基于深度學(xué)習(xí)理論的物理課堂教學(xué)實(shí)踐研究

岳臘生

(首都師范大學(xué)附屬中學(xué))

黨的二十大報告明確指出:要全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量,著力造就拔尖創(chuàng)新人才.而拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)絕不能離開基礎(chǔ)教育這個重要環(huán)節(jié).這一過程需要彰顯學(xué)生“優(yōu)勢發(fā)展”的教育哲學(xué)原則,遵循知識整體性學(xué)習(xí)的教育規(guī)律,超越學(xué)習(xí)成果質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)評價的束縛,根植于豐富學(xué)生就讀經(jīng)歷的質(zhì)量內(nèi)涵式發(fā)展的戰(zhàn)略路徑.就目前來講,課堂教學(xué)無疑還是教育行為實(shí)施的主戰(zhàn)場.

作為中學(xué)物理教師,應(yīng)認(rèn)真學(xué)習(xí)課程改革相關(guān)文件,深入研究學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變、學(xué)生主體作用的發(fā)揮、評價改革等問題,從深度學(xué)習(xí)理論的角度摸索開展拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式.但是,教學(xué)行為的實(shí)施面臨著內(nèi)容多、涉及面廣、課時少的問題;學(xué)生背景不同、基礎(chǔ)不同,課堂教學(xué)實(shí)施難度大;相關(guān)工具新且方法活,教到什么程度確實(shí)是問題和挑戰(zhàn).面對“怎么教”的現(xiàn)實(shí)問題,一線教師存在彷徨、糾結(jié)、畏難等情緒,缺乏有效的課堂教學(xué)策略.

1 深度學(xué)習(xí)理論的內(nèi)涵

深度學(xué)習(xí)(Deep Learning)理論于1976年由美國學(xué)者基于學(xué)生閱讀實(shí)驗(yàn)提出,是針對孤立記憶和非批判性接受知識的淺層學(xué)習(xí)而提出的關(guān)于學(xué)習(xí)層次的一個概念.國內(nèi)外研究者普遍認(rèn)為:淺層學(xué)習(xí)是指被動的、機(jī)械式的、記憶性的學(xué)習(xí),只是簡單復(fù)制、機(jī)械記憶那些零散的、不相關(guān)的知識信息,不能深度理解復(fù)雜概念及其內(nèi)在含義,無法主動建構(gòu)個人知識體系,不能有效解決真實(shí)情境中的復(fù)雜問題;深度學(xué)習(xí)是指主動的、探究式的、理解性的學(xué)習(xí),要求學(xué)習(xí)者主動地建構(gòu)知識意義、將知識轉(zhuǎn)化為技能并遷移應(yīng)用到真實(shí)情境中來解決復(fù)雜問題,進(jìn)而促進(jìn)學(xué)習(xí)者元認(rèn)知能力、問題解決能力、批判性思維、創(chuàng)造性思維等高階能力與思維的發(fā)展.筆者認(rèn)為,深度學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者利用深度學(xué)習(xí)方法來獲得高質(zhì)量學(xué)習(xí)結(jié)果、實(shí)現(xiàn)有意義學(xué)習(xí)的一種高階學(xué)習(xí),綜合而言,深度學(xué)習(xí)突出以學(xué)生為中心,強(qiáng)調(diào)引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí),在路徑上注重促進(jìn)學(xué)生的新舊知識聯(lián)結(jié),強(qiáng)調(diào)信息整合與批判性理解,最終實(shí)現(xiàn)發(fā)展學(xué)生解決現(xiàn)實(shí)問題的能力與高階思維的目的.

2 促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的課堂教學(xué)

隨著教學(xué)改革的縱深推進(jìn),新的教學(xué)理念被教師們所接受,但在實(shí)踐層面仍存在不足.從學(xué)習(xí)目標(biāo)來看,教師往往在教學(xué)內(nèi)容中生套核心素養(yǎng),導(dǎo)致知識與技能目標(biāo)流于淺層;學(xué)習(xí)內(nèi)容方面,仍然沿襲接受記憶、強(qiáng)化訓(xùn)練的指導(dǎo)模式,新知識沒有與原有知識建立聯(lián)系,學(xué)生不能把知識遷移到新情境中去;學(xué)習(xí)方式上,將教學(xué)活動本身作為教學(xué)目的,導(dǎo)致自主、合作與探究變成使學(xué)生機(jī)械地記憶課本上的知識,難以遞進(jìn)式地促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新意識、批判思維和實(shí)踐能力的發(fā)展;從學(xué)習(xí)結(jié)果來看,學(xué)生的思維層次仍處于低階水平,舉一反三的遷移能力和解決實(shí)際問題的能力普遍偏弱.可以看出,一般教學(xué)模式更多為淺層學(xué)習(xí),導(dǎo)致學(xué)生被動學(xué)習(xí),僅停留在“知道和領(lǐng)會”知識的認(rèn)知層面.

