指向深度學習的高中物理U型教學探究
——以《機械能守恒定律》新授課為例

于方超|廣東省佛山市順德區倫教中學

學科核心素養是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習逐步形成的正確價值觀、必備品格和關鍵能力。核心素養的培育不可能一蹴而就，不僅需要較長的時間，也需要有效的教學策略，而指向深度學習的高中物理U型教學即是一種有效策略。

一、深度學習和U型過程的內涵

（一）深度學習的內涵

深度學習是對學習狀態的質性描述，涉及學習的投入程度、思維層次和認知體驗等層面，強調對知識本質的理解及對學習內容的批判性吸收與利用，追求有效的學習遷移和真實問題的解決，屬于以高階思維為主要認知活動的高投入、有意義的學習。

（二）U型過程的內涵

杜威認為知識不能直接進行傳授，知識的學習需要經歷一個復雜的過程，即還原與下沉、體驗與探究、反思與上浮的過程，這一過程恰似“U 型”［1］。學生首先要將書本知識還原與稀釋，還原的過程即知識的“下沉”過程。U型的底部是指學生對知識進行體驗、對話和探究的過程。最后是反思性思維的過程，即經過元認知過程，將符號知識進行升華，實現公共知識的個人意義達成［2］。

二、U型過程促進深度學習的分析

筆者認為，深度學習的發生是通過投入新情感、關聯新知識、激活新思維、生成新意義和遷移新情境實現的，而U型過程正好適合深度學習真實發生的需要。投入新情感是學生真實學習的認知發生過程，關聯新知識、激活新思維、生成新意義是學生自我建構歸納的過程，遷移新情境是學生將內化的結果外顯演繹的過程。U 型過程的三個環節是促進深度學習五個目標達成的有效路徑。

三、指向深度學習的高中物理U型教學策略

通過分析U 型過程和深度學習的內在聯系，筆者提煉出指向深度學習的高中物理U型教學策略：以大情境為基，促進還原與下沉，投入新情感；以大問題為鏈，促進體驗與探究，關聯新知識、激活新思維、生成新意義；以大反思為本，促進反思與上浮，遷移新情境。指向深度學習的高中物理U型教學框架如圖1所示。

圖1 指向深度學習的高中物理U型教學框架

下面，筆者以人教版普通高中教科書《物理》必修第二冊第八章第四節《機械能守恒定律》新授課為例，對U 型過程促進深度學習的教學策略進行探討，共分三個步驟。

（一）U型過程促進深度學習第一步

1.以情境為基，突出高考評價體系的考查載體

高考評價體系最重要的創新之一，即通過“四層”（基礎層、應用層、創新層、拓展層）考查內容將學科能力考查和思想道德滲透有機結合，利用“學科素養”這一關鍵點實現融合知識、能力、價值的綜合測評，從而使立德樹人真正在高考評價實踐中落地。情境正是實現“價值引領、素養導向、能力為重、知識為基”綜合考查的載體。高考評價體系中的“情境”即“問題情境”，指的是真實的問題背景，是以問題或任務為中心構成的活動場域。

2.設置大情境，投入新情感

教師將生活中相互關聯的充滿趣味的多個小情境進行提煉，通過圖文等形式呈現出來即可形成大情境，大情境應注意體現應用性、綜合性、關聯性、開放性等特點。這種情境容易抓住學生的眼球，激發學生參與和探究的熱情，使學生迅速“入戲”，從而為深度學習的真實發生奠定基礎。

在《機械能守恒定律》新授課中，筆者設置鐵球大擺錘情境，鼓勵學生積極觀察、猜想、體驗。

【教學片段1】

師：（讓一個學生上來演示實驗）把一個懸掛的鐵球貼著自己的鼻尖由靜止向前釋放，當鐵球擺回來的時候，能否碰到一動不動的自己？為什么？其他學生觀察鐵球的運動并思考。

［生］觀察實驗現象，鐵球來回擺動，第一次返回時剛好貼近學生的鼻尖。

設計意圖：這個情境充滿驚險的挑戰，可以迅速激發學生探究的熱情，引發多角度猜測和認知沖突，這就啟動了深度學習的第一步“投入新情感”。同時，情境的挑戰性能快速有效地使學生進入U 型過程的第一個環節“還原與下沉”。

