指向深度學習的高中物理情境教學設計探討

摘 要：課堂教學離不開情境，創設有價值的情境是新課程改革的重要追求。深度學習與情境教學在一定程度上存在契合點，有價值的教學情境不僅能激發學生的深度學習動機，還能讓學生在知識探究的過程中實現深度學習。以人教版高中物理選擇性必修二中的“左手定則”為例，探討指向深度學習的高中物理情境教學設計路徑，為全面提高教學質量提供參考。

關鍵詞：深度學習；情境教學；左手定則

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）11-0030-6

１ 問題提出

當今時代對人才素養的要求已經發生轉變，由關注外在知識層面逐漸轉向關注內在的、縱深的學習過程層面，超越淺表化、形式化的淺層學習，達到“深度學習”［１］。２００５年，黎加厚教授在國內率先進行了深度學習的研究，認為“深度學習是指學生在理解的基礎上，能夠批判性地學習新的思想和事實，并將它們融入到原有的認知結構中，能夠在眾多思想之間建立聯系，從而將已有的知識遷移到新的情境中，作出決策和解決問題。”［２］北師大的郭華教授提出，要在真實情境中讓深度學習真正發生，將整合性、挑戰性的學習單元作為深度學習的教學內容［３］。

以上研究表明，深度學習與情境教學在一定程度上存在契合點。深度學習要依托情境來實現，學生在真實情境中解決有挑戰性的任務并展開深度學習，全面把握知識間的關聯，才能更有力地建構知識結構體系，最終實現對知識的遷移與應用。

在高中物理教學中，“左手定則”較為抽象，因為安培力方向與電流方向、磁場方向緊密聯系且呈現出立體空間關系，學生難以理解。教師可以通過創設多樣化的教學情境［４］，讓學生主動參與、深度體驗“左手定則”的探究過程，從而突破這一教學難點。人教版高中物理教材（２０１９版）通過演示實驗觀察影響安培力方向的因素，然后直接給出“左手定則”。這樣的安排缺少對“左手定則”建構過程的思維演繹，不利于學生科學思維的形成。學生在抽象思維、空間想象等方面的能力還較為薄弱，對安培力方向的影響因素及空間關系缺少感性認識，對“左手定則”的建立過程存在著思維障礙［５］。

２ 教學設計路徑

基于深度學習理論，以“左手定則”為例，提出了高中物理情境教學設計，通過創設包含懸疑魔術情境、多元探究情境、在新異情境中遷移應用、及時反饋與持續評價、課程思政情境五個環節的情境教學路徑來開展教學（圖１）。深度學習需要深度的專注思維和發散思維，教師應在教學中給予學生“自由發揮”的空間，以情境為明線，以深度學習要素為暗線，在情境教學過程中讓學生對知識有全面而深刻的理解，將學習心智發揮到極致，促進高階思維的發展［６］。

３ 教學設計案例分析

３．１ 環節一：創設懸疑魔術情境，激發深度學習動機

教師活動：手機播放音樂，通過提問“手機通常是通過揚聲器播放音樂，那手機里面的音樂能否通過‘卡紙’播放出來呢”，來吸引學生的注意力。

學生活動：思考揚聲器播放音樂的原理，對音樂通過“卡紙”播放產生質疑。

教師活動：如圖2所示，將功率放大器信號pn98DlBvAqsgm1/u7Zu/iA==輸入端與手機接口端相接，信號輸出端與“卡紙”（在卡紙一側緊貼紙面纏繞多圈漆包線）相接，此時手機揚聲器發出的聲音消失。教師對“卡紙”施加魔法，將手中的“魔法石”靠近“卡紙”，手機中的音樂通過“卡紙”播放出來。

學生活動：仔細觀察老師的魔術表演，結合所學知識，嘗試思考“卡紙”發聲所隱藏的物理原理。

教師活動（揭秘魔術）：“卡紙”的背面纏繞了多圈漆包線，其發聲原理是通電漆包線圈在磁場中的振動，引出“通電導線在磁場中會受到力的作用”這一主題。

［設計意圖］ 通過“魔術”引起學生的認知沖突，激發深度學習動機，引入新課主題。

３．２ 環節二：創設多元探究情境，促進學生深度參與學習活動

探究是深度學習的核心要素，教師要有目的地創設多元探究活動情境，設置探究環節，引導學生主動地開展多種探究活動，在探究情境中發現問題、進行猜想、分析推理、建構模型，進而獲得結構化的物理核心知識。

