遵循教學重演 實施深度教學

基金項目：本文系安徽省教育科學研究項目“高中物理深度學習教學模式設計的實踐研究”（課題編號：JK20033）的成果之一。

摘" 要：在課堂教學中為促進學生深度學習，綜合運用有效的教學策略、途徑和手段的課堂組織形式就是深度教學。而“啟發式”經驗規則的存在可以為實施深度教學指明方向，教學重演則為實施深度教學提供了一種有效方法。因此，本文具體探討了遵循教學重演實施的深度教學過程，并以“電磁波的發現及應用”為例進行教學分析。

關鍵詞：深度學習；深度教學；教學重演；“啟發式”經驗規則

1" 引言

當前，多數學者和中學教師初步達成共識，在課堂教學中促進物理學科“深度學習”是落實物理學科核心素養培養的重要途徑。縱觀國內外相關研究可以發現，深度學習概念屬于一種質性描述，很難統一。其中，大衛·庫伯（David Kolb）將深度學習界定為“充分地整合了經驗學習環模式中的體驗、反思、歸納、應用等四個環節的一種學習”。［1］此種說法獨辟蹊徑，可操作性強，符合本文對深度學習概念的界定。而在課堂教學中為促進學生深度學習，綜合運用有效的教學策略、途徑或手段的課堂組織形式就是深度教學。

筆者研究發現，促進學生深度學習存在若干“啟發式”經驗規則，如“運用實踐體驗促進學生的深度學習”“運用有效反饋促進學生的深度學習”“運用歸納類比促進學生的深度學習”“運用問題驅動促進學生的深度學習”等。［2］這些規則可以為實施深度教學指明方向。當然，針對不同的內容、不同的課型，實施深度教學的方法也是不同的。其中，教學重演就是實施深度教學的一種有效方法。

物理教學中的教學重演可以理解為在物理教學活動中，以濃縮的方式讓學生短暫而迅速地重演人類思想認識發展中那些最關鍵的步子，［3］從而讓學生去親歷物理知識的形成過程，領悟物理思維的沉淀過程，感受科學精神的傳承過程。與此對應，教學重演的實施策略可以分為三個維度：①重演物理知識的形成過程；②重演物理思維的沉淀過程；③重演科學精神的傳承過程。［4］無論采取何種策略，遵循教學重演實施深度教學的核心始終是正確選定并合理設置“最關鍵的步子”。

下面以人教版高中物理必修第三冊第十三章中的第4節“電磁波的發現及應用”的教學為例進行教學分析。

2" 兩個基本分析

2.1" 教材分析

本節包括兩部分內容，即電磁波發現的歷史概況，電磁波譜及其在科技和社會信息化方面的應用。［5］通過本章前3節的學習，學生已經知道電磁現象是相互聯系的，在此基礎上，本節介紹了以電磁學規律為基礎的麥克斯韋電磁場理論，以及它的推論——電磁波的存在。本節的設置能夠讓課程中關于電磁學的知識體系更完備，學生學起來也具有連續性。

2.2" 學情分析

學生通過初中物理的學習，初步認識到“變化的電流能產生電磁波”。通過電磁感應現象的學習，學生對電和磁之間的緊密聯系已經有一定程度的認識。由于教材設置的原因，學生對于“波”這一概念還比較陌生，不過由于在生活中已經對機械波有一定的感性認識，所以教學中可與機械波類比，幫助學生理解電磁波的特性。為促進學生的深度學習，可以多展示一些相關的情境或圖片，讓學生換位思考，積極討論，重演電磁場理論建立的主要過程，發揮“電磁波的發現”這段物理學史的教育功能。

3" 具體教學過程

3.1" 創設引發學生深度思考的學習情境

情境1" 取一個線圈，該線圈與一個小燈泡串聯在一起，先將變壓器的原線圈接交流電源，再將小燈泡放入鐵芯中，發現小燈泡發光（如圖1所示）。

問題：①通有交變電流的線圈產生的磁場有什么特點？②小燈泡發光的原因是什么？③線圈產生的磁場與引起感應電流的電場之間可能有什么關系？

設計意圖：依據“啟發式”經驗規則中的“運用實踐體驗促進學生的深度學習”和“運用問題驅動促進學生的深度學習”，精心設計該環節。通過上面的任務情境及相關問題，一方面使學生生成對變化的磁場產生電場的認識，讓學生切身體驗當穿過閉合線圈的磁場隨時間變化時，線圈中就會產生感應電動勢，使燈泡發光；另一方面創設出吸引學生注意力的任務情境，拓展學生的思維空間，促進學生深度學習。

