深度學(xué)習(xí)視角下試題情境資源的開發(fā)

摘 要：優(yōu)質(zhì)的情境化試題是教師進(jìn)行習(xí)題教學(xué)的重要素材，但“學(xué)生做題，教師評講”的傳統(tǒng)教學(xué)方式無法充分發(fā)揮情境的育人價值。因此，以深度學(xué)習(xí)的基本特征為依托，以情境化試題為載體，選取“摩擦自鎖”問題中的經(jīng)典試題為案例，嘗試探索高中物理試題中優(yōu)質(zhì)情境資源的開發(fā)和利用模式，借此實(shí)現(xiàn)習(xí)題教學(xué)向問題解決教學(xué)的深層化轉(zhuǎn)變。此工作可供高中物理教師借鑒，為其在全方位促進(jìn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展方面提供思路。

關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí)；情境化試題；習(xí)題教學(xué)；資源開發(fā)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）8-0078-5

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（２０１７年版）》在實(shí)施建議中明確指出：要從培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的視角審視習(xí)題教學(xué)的目的，應(yīng)通過習(xí)題教學(xué)，使學(xué)生在科學(xué)思維、探究能力、實(shí)踐意識、科學(xué)態(tài)度等方面得到有效提升。習(xí)題教學(xué)的作用不僅僅是為了得到答案，而是要全面提高學(xué)生的問題解決能力［１］。因此，如何創(chuàng)新習(xí)題教學(xué)的內(nèi)容、形式和手段以實(shí)現(xiàn)習(xí)題教學(xué)向問題解決教學(xué)的轉(zhuǎn)變，一直以來都是教師們重點(diǎn)關(guān)注的問題。

近年來，以情境或情境活動為載體的各類情境化試題大量涌現(xiàn)，注重考查學(xué)生運(yùn)用必備知識和關(guān)鍵能力去解決實(shí)際問題的能力，成為眾多教師進(jìn)行習(xí)題教學(xué)的素材來源。然而，在日常教學(xué)中，若是將該類試題直接拿來作為習(xí)題使用，且依舊沿用“學(xué)生做題，教師評講”的傳統(tǒng)教學(xué)方式，會導(dǎo)致學(xué)生因?yàn)樗季S跨度過大而無法進(jìn)行知識的有效建構(gòu)，也會造成優(yōu)質(zhì)情境資源的浪費(fèi)，試題的育人功能難以得到充分實(shí)現(xiàn)。因此，本文將以深度學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)，以“摩擦自鎖”問題中的經(jīng)典試題為案例，嘗試探究高中物理試題中優(yōu)質(zhì)情境資源的開發(fā)和利用，為高中物理教師習(xí)題教學(xué)的開展提供一些參考與借鑒。

１ 深度學(xué)習(xí)理論

１．１ 深度學(xué)習(xí)之于習(xí)題教學(xué)的意義

深度學(xué)習(xí)是指“在教師的引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞著具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，全身心積極參與、體驗(yàn)成功、獲得發(fā)展的有意義的學(xué)習(xí)過程”［２］。在這個過程中，學(xué)生掌握學(xué)科的核心知識，理解學(xué)習(xí)的過程，把握學(xué)科的本質(zhì)及思想方法，形成積極的內(nèi)在學(xué)習(xí)動機(jī)、高級的社會性情感、積極的態(tài)度、正確的價值觀［２］。由此可見，深度學(xué)習(xí)與新課標(biāo)對于習(xí)題教學(xué)的實(shí)施建議具有較高的契合度，是形成學(xué)生核心素養(yǎng)的基本途徑，可使學(xué)生在科學(xué)思維、探究能力、實(shí)踐意識及科學(xué)態(tài)度等方面得到有效提升。因此，深度學(xué)習(xí)之于習(xí)題教學(xué)具有一定的借鑒意義和實(shí)施價值。

１．２ 深度學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)情境價值

深度學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)“真實(shí)、具體、富有價值的問題情境是學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要載體，也為學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)提供了真實(shí)的表現(xiàn)機(jī)會”［２］。而情境又是試題的重要載體，也是設(shè)問的具體化實(shí)現(xiàn)。優(yōu)質(zhì)的情境是學(xué)生思維生長的沃土，對于提升學(xué)生的問題解決能力和發(fā)展核心素養(yǎng)有重要價值。因此，在深度學(xué)習(xí)理論的指導(dǎo)下，以開發(fā)和利用優(yōu)質(zhì)試題情境資源為途徑來嘗試實(shí)現(xiàn)習(xí)題教學(xué)的深層化，具備一定的可操作性和現(xiàn)實(shí)意義。