3.以大情境為基，促進下沉與還原，多角度關聯知識

通過設置大情境，從不同角度將物理知識關聯，不斷激發學生切入情境的熱情以及探究欲望，讓學生從生活情境中“下沉”到物理問題，從解決問題中“還原”物理模型。這是通過U 型過程達成深度學習的第一步。該階段大情境與知識框架如圖2所示。

圖2 大情境與知識框架

【教學片段2】

師：在觀察中可以發現，鐵球擺動的最高位置幾乎不變，說明這個過程中存在什么守恒量呢？你能從能量相互轉化的角度分析問題嗎？請試著從不同角度將情境鏈接到不同的知識，從生活情境中提出我們要研究的物理問題。

生1：分析該過程的機械能變化，動能和重力勢能相互轉化，機械能總量保持不變，得出機械能守恒定律。（角度1）

生2：繩子足夠長，繩子質量不計時，該情境又可以變身為單擺模型，分析受力情況，研究簡諧運動。（角度2）

生3：分析鐵球的運動，短時間內總是擺到差不多高度，相比伽利略的斜面實驗，此情境更容易得出牛頓第一定律。（角度3）

師：如果時間足夠長，鐵球擺動越來越低，最后停止，那角度1 的機械能守恒嗎？為什么？（有效引發學生的認知沖突，給學生時間讓其認真思考）

生4：前提是忽略空氣阻力，機械能才守恒。（角度4）

設計意圖：基于大情境，學生從觀察或者體驗的角度，透過情境的表面現象，關聯以往的認知，多角度提出和關聯新的探索性問題或者結論，從而實現從情境下沉到問題以及從還原模型到解決問題的轉變。大情境可以引發學生的發散性思考，并由情境演變為要研究的物理問題，由問題關聯形成結構化的知識網絡，從而促進關鍵能力的培養。

（二）U型過程促進深度學習第二步

1.以問題為鏈，培養學生解決問題的關鍵能力

關鍵能力指進入高等學校的學習者在面對與學科相關的生活實踐或問題情境時，為有效地認識問題、分析問題、解決問題而必須具備的能力，它主要有三個方面：知識獲取能力群、實踐操作能力群和思維認知能力群［3］。高考評價體系將這三個方面關鍵能力發展水平的測評作為主要考查內容，以區分學生綜合能力水平，引導基礎教育培養學生的關鍵能力。因此，基于學科素養導向，承接學科素養要求，結合學生認知發展實際，筆者以問題鏈為抓手，培養學生這三個方面的關鍵能力。

2.以大問題為鏈，促進體驗與探究，關聯新知識、激活新思維、生成新意義

大問題是聚焦于核心大概念、超越知識本身，對某一主題知識展開深度理解，激發知識間的關聯的綜合性問題。大問題可以拆解為多個小問題，每個小問題均須設置具體情境，以便讓學生在情境中體驗與探究，并通過破解小問題，最終解決大問題。最主要的是在體驗與探究的過程中，學生需要對知識間的多點結構進行深度聯結，從而提升思維的進階水平，這對最終培養學生高通路遷移解決生活中的真實問題有重大意義。這是通過U 型過程達成深度學習的第二步。該階段大問題、知識結構與思維框架如圖3所示。

圖3 大問題、知識結構與思維框架

基于真實情境的物理問題的解決過程，總是不斷通過觀察、猜想、實驗才得出結論的，在這個不斷證偽的過程中，反復出現的問題就是大問題。在《機械能守恒定律》新授課中，筆者鼓勵學生大膽猜想“系統內動能、重力勢能、彈性勢能三種能量相互轉化的過程中，機械能總量可能保持不變”，然后將猜想逐級變成要研究的大問題。學生需要通過實驗的方式進行探究、檢驗。那么，如何設計方案檢驗呢？