為此,有學(xué)者提出基于深度學(xué)習(xí)理論的課堂實(shí)施策略,認(rèn)為深度學(xué)習(xí)需要教師通過確立高階思維發(fā)展的教學(xué)目標(biāo),整合意義聯(lián)結(jié)的學(xué)習(xí)內(nèi)容,創(chuàng)設(shè)促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的真實(shí)情境,選擇持續(xù)關(guān)注的評價方式進(jìn)行積極引導(dǎo).還有學(xué)者認(rèn)為深度學(xué)習(xí)的課堂教學(xué)應(yīng)當(dāng)做好現(xiàn)實(shí)經(jīng)驗(yàn)與知識的相互轉(zhuǎn)化,讓學(xué)生主動活動,幫助學(xué)生通過深度加工把握知識本質(zhì),模擬社會實(shí)踐及引導(dǎo)學(xué)生對知識進(jìn)行價值評價等幾項工作.綜合來看,以深度學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計可有效解決一般教學(xué)模式在學(xué)習(xí)目標(biāo)、內(nèi)容、方式等方面存在的問題.

通過對比淺層學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)理念差異及一般教學(xué)模式與深度學(xué)習(xí)課堂的教學(xué)策略,筆者進(jìn)一步提出基于深度學(xué)習(xí)理論的物理課堂教學(xué)實(shí)踐策略.下面以高中物理“運(yùn)動的合成與分解”部分的教學(xué)為例,針對教材中的陳述性知識,通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境問題,采用問題鏈與思維探究相結(jié)合的教學(xué)方法,鼓勵學(xué)生積極思考,在真實(shí)的問題情境中,積極參與課堂活動,達(dá)到在深度體驗(yàn)中獲取知識、提升能力的目的.

2.1 通過創(chuàng)設(shè)物理情境,引導(dǎo)學(xué)生深入思考

作為一種具有主動性和批判性的學(xué)習(xí)方式,深度學(xué)習(xí)面向真實(shí)問題的解決,要求學(xué)習(xí)者在激活先前知識的基礎(chǔ)上,對于所獲得的新知識進(jìn)行有效深度加工,因此情境創(chuàng)設(shè)需要突出“真實(shí)”與“知識建構(gòu)”.情境創(chuàng)設(shè)要傾向現(xiàn)實(shí)生活場景,初步導(dǎo)出的問題應(yīng)與已有經(jīng)驗(yàn)相關(guān),從而引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入情境并逐步深入思考.

基于以上思考,本文提出問題情境:A、B、C三個芭蕾舞演員分別同時從邊長為L的正三角形的三個頂點(diǎn)A、B、C出發(fā),以相同的速率v0運(yùn)動,運(yùn)動中始終保持A朝著B,B朝著C,C朝著A.

2.2 問題鏈引導(dǎo)思維,注重知識的保持與遷移

為引導(dǎo)學(xué)生快速深入理解問題情境,層次遞進(jìn)地進(jìn)行高階思維,研究采用問題鏈的形式,旨在先調(diào)動學(xué)生積極性,引出學(xué)生原有知識,進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)習(xí)反思與批判理解.在問題鏈的層次遞進(jìn)中,學(xué)生思維層次漸深,解決問題的知識不斷遷移分化,高階能力得到發(fā)展.

問題1A、B、C三個芭蕾舞演員最終會在哪里相遇?

猜想會在等邊三角形中心相遇.

問題2A、B、C三個芭蕾舞演員經(jīng)過多長時間相遇? 有同學(xué)簡單思考后給出了下列方法.

方法1正交分解法

將v0沿三角形的高正交分解得

相遇的時間為

上述解法屬于直接按照猜想的相遇結(jié)果進(jìn)行的推理,教師緊追不舍提出問題.

問題3針對剛才同學(xué)憑借直覺猜想的結(jié)果,是否能用我們目前所學(xué)知識給出嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕獯鹉? 經(jīng)思考后有同學(xué)又提出了一套方案.

方法2相對速度法

由對稱性,每時每刻A、B、C的位置都構(gòu)成等邊三角形,現(xiàn)從相對速度的角度考慮等邊三角形邊長的變化,顯然當(dāng)邊長變?yōu)?時,三個舞蹈演員會匯聚于等邊三角形中心.

