在深度學習中感悟“簡約之美”

馮蘭 張丹彤

【摘要】文章通過物理課堂教學實例的剖析和展示，探討如何在課堂教學中以科學思維為先導，鼓勵學生提煉和升華所學知識，引導學生發現問題、探索問題，促使深度學習的有效發生。以此為基點積極探索在日常物理課堂教學中創設既有趣味性又有思維深度的情景探究活動，引導學生從歸納、演繹思維的角度研究問題、拓展視角，促進學生科學思維的提升、物理觀念的形成，同時滲透“美”的教育并達到領略物理學“簡約之美”的效果。

【關鍵詞】物理課堂教學? 科學思維? 深度學習? 簡約之美

【基金項目】本文系江蘇省教育科學“十三五”規劃課題《以科學思維為先導的“非主流”課堂教學研究》（課題編號：D/2018/02/14/）的階段性研究成果。

【中圖分類號】G633.7 ? 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2023）08-0127-03

物理學是一門研究自然界物質基本結構、相互作用和運動規律的基礎科學[1]。在物理學的建立和發展過程中，人們積累了豐富的科學研究方法和思維方式，樹立了求真、求善、求美的科學態度和人文精神，從而讓物理學擁有了豐富的知識體系、人文品性和美學特質。作為一門探究性學科，物理學特別注重運用科學思維方法認識客觀事物、解決實際問題。從個別到一般的歸納思維、再從一般到個別的演繹思維是科學思維的重要組成部分。這其中把復雜的問題抽絲剝繭簡單化，體現的就是一種本領和智慧。大道至簡，用簡去繁，實際上也是物理學在發展統一路上一直追求的簡約之美。

在物理課堂教學中，如果“用記憶替代思考，用背誦替代對現象本質的清晰理解和觀察，用簡單重復練習代替對本質理解后的舉一反三”，這樣的教學，有做法、有手段、有短期效果，但卻不能觸及學生的心靈，不能使學生“心動”。教學若不能打動人（心），學生的思想、意識、情感就不能活躍，就不可能有作為主體的深度學習[2]。若為了幫助學生探尋現象、問題的本質，一味地牽著學生往“深度”探究問題，只注重引導學生探究物理學的思維之縝密、探究之有序，又常常會讓學生產生畏難的情緒。所以課堂深度學習的發生需要教師根據學生的“最近發展區”創設既有趣味性又有思維深度的情景探究活動，讓學生感到自己是活動的主體，發生積極主動的學習活動。深度學習的課堂教學不僅提升了學生的歸納演繹思維、批判性思維等科學思維，而且能讓學生體會到物理規律的簡約之美，達到以美啟智、以美啟真、以美創新的課堂教學效果。

筆者以《光的折射》《簡諧運動》這兩課教學為實踐案例，著力在課堂中以“深”入本質的發現學習和由“深”至“遠”的探索學習引導學生從科學思維的角度發現、感悟物理學的“大道至簡”之美。

1.“深”入本質，發現物理學簡約之美

物理的“真”告訴學生要透過現象尋找共性、探尋本質，從而領會本質不僅是規律更是成因。引導學生主動地通過“質疑”“探究”“歸納”“演繹”等過程主動對學習內容進行深度加工，去除非本質屬性的干擾，把握知識的內在聯系，是深度學習發生的一種有效方式。在《光的折射》教學中，常見的教學設計是“觀察現象→探究規律→回顧歷史→總結結論”，但由于探究的結果仍停留在對單一現象的規律總結，在對學生歸納演繹思維的培養上略顯不足，缺少深度思考的過程，在引領學生感悟物理學之美、形成物理觀念的層面也有欠缺。基于這樣的思考，筆者在原有的教學設計中加入了對反射、折射規律的對比探索，引導學生思考“在反射、折射等光學現象中有沒有一個更有一般性、統一性的規律？”，鼓勵學生提出自己的觀點并通過定量計算證明自己的觀點。通過質疑、思考、討論、表達、論證，學生由接受知識的狀態轉變為自主探尋知識的狀態，強化了溝通和批判性思維能力，在提升科學思維的深度學習中切身感悟到物理學中的簡約之美。

