑問，為接下來證據意識的著力點“假設”做好鋪墊.

2.2 任務驅動 提出假設

本節課在科學思維的培養上著重提高學生功能關系思維和物理建模能力.為此，學生必須參與到實際的教學活動中去，教師可以通過給學生布置任務的方式來促進學生的思考，由于任務在難度上的逐級增加，可以引發學生從低階思維轉向高階思維的發展過程.

任務1：引導學生回顧伽利略理想斜面實驗，伽利略研究擺動時，不僅發現了擺動的等時性，而且發現了擺動的等高性.根據伽利略理想斜面實驗，小球從光滑斜面滑下，可以滾上另外一個斜面的等高處，看起來小球好像“記得”自己起始的高度，能不能用你學過的知識解釋描述呢？對于擺球裝置，小球也可以“記得”自己起始的高度，這一事實又如何解釋呢？(學生思考，并引導提出“能量”的概念)

任務2：能量概念的提出是前人在追尋守恒量的過程中提出的，前幾節課我們也學習了幾種形式的能量：重力勢能、彈性勢能和動能.接下來引導學生從生活情境出發，并進行模型建構進一步分析重力勢能、彈性勢能和動能的關系.

情景1：蕩秋千

模型建構：單擺

情景2：拉弓射箭

模型建構：水平方向彈簧振子

情景3：蹦極

模型建構：豎直方向彈簧振子

提出問題：請思考小球在運動過程中，有什么力在做功，有哪些能量在轉化？你還能舉出生活中重力勢能、彈性勢能與動能相互轉化的實例嗎？(引導學生將新舊知識融入自己已有的認知結構，以達到對知識的深刻理解)

任務3：教師引導學生對上述3個情景中的小球運動過程進一步分析，動能和重力勢能、彈性勢能相互轉化的過程有什么能量保持不變，即哪個物理量守恒？請結合經驗與分析進行科學猜想.(引導學生批判質疑，提出科學猜想)

設計意圖：通過任務驅動，逐步理解重力勢能、彈性勢能和動能可以相互轉化.將實際問題抽象為物理模型進行研究，提升建構模型的能力，發展科學思維的物理核心素養，通過生活實例，提升觀察能力和深入分析問題的能力，并強化在觀察和實驗中發現問題、批判質疑，提出合理猜想與假設的能力.通過已經學習的動能、重力勢能和彈性勢能的知識進行信息整合，將新舊知識融入自己已有的認知結構，以達到對知識的深刻理解和長久保持的目的.

2.3 尋找證據 科學論證

理論推導和實驗探究是科學研究的重要思想方法，接下來我們通過這兩個方法去尋找證據.先引導學生利用動能定理、以及重力做功與重力勢能的關系推導驗證學生的猜想是否正確.進一步引導學生對于其他情境，比如自由落體運動，平拋運動，光滑斜面和曲面上運動的小球，進行理論推導.接下來通過問題鏈的方式進行理論分析，最后再通過實驗的方式進行科學探究.

2.3.1 基于問題鏈，提升演繹推理能力

以擺球模型為例，如圖1所示.

圖1 擺球運動示意圖

問題1：小球受力情況和這些力做功情況如何？

問題2：小球從B處到C處的過程中請利用動能定理列出相應等式.

問題3：小球從B處到C處的過程中重力做功與重力勢能的關系式.

問題4：小球在B處和C處的機械能關系.

設計意圖：將實際問題中的對象和過程轉換成物理模型，基于已學內容進行演繹推理，得出機械能守恒的關系，培養科學推理和科學論證素養.對于其他情境，比如自由落體運動，平拋運動，光滑斜面和曲面上運動的小球，引導學生分組討論參照上述問題鏈的方式進一步分析，將原有的知識遷移到多種問題情境中去，并解決實際問題，達到觸類旁通，舉一反三的效果.

2.3.2 基于實驗探究，提升實驗求證能力

實驗驗證的方案很多，這里介紹一種軟件——Tracker視頻跟蹤分析和建模工具軟件.如圖2所示，通過Tracker獲取擺錘運動過程中的位置、速度等物理量，然后建立Excel表格，通過獲得的實驗數據進行分析.引導學生分析表格中動能和重力勢能的數據，進一步分析機械能的變化情況：機械能略微有些減小，這是空氣阻力帶來的影響，可以認為如果沒有空氣阻力的影響，那么小球的機械能保持不變.

圖2 Tracker演示

設計意圖：指導學生使用Tracker軟件收集數據，并對數據進行整理分析，讓學生通過定量探究的方式進一步驗證機械能守恒這一猜想的正確性，提高從不同方式獲取證據的能力，實現在證據探究中達成深度學習.