２ “摩擦自鎖”問題

當(dāng)物體的某一物理量滿足一定條件時，無論施以多大的力都不可能讓它與另一個物體間發(fā)生相對運(yùn)動，這種現(xiàn)象在物理學(xué)上稱為“摩擦自鎖”。

高中階段，“摩擦自鎖”現(xiàn)象通常作為一種較為復(fù)雜的問題情境來考查學(xué)生對于“共點(diǎn)力平衡”中臨界問題的把握。受中學(xué)生認(rèn)知水平和知識儲備的限制，該類問題以斜面自鎖和平面自鎖兩種基本形態(tài)展開，其基礎(chǔ)模型如表１所示。而與“摩擦自鎖”問題相關(guān)的試題情境與我們?nèi)粘５纳a(chǎn)生活密切相關(guān)，涉及一些有趣的生活現(xiàn)象和一些較為復(fù)雜的裝置及工具，極具現(xiàn)實(shí)價值和體驗(yàn)感，其對學(xué)生的問題解決能力提出了較高的要求，是非常優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源。因此，為充分發(fā)揮該類問題情境的育人價值，應(yīng)對其進(jìn)行精心開發(fā)和利用。

３ 案例分析與實(shí)施

３．１ 原題呈現(xiàn)及試題評析

小明在觀察如圖１所示的沙子堆積時，發(fā)現(xiàn)沙子會自然堆積成圓錐體，且在不斷堆積的過程中，材料相同的沙子自然堆積成的圓錐體的最大底角都是相同的。小明測出這堆沙子的底部周長為３１．４ m，利用物理知識測得沙子之間的摩擦因數(shù)為０．５，估算出這堆沙子的體積最接近（ ）

Ａ．６０ m3

Ｂ．２００ m3

Ｃ．２５０ m3

Ｄ．５００ m3

分析：本題的問題情境為沙子的自然堆積，是一種有趣的生活現(xiàn)象，其本質(zhì)為斜面的“摩擦自鎖”問題。學(xué)生需對斜面上的沙粒進(jìn)行受力分析，運(yùn)用假設(shè)和推理等思維方法掌握沙子堆積過程的動態(tài)變化規(guī)律及最大底角為定值的成因，求出使沙粒處于臨界靜止?fàn)顟B(tài)（即所受摩擦力達(dá)到最大靜摩擦力）時斜面傾角的正切值，并借助圓錐體的體積公式求解。由此可見，本題的思維跨度較大，對學(xué)生的模型建構(gòu)、科學(xué)推理和論證能力都提出了極高的要求。從教學(xué)的角度來看，若以傳統(tǒng)的講授形式進(jìn)行該題的講評，學(xué)生會因缺乏對沙子堆積過程的動態(tài)體驗(yàn)而難以將該情境與物塊在斜面上的滑落及臨界靜止?fàn)顟B(tài)聯(lián)系起來，對“摩擦自鎖”問題更是缺乏系統(tǒng)且全面的認(rèn)知。同時，該問題情境涉及一種沙子體積的估算方法，這與生產(chǎn)生活關(guān)系緊密，若加以利用可充分實(shí)現(xiàn)試題的育人功能。

３．２ 實(shí)施過程

現(xiàn)基于深度學(xué)習(xí)理論，嘗試對上述案例中的試題情境進(jìn)行開發(fā)和利用。由于深度學(xué)習(xí)以聯(lián)想與結(jié)構(gòu)、活動與體驗(yàn)、本質(zhì)與變式、遷移與應(yīng)用、價值與評價為基本特征，而試題情境已經(jīng)將問題和現(xiàn)象進(jìn)行了初步關(guān)聯(lián)。因此，參考后四個特征并結(jié)合習(xí)題教學(xué)的特點(diǎn)來設(shè)計深度學(xué)習(xí)，具體的實(shí)施步驟如圖２所示。

３．２．１ 活動與體驗(yàn)：親歷試題情境，依托感知體驗(yàn)激發(fā)內(nèi)部動機(jī)

在傳統(tǒng)的習(xí)題教學(xué)模式下，學(xué)生會因?yàn)閷υ撉榫橙狈η猩砀兄w驗(yàn)而將其當(dāng)作既定事實(shí)被動接受，并在教師指導(dǎo)下對其進(jìn)行程序化和規(guī)范化處理，最后以文字和符號的形式給予思維呈現(xiàn)。這將難以激發(fā)學(xué)生的內(nèi)部動機(jī)，更無法凸顯情境在激發(fā)學(xué)生探究興趣上的意義和價值。因此，教師可以通過小組活動的形式讓學(xué)生模擬試題情境，并親身經(jīng)歷該現(xiàn)象的形成過程，從而引發(fā)學(xué)生質(zhì)疑，促進(jìn)問題生成。案例試題所提供的情境貼合生活，完全可以通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行情境再現(xiàn)，其具體操作流程如表２所示。