如圖1所示,由于瞬時速度都沿當(dāng)前等邊三角形的邊的方向,則A相對B的速度

圖1 A 相對B 的速度

由|vA|＝v0,|vB|＝v0,則由角度關(guān)系得

則邊長減少速率為

則相遇所需時間

在同學(xué)們還在為能求得舞蹈演員相遇時間而興奮時,接著提出另一具有挑戰(zhàn)性的問題.

問題4以演員A為例,能求出她的運(yùn)動軌跡方程嗎?

幾個具有微積分和極坐標(biāo)相關(guān)知識基礎(chǔ)的同學(xué)摩拳擦掌,躍躍欲試.不久,大家提出了以下解決方案.

方法1速度分解法

由于A、B、C三個舞蹈演員的運(yùn)動關(guān)于等邊三角形的中心旋轉(zhuǎn)對稱,每時每刻三者都構(gòu)成等邊三角形,這里只考慮A的運(yùn)動情況即可.將A的速度分解為向中心連線OA的徑向和垂直于中心連線的切向,則速度方向與中心連線的夾角θ＝30°,如圖2所示.

圖2 A 的速度分解

則徑向速度始終為

切向速度始終為

則A與中心O的連線(以下稱為矢徑)OA長度減小的速率即為徑向速度vτ,初始矢徑長度為r0,由幾何關(guān)系,則可以寫出矢徑長度關(guān)于時間的表達(dá)式

當(dāng)r＝0時,三者相遇,此時

角速度為切向速率除以矢徑長度

則

對于時刻t0,相對初始狀態(tài)單個演員的矢徑相對中心O轉(zhuǎn)過的角度

則其運(yùn)動的角度φ和矢徑長度r關(guān)系方程為

還有同學(xué)利用所學(xué)極坐標(biāo)方法給出了另一種解法.

方法2建系微元法

以等邊三角形中心為極點(diǎn)O,初始時刻極點(diǎn)O到舞者A的連線為極軸OP,建立極坐標(biāo)系,如圖3所示.對于開始運(yùn)動后的任意過程,用微元法分析其位置變化規(guī)律,設(shè)時刻t時,三者構(gòu)成△ABC,極徑為r,極角為θ,經(jīng)過一個微元時間dt,A的位置變?yōu)锳′,AA′長度La＝v0dt,時刻變?yōu)閠＋dt,極徑變?yōu)閞＋dr(dr＜0),極角變?yōu)棣龋玠θ,其關(guān)系如圖4所示,dθ極小,則由幾何關(guān)系有

圖3 建立極坐標(biāo)系

圖4 位置變化圖示

整理式○15得

即

整理式○16并將式○18代入得

對式○17左右積分,并代入初始條件r＝r0,t＝0,對于時刻t0有

即

當(dāng)r＝0時,三者相遇,此時

即

同學(xué)們通過不同的理論推導(dǎo)方法,得到了同樣的結(jié)論,看上去已經(jīng)得到了相互的印證,此時再適時引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步通過其他研究方法來證明.

問題5能否從其他角度驗(yàn)證一下同學(xué)們的解法是否正確?

此時,又有同學(xué)提出可以通過模擬繪圖驗(yàn)證結(jié)果是否正確.利用幾何畫板畫圖軟件繪出了三個舞蹈演員的運(yùn)動軌跡(如圖5).圖片一經(jīng)展示,全班同學(xué)都興高采烈,感到收獲滿滿! 不僅學(xué)會了一道基礎(chǔ)的物理問題,還在交流中感受到了深度學(xué)習(xí)的魅力!

圖5 利用模擬繪圖驗(yàn)證運(yùn)動軌跡

3 基于深度學(xué)習(xí)理論的物理課堂教學(xué)實(shí)踐策略

3.1 突出以學(xué)生為中心

深度學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心、以學(xué)習(xí)為導(dǎo)向,既關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過程,也關(guān)注教師的教學(xué)活動.本節(jié)課從典型的物理情境出發(fā),通過問題鏈的次第推進(jìn),探究科學(xué)的結(jié)論;通過設(shè)計教學(xué)和評價活動等來幫助學(xué)生掌握復(fù)雜的知識概念,建構(gòu)個人知識意義,發(fā)展個人理解能力等.

3.2 提倡主動學(xué)習(xí)

本節(jié)課不受常規(guī)的所謂大綱、考綱甚至課時局限,從一開始就設(shè)計了學(xué)習(xí)內(nèi)容“上不封頂”的“一體化”模式:從三個芭蕾舞演員的運(yùn)動情境→猜測演員在中心會聚→計算會聚時間→推導(dǎo)軌跡方程電腦模擬驗(yàn)證.鼓勵有能力的同學(xué)在條件許可的情況下,自學(xué)微積分初步、高等數(shù)學(xué)等知識.從“優(yōu)勢發(fā)展”教育原則的角度來看,在中學(xué)階段這樣的課堂教學(xué)無疑是對拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的有益嘗試.也正是深度學(xué)習(xí)者具有內(nèi)在的學(xué)習(xí)動機(jī)、積極的學(xué)習(xí)態(tài)度和強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)興趣的特征體現(xiàn).