3.2" 重演物理知識的形成過程

情境2" 在電磁波的發現歷程上，很多物理學家，如庫侖、奧斯特、安培、法拉第（如圖2所示）都做出了貢獻。

庫侖（1736-1806）

奧斯特（1777-1851）

安培（1775-1836）

法拉第（1791-1867）

問題：①法國物理學家庫侖做出了怎樣的貢獻？②丹麥物理學家奧斯特做出了怎樣的貢獻？③法國物理學家安培做出了怎樣的貢獻？④英國物理學家法拉第做出了怎樣的貢獻？

設計意圖：依據“啟發式”經驗規則中的“運用有效反饋促進學生的深度學習”設計該環節。通過簡要回顧教科書中出現的物理學巨匠對電磁學的主要貢獻，厘清麥克斯韋電磁場理論發展的主要脈絡。學生分別對照物理學巨匠的照片，嘗試說出

各位物理學家對電磁學的主要貢獻，從而建立新舊知識之間的聯系。

情境3" 在庫侖、奧斯特、安培、法拉第等人的基礎上，麥克斯韋嘗試建立統一的電磁理論體系，他的研究從分析電磁感應現象開始（如圖3所示）。

問題：①線圈中產生感應電動勢說明了什么？②如果用不導電的塑料線繞制線圈，線圈中還會有電場嗎？還會有電流嗎？③如果線圈不存在時，線圈原來所處的空間還存在電場嗎？

設計意圖：通過對引入環節任務情境中“磁生電”現象的深入分析，自然得出麥克斯韋建立電磁場理論的第一個假設——變化的磁場產生電場。

情境4" 麥克斯韋認為變化的磁場產生電場，其示意圖如圖4所示。

問題：為什么這種感應電場的電場線是閉合的？

設計意圖：通過對感應電場的電場線的分析，促進學生對渦旋電場的深度理解。與靜電場的情況不同，在感應電場中，沒有電荷作為電場線的起點或終點，所以它的電場線就應該是無始無終像水的旋渦一樣的閉合曲線。麥克斯韋稱之為渦旋電場。

情境5" 麥克斯韋堅信電與磁是對稱統一的，電磁世界應該是一幅和諧統一的畫面。

問題：如果電與磁是對稱統一的，那么變化的電場能不能在空間產生磁場？

設計意圖：依據“啟發式”經驗規則中的“運用歸納類比促進學生的深度學習”設計此環節。麥克斯韋從自己的電磁觀念出發，通過類比推理提出第二個假設——變化的電場也相當于一種電流（位移電流），也能在空間產生磁場，即變化的電場產生磁場（如圖5所示）。

情境6" 麥克斯韋認為變化的電場和變化的磁場總是相互聯系的，它們共同形成一個不可分割的統一體，這就是電磁場（如圖6所示）。

問題：①什么是電磁場？②怎樣正確理解電磁場？

設計意圖：讓學生充分討論交流，總結電磁場的概念，并形成對電磁場的正確認識。它既不是電場，也不是磁場，更不是電場和磁場的簡單疊加，而是電場和磁場相互激發、相互依賴形成的不可分割的整體。

3.3" 重演物理思維的沉淀過程

情境7" 在電磁場概念的基礎上，麥克斯韋認為變化的電場和變化的磁場交替產生，由近及遠地向周圍傳播（如圖7所示）。

問題：電磁波形成的邏輯推理過程是怎樣的？

設計意圖：通過分析電磁波形成的過程，幫助學生體驗麥克斯韋作出第一個理論預言“空間可能存在電磁波”的主要思維過程：變化的電場→變化的磁場→（新的）變化的電場→（新的）變化的磁場→……如此不斷重復，一個偉大的預言誕生了——空間可能存在電磁波。

情境8" 麥克斯韋認為電磁波中的電場和磁場互相垂直，電磁波沿與二者均垂直的方向傳播，所以電磁波是橫波（如圖8所示）。

問題：①電磁波的傳播需要介質嗎？②電磁波的傳播速度是多大？③麥克斯韋是怎樣做出“光是一種電磁波”的預言的？

設計意圖：通過介紹麥克斯韋的理論研究成果，幫助學生形成正確的物理觀念——電磁波是橫波，電磁波的傳播不需要介質。同時體驗麥克斯韋做出第二個理論預言“光是一種電磁波”的主要思維過程：與機械波相類比，他推算出電磁波在真空中的傳播速度非常接近光速，于是大膽預言光是以波動形式傳播的一種電磁振動