３．２．２ 本質(zhì)與變式：開展試題深度設(shè)計，依托進(jìn)階性任務(wù)培養(yǎng)高階思維

原題要求學(xué)生依據(jù)所給條件估算沙堆體積，該過程思維跨度較大，學(xué)生無法從中抽象出沙粒與沙堆組成的“斜面自鎖”模型，進(jìn)而難以建立起沙堆底角與沙粒間摩擦因數(shù)之間的關(guān)系，對沙堆體積的估算方法更是一籌莫展。因此，教師可基于先前實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象所引發(fā)的問題，結(jié)合試題自身邏輯，開展試題的深度設(shè)計，通過梯度設(shè)問讓學(xué)生進(jìn)階式地解決問題。同時，該題所涉及的估料方法與生產(chǎn)生活密切相關(guān)，對于物料堆放場地的選擇更是具有現(xiàn)實(shí)意義。因此，可在該題基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)計進(jìn)階性任務(wù)來培養(yǎng)學(xué)生的高階思維和解決實(shí)際問題的能力。具體設(shè)計方案如下：

任務(wù)１：初始階段沙堆底角可持續(xù)增大而不發(fā)生崩塌，但隨著沙子的持續(xù)注入，沙堆在某一瞬間突然發(fā)生崩塌，即大量靜止在沙堆表層的沙粒突然沿斜面自然滑落，試分析整個過程的成因。

學(xué)生活動：

（１）發(fā)掘初始階段沙堆底角持續(xù)增大而不發(fā)生崩塌這一表層現(xiàn)象的深層物理含義，將其轉(zhuǎn)化為“沙粒可持續(xù)停留在沙堆表層而不發(fā)生滑落”這一物理問題進(jìn)行深入思考。

（２）選取沙粒為研究對象，分析其在沙堆表面的受力情況，并采用矢量分解法和假設(shè)法對其沿斜面方向的受力進(jìn)行動態(tài)分析，體會靜摩擦力逐步增大并最終轉(zhuǎn)化為滑動摩擦力的過程。

任務(wù)２：為何沙堆在發(fā)生崩塌后能自動恢復(fù)至靜止?fàn)顟B(tài)，試對該動態(tài)變化過程進(jìn)行分析，并解釋最大底角的成因。

學(xué)生活動：

（１）對沙粒沿斜面滑落所引發(fā)的沙堆底角的變化進(jìn)行推理，運(yùn)用假設(shè)法對表層沙粒在此過程中的受力變化和運(yùn)動變化進(jìn)行分析，體會其由運(yùn)動向靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變的自動“鎖定”過程，深入理解臨界靜止?fàn)顟B(tài)的物理意義。

（２）依據(jù)共點(diǎn)力平衡條件，列出表層沙粒處于自鎖狀態(tài)時沙堆最大底角滿足的表達(dá)式μ=tanφ，理解物料自然堆積形成的圓錐體的最大底角由物料自身的摩擦因數(shù)決定。

任務(wù)３：若已知沙堆底部周長和沙粒間的摩擦因數(shù)，如何估算沙堆體積？

學(xué)生活動：利用沙堆最大底角滿足的表達(dá)式和圓錐體的體積公式進(jìn)行聯(lián)立計算。同時，深入思考和體會該種估料方法的現(xiàn)實(shí)價值。

任務(wù)４：若有一些物料需要自然堆放在地面上，則事先必須估算出其堆放后形成的圓錐體的底面積大小，以便準(zhǔn)備合適的場地，試設(shè)計一種方案來估算物料所占底面積（物料體積已知）。

學(xué)生活動：

（１）借助任務(wù)３中提出的物料體積估算方法，對表達(dá)式V=πr3tanφ進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)化，推導(dǎo)出物料所占底面積公式S=πr2=π（）2/3，建立未知量與已知量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