【教學片段3】

［教師活動］將大問題分解為若干個子問題：“實驗需要設計什么樣的具有可行性的方案？實驗需要測量哪些物理量？實驗需要用到哪些儀器？它們分別能測什么物理量？實驗需要設計哪些必要的步驟？等等。”以此引導學生鏈接已學過的自由落體運動并借助打點計時器來進行實驗探究。同時給出實驗裝置圖，展示實驗目的“利用重物的自由下落驗證機械能守恒定律”，提供實驗器材，如鐵架臺（含鐵夾）、電磁打點計時器、刻度尺、重物、紙帶、電源等。

［學生活動］依照實驗裝置安裝器材，先接通打點計時器的電源，待電源穩定后，使重物自由下落，用紙帶記錄重物下落的點跡，重復實驗3～5次，從中選出一條點跡清晰的紙帶，進行數據處理并驗證。

設計意圖：通過實驗情境的猜想，以大問題為鏈，將大問題分解為多個子問題，關聯多個知識模塊，形成知識結構網絡，使學生在解決問題中不斷激活新思維。通過思維進階形成思維網絡，學生在解決實際問題的過程中就能生成物理觀念的新意義。

（三）U型過程促進深度學習第三步

1.以反思為本，有效提升“教—學—評”一體化水平

在經歷一系列探究之后，師生都需要對教與學進行反思。對教師而言，反思能促進教學過程、環節、細節的改進，提升教學質量水平；對學生而言，反思能有效提升科學思維能力，形成物理觀念，在真實的情境中解決問題，實現真正的遷移。因此，以反思為本，能明顯提升“教—學—評”一體化水平。

2.以大反思為本，促進反思與上浮，遷移新情境

大反思指師生對教與學目標達成情況進行的反饋與思考，是提升教與學評價的一種策略。以學為例，學生在體驗與探究之后，以小組的形式進行回顧與反思。通過多角度的反思，學生可厘清各個知識結構的內在邏輯關聯，在理解知識的基礎上形成物理觀念，并謀求在解決真實問題的過程中高通路遷移。這是通過U型過程達成深度學習的第三步。該階段大反思、物理觀念與實際問題框架如圖4所示。

圖4 大反思、物理觀念與實際問題框架

在《機械能守恒定律》新授課中，筆者引導學生對機械能守恒定律的探究過程進行深度反思，通過對問題的逐步分析，得到機械能守恒的條件，理解“系統內”等難題。

【教學片段4】

師：如果物體除了受到重力外，還受到其他不能忽略的力，機械能是否守恒呢？如果不守恒，機械能如何變化呢？

生：機械能守恒的條件為系統內僅有重力和彈簧彈力做功。如果系統以外的力做負功，系統機械能減少；如果系統以外的力做正功，系統機械能增加。

師：如何理解“系統內”呢？（待學生思考作答后給出小結）我們通常說的“物體做自由落體運動時機械能守恒”是不嚴謹的，重力勢能的建立是基于地球重力，沒有地球，重力勢能就沒有意義，所以這里的“系統內”應該是指物體和地球之間。

［師生活動］教師設置生活中學生經常玩的一個游戲，讓學生解決實際問題。教師解說游戲：取一支按壓式圓珠筆，將筆的按壓式小帽朝下按在桌面上，放手后筆將上升一定高度。然后，教師要求學生設計實驗方案并動手實踐，估算按壓時圓珠筆內部彈簧的彈性勢能增加了多少。待學生反思后再追問：“實際過程中，筆的機械能是否守恒？為什么？”學生思考后給出答案：不守恒，原因是有空氣阻力及筆帽和內芯的完全非彈性碰撞等。

設計意圖：通過問題鏈的形式進行驅動，使學生對核心概念的邊界條件進行深度反思。該環節以大反思為本，立足學生的最近發展區，通過問題進階的方式，一步步提升學生的物理觀念，并在解決生活中真實的物理情境問題中，進一步提升學生的遷移能力。

綜上，筆者通過分析U型過程和深度學習的內在聯系，探討應用U型過程達成深度學習的策略，旨在為一線教師提供教學參考，共同提升教學質量。筆者認為，課堂教學要通過好的情境素材把核心素養和課程內容進行深度關聯，形成學習內容、學習活動、過程性評價相統一的實踐性學習過程［4］。在今后的教學中，筆者仍將努力探索并實踐，愿與大家共勉。