，即光是一種電磁波。

情境9" 德國物理學家赫茲用自己首創的科學實驗證實了麥克斯韋的電磁場理論，把麥克斯韋的理論預言變成世人公認的真理（如圖9所示）。

問題：①赫茲的捕捉電磁波實驗的實驗原理是什么？②赫茲的實驗裝置是怎樣設計的？③如何用實驗裝置在教室里捕捉電磁波？

設計意圖：通過介紹赫茲的實驗研究成果，讓學生感悟實驗證實在科學發現中的重要作用和意義，重點學習如何用實驗裝置在教室里捕捉電磁波的探究思維過程：赫茲實驗演示器分為A、B兩個部分——A部分通過導線和高壓電感應圈相連，這是產生電磁波的部分；B部分中有兩個距離可以調節的金屬球，將氖泡卡在兩球之間連成通路，這是接收電磁波的部分。如果周圍空間存在電磁波，就會激發氖泡，使其發出紅光，實驗裝置如圖10所示。

圖10" 在教室里捕捉電磁波的實驗裝置圖

3.4" 重演科學精神的傳承過程

情境10" 麥克斯韋被后人尊為“電磁場理論之父”，是可以媲美牛頓的偉大物理學家，麥克斯韋方程組實現了電、磁、光三種運動形式的統一（如圖11所示）。

圖11" 麥克斯韋方程組

問題：①簡要回顧麥克斯韋建立電磁場理論的過程，說一說他主要用到了哪些物理思想和方法？②為什么像麥克斯韋、愛因斯坦這樣具有創新精神的科學家，都顯示出數學、詩歌和音樂等方面特殊的才能呢？

設計意圖：通過綜合分析麥克斯韋提出兩個假設和兩個理論預言的主要過程，幫助學生歸納總結麥克斯韋建立電磁場理論過程中用到的核心物理思想和方法。重點引導學生從以下三個方面討論：①假設法（渦旋電場假設和位移電流假設）；②類比法（與機械波的類比）；③對稱統一思想（麥克斯韋方程組的對稱性和統一性）。

科學發展的關鍵在于創新，科學家要具有強烈的創新精神，這是從事科學研究必不可少的一種精神。數學、物理等自然科學的重大創新性發現，僅僅靠嚴密的邏輯思維是不可能取得的；而詩歌、音樂等活動可以激發豐富的想象力，科學大師們正是因為有了詩人、音樂家般的想象力，才能不斷開拓新的領域。

4" 教學案例反思

4.1" 物理學史是教學重演的有益素材

高中物理新教材為了落實物理學科核心素養的要求，特別是落實“物理觀念”和“科學態度與責任”的要求，大量引進物理學史的相關內容。事實上，很多物理概念和規律的形成都離不開特定的歷史條件。再現這些物理概念和規律建立的主要歷史進程，有助于學生逐步形成正確的物理觀念和務實的科學態度。物理學史對中學物理教學的這一特點決定了它可以作為教學重演的有益素材。

4.2" 已有知識是教學重演的前提條件

奧蘇貝爾的有意義學習理論明確指出，有意義學習的過程就是學習者認知結構中“已有知識”同化吸收要學習的新知識的過程。選擇合適的物理學史內容作為教學重演的素材，解決了學習材料本身需要具有意義（外部條件）的問題；而進行教材分析和學情分析，并引導學生復習回顧相關的物理知識，則是為了解決學習者必須具備“已有知識”（內部條件）的問題，從而為教學重演創造必要的前提條件。

4.3" 三維策略是教學重演的重要保障

教學重演的實施策略可以分為三個維度：①重演物理知識的形成過程；②重演物理思維的沉淀過程；③重演科學精神的傳承過程。這三個維度的劃分僅僅是為了操作上的方便，實際上它們是融合在物理教學活動之中的，很難明確區分。與此對應，它們分別解決的是學生通過學習后應該達成的必備知識、關鍵能力和正確價值觀的問題，整合在一起也就是發展學生科學素養的問題。三維策略不僅能使學生在教學重演中掌握物理知識，還能使學生領悟物理思維，汲取物理學家的科學精神，從而全面提升學生的科學素養。

4.4" 教學重演的核心是“最關鍵的步子”

重演不是重復，重演是讓學生重歷人類思想認識發展中那些“最關鍵的步子”，而不是機械地讓學生重蹈人類思想認識發展中曾經犯過的那些錯誤。在物理教學中僅僅讓學生理解物理知識本身是遠遠不夠的，

更重要的是使學生領悟探索物理知識背后所蘊含的思想方法和所體現的科學精神。因此，教師應積極引導學生重演物理學家探索知識的主要歷史進程，親歷物理知識的形成過程，領悟物理思維的沉淀過程，感受科學精神的傳承過程，從而有力促進學生的深度學習。

5" 結語

教學重演為實施深度教學提供了一種有效方法，期望更多的物理教師能推廣應用這種教學方法，不斷開發更多更好的教學案例，使教學重演煥發出更加旺盛的生命力。

參考文獻

［1］吳秀娟，張浩，倪廠清. 基于反思的深度學習：內涵與過程［J］. 電化教育研究，2014（12）：23-28.

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