（２）利用同種物料自然堆積形成的圓錐體底角相同的結(jié)論，用該物料做一個小型模擬實(shí)驗(yàn)，測出最大底角φ，并代入計算。

整體架構(gòu)思路及設(shè)計意圖如圖３所示。其中，任務(wù)１和任務(wù)２要求學(xué)生對沙子自然堆積過程中出現(xiàn)的所有現(xiàn)象和細(xì)節(jié)進(jìn)行合理解釋。這兩個任務(wù)由步驟１中呈現(xiàn)的６個子問題驅(qū)動，旨在幫助學(xué)生建立起對現(xiàn)象本身的認(rèn)知，主要培養(yǎng)以下物理觀念和科學(xué)思維：能以運(yùn)動和相互作用的觀念審視沙粒在沙堆表面累積和自然滑落的現(xiàn)象，能從中抽象出沙粒與沙堆組成的“斜面自鎖”模型，能通過假設(shè)、推理對沙堆的動態(tài)變化過程進(jìn)行全面分析和論證。而任務(wù)３和任務(wù)４分別是原題的設(shè)問和延伸，注重相關(guān)物理原理在生產(chǎn)生活中的實(shí)際應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生用科學(xué)的態(tài)度和眼光來審視和解決現(xiàn)實(shí)問題。

３．２．３ 遷移與應(yīng)用：精選同類試題，依托多元情境促成模型遷移

為加深學(xué)生對“斜面自鎖”模型的理解和臨界最大傾角——摩擦角的認(rèn)知，教師可精選同類試題情境進(jìn)一步促成模型的多元遷移和深度應(yīng)用。除了沙子自然堆積的生活現(xiàn)象，一些結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的裝置和工具也利用了摩擦自鎖原理，比如，汽車維修時常用的螺旋千斤頂（圖４）以及門上的暗鎖（圖５）等。這些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置對學(xué)生的模型建構(gòu)能力提出了更高的要求。以螺旋千斤頂為例，教師可充分利用該情境資源，引導(dǎo)學(xué)生從摩擦自鎖的角度思考該裝置的工作原理，從中抽象出物理模型，推導(dǎo)出能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖的千斤頂，其螺紋與水平面夾角滿足的條件，嘗試解釋向螺紋槽中滴入潤滑油后重物回落的原因。通過接觸同類試題情境，學(xué)生能夠?qū)Α澳Σ磷枣i”問題產(chǎn)生更為全面且系統(tǒng)的認(rèn)識，深入思考并體會該類模型的應(yīng)用價值。同時，豐富多元且貼近生活的情境也能夠徹底激發(fā)學(xué)生的探究興趣和質(zhì)疑創(chuàng)新精神，這將有效促進(jìn)學(xué)生思維能力的提升。

３．２．４ 價值與評價：體會情境價值，依托反思評價發(fā)揮試題育人功能

在經(jīng)歷了活動與體驗(yàn)、本質(zhì)與變式以及遷移與應(yīng)用三個步驟之后，教師需要引導(dǎo)學(xué)生對所有涉及到的問題情境和整個學(xué)習(xí)過程進(jìn)行反思評價，喚醒學(xué)生對于知識背后動機(jī)和問題本質(zhì)的認(rèn)識，將落腳點(diǎn)最終放在發(fā)揮試題的育人功能上。回顧問題情境，人們從物料自然堆積背后的自鎖原理中汲取靈感，提出了簡便的估料方法，還將該原理巧妙融入到了基本裝置和工具的設(shè)計中，給我們的生產(chǎn)生活帶來了便利，這充分體現(xiàn)了科學(xué)、技術(shù)和社會之間的緊密聯(lián)系。回顧整個基于情境的深度學(xué)習(xí)過程，學(xué)生經(jīng)歷了從自然現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)問題、通過推理假設(shè)解釋問題和將物理原理應(yīng)用于生活實(shí)踐幾個階段，這是科學(xué)本質(zhì)，也是科學(xué)研究的一般過程和最終目的，值得深入體會和感悟。

４ 結(jié) 語

縱觀整個試題情境資源的開發(fā)和利用過程，每個階段都指向?qū)W科核心素養(yǎng)的培育和發(fā)展。學(xué)生通過親歷試題情境獲得感知體驗(yàn)，在科學(xué)探究中產(chǎn)生質(zhì)疑并促進(jìn)問題生成，在面對進(jìn)階性任務(wù)時能通過不斷推理、假設(shè)和論證發(fā)掘現(xiàn)象背后的本質(zhì)，螺旋式地解決問題。學(xué)生還能在接觸多元情境的過程中進(jìn)一步體會模型價值，通過反思評價認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)并形成正確的價值觀。但需要注意的是，深度學(xué)習(xí)對學(xué)生的思維能力和認(rèn)知水平有較高的要求。因此，教師需要在學(xué)生已經(jīng)建立基本知識結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上開展該類習(xí)題教學(xué)，以確保達(dá)到最好的教學(xué)效果，并最大程度發(fā)揮情境價值。

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（欄目編輯 賈偉堯）