1.1教學實錄

教師引導：在剛才的探究學習中，我們理解了光的折射遵循折射定律，同時也理解了書本上關于折射的兩個公式：

請同學們回想一下初中學的光的反射定律，畫出光路圖，尋找一下光的“行為特征”。

學生繪制光的反射光路圖（如圖1所示），并闡述了反射定律。

教師引導：光為什么一定要這樣走呢？對比一下a、b路徑和光實際走的路徑，思考為什么不能是圖2中的a或b的光路呢？

學生：光按實際光路傳播的路程最短！

教師引導：在反射現象中，光總能準確地找到最短路徑。在光的折射現象中，是不是也有這樣的規律呢？如圖3所示，光從真空中的A點射到界面的O點，折射后射到了介質中的B點，請同學們思考一下在折射中光從A點到B點為什么要彎著走呢？兩點間不是直線最近嗎？為什么不沿圖4中A至B的直線路徑走呢？

學生思考討論：若沿著AB直線路徑，光走的路程是短了，但是在介質中走的路程變長了，光在介質中的傳播速度比真空中小，所以是不是光選擇路徑時會考慮時間因素？

教師引導：根據同學的猜想，請同學們設計情境來具體算一下“直線路徑”和“實際光路”這兩條路徑的用時。

學生設計情境并給出數據：設α=53°，β=37°，光速c和A、B到界面的距離h。

學生分組計算：1、3、5組計算圖3中的時間，2、4、6組計算圖4中的直線路徑的時間。

1、3、5組同學計算過程和結果：n==，n=，ν==c

2、4、6組同學計算過程和結果：L=h·tanα+h·tanβ=h

若寫成t′=則可以更直觀地比較得t′>t.

學生總結：比較兩組數據可知，路徑最短用時不一定最短，光選擇了用時更短的路徑，光還是“很會節約時間的”。

教師引導：通過同學們自己的努力，大家發現反射定律、折射定律表達方式不同，但在其背后都遵循著共同的原理——費馬原理。（法國科學家皮埃爾·德·費馬在1662年提出著名的費馬原理（Fermats principle）：光傳播的路徑是光程取極值的路徑。最初提出時，又名“最短時間原理”：光線傳播的路徑是需時最少的路徑。）

在我們的生活中，光的行為由于介質不同、物質表面情況不同，呈現出很多復雜的光路，在這些復雜現象的背后都遵循著一個簡單的原理。應用歸納法從個別規律中取其共性和精華推廣到一般現象，這是物理學中常用的歸納思維。物理學家們用歸納法將很多看似不同的規律總結成一條條具有普適性的經典規律，這就是物理學一直在追求的極簡之美。

1.2教學反思

這部分內容的教學時間約8分鐘，在這8分鐘的思考和討論后，學生表現出了對自己探究結果的驚喜和對物理學大道至簡的感慨。在該教學環節中，通過老師引導質疑，讓學生自由猜想、自主推理驗證、自由表述，完成了對知識的提煉和升華。這樣的教學過程，不僅幫助學生在知識層面對光的折射有了更深入的理解，而且在科學思維的提升和物理觀念的形成方面都有了很大的收獲，是一個有效的深度學習過程。

2.由“深”至“遠”，品味物理學簡約之美

我們身處在一個運動的世界，讓學生學會從物理學視角看物質、運動與相互作用、能量，是高中物理學科核心素養的要求之一。黎加厚教授指出“深度學習的基礎是理解”，在《簡諧運動》這一節的學習前，學生對牛頓力學、能量守恒的理解已基本到位，學生已基本掌握分析運動的基本知識和能力，這就具備了在這一節中將良構問題劣構化的深入探究的基礎，也是深度學習發生的良機。基于這樣的思考，筆者設計了拓展探索環節，讓學生用歸納演繹思維分析問題，體會復雜運動中的簡約之美。