3.3 注重批判理解

本節(jié)課一開始,同學(xué)們還有猜測、疑惑、不堅定或拿不準(zhǔn)等心理狀態(tài).可是隨著大家在理解基礎(chǔ)上批判性地學(xué)習(xí),批判性地看待新知識并深入思考,逐漸加深了對深層知識和復(fù)雜概念的理解,最終達(dá)成對問題的完美解決.

3.4 強(qiáng)調(diào)信息整合

首先,深度學(xué)習(xí)是多渠道信息的整合,學(xué)習(xí)者不僅要接受書本內(nèi)容或教師傳授的知識,更要通過多種途徑來獲取完成學(xué)習(xí)任務(wù)所需的其他知識信息,如極坐標(biāo)、微積分知識.其次,深度學(xué)習(xí)是多學(xué)科信息的整合,如在基于問題的學(xué)習(xí)過程中要應(yīng)用到多門學(xué)科的知識,如電腦模擬舞蹈演員軌跡使得推理得到驗(yàn)證,而不是教師簡單認(rèn)可.再次,深度學(xué)習(xí)是新舊信息的整合,它把新信息與已知概念和原理聯(lián)系起來,整合到原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中,從而引起對新信息的深度理解、長期保持及遷移應(yīng)用.

3.5 促進(jìn)知識建構(gòu)與轉(zhuǎn)化

學(xué)習(xí)者不僅要能從信息的海洋中獲取有用的信息,更要將信息轉(zhuǎn)化為知識,并把新知識與已有知識經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系起來,在已有知識結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上建構(gòu)新知識.本節(jié)課就是一個簡單的生活問題,同學(xué)們利用所學(xué)運(yùn)動的合成與分解、運(yùn)動的相對性等知識,在深度學(xué)習(xí)的經(jīng)歷中,體會了一次從一般到復(fù)雜再到簡單的思維訓(xùn)練過程.實(shí)際上就是通過在新的情境中遷移應(yīng)用所掌握的知識技能,將一般性的知識技能轉(zhuǎn)化為問題解決技能,以獲得高階能力的過程.

3.6 面向問題解決

本節(jié)課設(shè)置了問題鏈,環(huán)環(huán)相扣,使得學(xué)習(xí)者靈活運(yùn)用所學(xué)知識來解決真實(shí)情境中的復(fù)雜問題、創(chuàng)造新知識.“學(xué)以致用”實(shí)現(xiàn)了深度學(xué)習(xí)的目的.

3.7 發(fā)展高階思維

高階思維是發(fā)生在較高認(rèn)知水平層次上的心智活動或較高層次的認(rèn)知能力,在教育目標(biāo)分類中表現(xiàn)為分析、綜合、評價、創(chuàng)造等較高認(rèn)知水平層次的能力.淺層學(xué)習(xí)主要是對知識的簡單描述、記憶或復(fù)制,停留在“知道、理解”等較低的認(rèn)知水平,是一種低級認(rèn)知技能的獲得,涉及簡單記憶、淺表理解、良構(gòu)問題解決等低階思維活動;相反,深度學(xué)習(xí)更注重知識的理解和應(yīng)用,處于“應(yīng)用、分析、評價、創(chuàng)造”等高級的認(rèn)知水平,面向高級認(rèn)知技能的獲得,涉及劣構(gòu)問題解決、元認(rèn)知、批判性思維、創(chuàng)造性思維等高階思維活動.高階思維是實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)的關(guān)鍵,發(fā)展高階思維能力有助于實(shí)現(xiàn)和促進(jìn)深度學(xué)習(xí);同時高階思維又是深度學(xué)習(xí)的核心特征,深度學(xué)習(xí)的實(shí)現(xiàn)有助于提高學(xué)習(xí)者的思維品質(zhì)和學(xué)習(xí)效能.

4 結(jié)束語

在設(shè)計整個物理課堂教學(xué)時,絕不是簡單地提出一個或幾個問題形成所謂的問題鏈就可以了,還必須處理好諸如“游離與沉浸”“淺表與深層”“知識與智慧”的關(guān)系.這只是深度學(xué)習(xí)理論用于高中物理課堂教學(xué)的一個案例,而深度學(xué)習(xí)作為中學(xué)生學(xué)習(xí)物理行之有效的方式,值得我們更進(jìn)一步地研究和實(shí)踐.

(完)