2.4 總結反思 深化規律

通過理論推理和實驗探究兩種不同方式的探究證據的過程，進一步引導學生得出：在只有重力做功的系統內，動能與重力勢能可以相互轉化，而總的機械能保持不變.同理，在只有彈力做功的系統內，動能與彈性勢能可以相互轉化，而總的機械能保持不變.即在只有重力或彈力做功的物體系統內，物體的動能和勢能可以相互轉化，而總的機械能保持不變，這叫做機械能守恒定律.表達式：Ek1+Ep1=Ek2+Ep2或ΔEk=-ΔEp.守恒條件: 只發生動能和勢能間的相互轉化.

為了深刻思考證據的可靠性、驗證證據的邏輯性，進一步引導學生思考.

如圖3所示，一個小球在真空中自由下落和另一個同樣的小球在黏性較大的液體中由靜止下落，它們都由高為h1的地方下落到高為h2的地方.

圖3 小球在真空和油中下落

問題1：重力做的功相等嗎？

問題2：重力勢能的變化相等嗎？

問題3：動能的變化相等嗎？

問題4：重力勢能各轉化成什么形式的能？

引導學生思考并回答問題，并進一步分析前者機械能守恒，后者機械能盡管不守恒，但能量的總量卻也是保持不變的.從而使學生領悟到機械能既不可能憑空產生，也不會無緣無故消失，機械能的增減是除了重力和彈力以外的其他力做功的必然結果.

問題5：學完本節課，學生們有哪些收獲？

設計意圖：通過思考與討論強化學生對機械能守恒定律條件的理解，促進了物理觀念的提升；通過對物理學科研究方法的反思和提煉，提高了科學思維和科學探究素養；通過對守恒思想的進一步總結概括，認識尋求“守恒量”已經成為物理學研究的一種重要思想方法，培養學生實事求是的客觀精神、學以致知的探索精神.在反思總結過程中，從學習經驗和學習過程中提取有價值的東西，有利于對知識的整體理解，這是通向深度學習的必要條件.

2.5 問題解決 學以致用

對于“機械能守恒定律”一節的學習，學生經歷了質疑、假設、求證和反思的學習過程，已經初步掌握了機械能守恒定律的內容.然而深度學習面向問題解決，學以致用是學習的主要目的，強調學習者具備把知識應用到實際生活中去，鍛煉其解決實際問題的能力，因而本節課又設計了幾個具有梯度的課堂檢測，采取多元評價方式對學生深度學習過程進行評價.

【例1】跳傘員利用降落傘在空中勻速下落；用繩拉著一個物體沿著光滑的斜面勻速上升；光滑水平面上運動的小球，把彈簧壓縮后又被彈回來；拋出的籃球在空中運動.實例中哪些情況機械能是守恒的？

設計意圖：結合生活情境，通過實例分析，掌握從做功和能量兩個角度判斷機械能守恒.

【例2】一蹦極運動員身系彈性蹦極繩從水面上方的高臺下落,到最低點時距水面還有數米距離.假定空氣阻力可忽略,運動員可視為質點,下列說法正確的是( )

A.運動員到達最低點前重力勢能始終減小

B.蹦極繩張緊后的下落過程中,彈力做負功,彈性勢能增加

C.蹦極過程中,運動員、地球和蹦極繩所組成的系統機械能守恒

D.蹦極過程中,重力勢能的改變量與重力勢能零點的選取有關

拓展：對于蹦極運動的生活情境，如果忽略空氣阻力，可以抽象為什么模型呢？請設計實驗求出重物從彈簧原長靜止釋放運動到最低點時彈簧的彈性勢能.

設計意圖：通過蹦極的生活實例，進一步學會通過做功和能量兩個角度定性判斷機械能守恒.對于拓展問題，結合生活實例和所學知識，養成從物理學的視角認識身邊的事物和現象的習慣，提升運用物理知識解決實際問題的能力.

【例3】把一個小球用細線懸掛起來，就成為一個擺(圖4)，擺長為l，最大偏角為θ.如果阻力可以忽略，小球運動到最低位置時的速度大小是多少？

圖4 擺球模型

設計意圖：采用不同方法進行解題，進而初步體會牛頓運動定律、動能定理和機械能守恒定律解題思路的異同，更好地理解機械能守恒定律.同時學以致用，回扣導入情景解決實際問題.

【例4】一根輕繩繞過光滑的定滑輪，兩端分別系住質量為M和m的長方形物塊，且M>m，開始時用手握住M，使系統處于如圖5所示狀態．求：當M由靜止釋放下落h高度時的速度(M下降h時沒觸地，不考慮空氣阻力).

圖5 兩物塊組成的系統

設計意圖：學以致用，培養學生應用所學知識解決物理問題的能力；通過機械能守恒定律不同的表達式解題，更好地理解機械能守恒定律，并再次深刻領悟用機械能守恒定律解決問題的優越性，進一步促進對機械能守恒定律的深度學習與理解.