2.1教學實錄

教師引導：在簡諧運動的實驗探究中，我們得知，當小球的位移—時間關系是正弦函數關系時，小球做簡諧運動。簡諧運動是最基本的振動。

同學們觀察視頻（視頻截圖如圖5所示），分析了繞O點做（逆時針方向）圓周運動的小球在x方向上的分運動和y方向上的分運動都是簡諧運動。

教師引導：通過同學們的推理分析，發現勻速圓周運動是相互垂直的兩個簡諧運動的疊加。請同學們思考，橢圓運動是不是也能這么分解呢？大家可以結合老師給的圖片信息思考（如圖6所示）。

學生分組討論：我們組覺得是可以的，x方向的運動可以等效于以A1為半徑的圓周運動在x方向的分運動，y方向的運動可以等效于以A2為半徑的圓周運動在y方向的分運動，但具體的推導暫時做不到。

教師引導：這組同學結合圖片信息，有了對橢圓運動分解的思路，但是由于數學問題比較復雜，暫時無法證明，那我們不妨反證一下他們的結論。

所以+=1，這就是圖中橢圓對應的方程。剛才那組同學對橢圓運動分解的思路是正確的。

學生總結：橢圓運動也是相互垂直的兩個簡諧運動的疊加，只是這兩個簡諧運動的位移最大值不同。

教師引導：在剛才的兩個實例分析中我們發現當x、y兩個方向上的簡諧運動的相位差為時，振幅相等時合運動為圓周運動，振幅不等時合運動為橢圓運動。其實兩個相互垂直方向的簡諧運動的疊加結果還有很多可能，比如我們可以將兩個簡諧運動的相位差調整為、等其他值；將兩個簡諧運動的振幅和頻率調整為其他不等的值，它們的合運動會是什么樣的呢？下面請同學們應用電腦桌面上的動畫小程序（如圖7），改變左上角的參數，自己進行觀察探索。

2.2教學反思

在這個環節的教學中，通過動畫程序的探索學習，化抽象為具體，讓學生模糊的想象變為清晰可見的畫面，學生對自己的探索結果表現出了“驚奇”和“想要繼續研究“的熱情。通過將按兩個相互垂直的方向分解圓周運動、橢圓運動的良構問題，提升至研究一般振動的思維方式探討這一劣構問題，問題的品質和學生的思維品質都得到了有效提升。通過從個別運動模式到簡諧運動是振動的基本因子這一一般性規律的“深”的學習，到將這一規律應用到對生活中一般物體的振動分析中的“遠”的應用，在由“深”至“遠”的學習中學生的歸納演繹思維都得到了有效提升，也體會到了物理學的簡約之美。

總之，高中物理知識的多元化、物理模型的多變性，給教師提供了很多可以挖掘的深度學習素材。物理課堂教學中若能結合這些素材巧妙設置情景幫助學生發現問題，引導學生探索問題，進而解析問題，形成問題意識，加強“學用合一”“知行結合”，就能有效實現深度學習。從教學實踐來看，高中物理教學課堂中有情景活動的“趣”、有實驗探究的“真”、有理論探究的“嚴”、有學以致用的“活”。如果在這些有效環節中結合科學思維方法，滲入探究“美”的元素，不僅能在情感角度上激發學生學習物理的興趣，更是在科學思維、物理觀念的角度改變著學生觀察世界的方式，讓學生處處領略物理學的思維之美、探究之美、簡約之美。

參考文獻：

[1]裴繼孫，鄭康.新形勢下塑造中學物理文化的新魅力[J].中學物理教與學，2020（10）：3-6.

[2]劉月霞，郭華.深度學習：走向核心素養（理論普及讀本）[M].北京：教育科學出版社，2018：29-38.