３．２．１ 創設學生游戲情境，在深度體驗中猜想

教師活動：引導學生在游戲情境中尋找影響安培力方向的因素。介紹“旋轉愛心”實驗裝置（如圖3所示，裝置由彎曲的銅絲、紐扣磁鐵以及干電池組成），并告知學生元件組裝的基本思路，將裝置豎直放置于水平桌面上。

學生活動：將器材進行組裝、檢查，使其轉動起來。小組間互相討論、觀察各自“愛心”的轉動情況。通過對比觀察，發現各小組“愛心”的轉動方向不同。

教師活動：讓學生相互討論，仔細觀察實驗裝置，找出影響“愛心”轉動方向的因素。

學生活動：小組間橫向對比器材組成的異同。通過改變干電池的正負極，發現“愛心”的轉動方向不同，從而猜想電流的方向可能影響轉動的方向（圖４）。

學生活動：通過改變磁鐵的南北極，發現“愛心”的轉動方向也不同，從而猜想磁場的方向可能影響轉動的方向（圖５）。

學生活動：根據現象合理猜想，“愛心”轉動的方向可能與電流方向、磁場方向有關。

［設計意圖］ 讓學生在“愛心”轉動游戲中親身體驗，對比分析，發現影響安培力方向的相關因素。

３．２．２ 在實驗探究情境中，完成深度學習任務

實驗探究是學生獲得認識的重要來源。在實驗探究情境中，教師要指導學生完成深度學習任務，傳授學生知識與方法，培養學生動手操作、分析處理信息等能力。

教師活動：介紹自制實驗儀器的構造及原理（圖６）。將電路按照圖６（a）所示方式進行連接，通過電路中的單刀雙擲開關來改變電流方向；將一個漆包線框接入電路并豎直懸吊，其下部置于豎直方向的磁場中且與磁場方向垂直，如圖６（ｂ）所示。

教師活動：結合教具，提出問題“通電線圈是否受到安培力的作用以及安培力的方向如何”“安培力的方向受到電流方向、磁場方向兩個因素影響，應采用何種方法對該猜想進行實驗探究呢”。

學生活動：思考、回答問題。通電線圈左、右偏轉說明受到了安培力的作用。在實驗中應采用控制變量法分別探究電流方向和磁場方向對于安培力方向的影響。

學生活動：在教師引導下小組合作進行探究實驗。

步驟１：保持電流方向不變，改變磁場方向，觀察并記錄安培力方向。

步驟２：保持磁場方向不變，改變電流方向，觀察并記錄安培力方向。

在實驗完成后，將各物理量的方向統一填寫進實驗表格（表１）。（注意：磁場方向為豎直向上或豎直向下；電流方向為垂直于板面向外或向內；安培力方向為水平向左或水平向右）

［設計意圖］ 通過教師主導，學生主動完成深度學習任務，有利于培養學生的實驗探究能力及相互協作、實事求是的科學精神。

３．２．３ 創設分析推理情境，優化深度學習思維

教師活動：引導學生觀察表格中的實驗數據，分析安培力方向、電流方向、磁場方向之間的空間關系。

學生活動：觀察數據，小組討論，嘗試找到安培力方向、電流方向、磁場方向間的空間關系。但表格中的數據較抽象，學生很難找到三者間的空間關系。

教師活動：引導并提示學生化抽象為形象，畫出儀器空間示意圖（圖7）。

學生活動：根據表格中的數據畫出示意圖，直觀地發現，安培力方向既垂直于電流方向，又垂直于磁場方向。

教師活動：進一步引導學生分析，電流方向和磁場方向相交共面，由此推理出安培力方向總是與電流方向和磁場方向所在平面垂直。

［設計意圖］ 化抽象為形象，將抽象的實驗數據轉化為形象的示意圖，優化學生的深度學習思維，鍛煉學生的邏輯思維能力。

３．２．４ 創設物理模型情境，開展深度學習互動

在高中物理教學中，模型建構是訓練學生科學思維能力的重要方式。教師要鼓勵學生開展深度學習互動，尋找和利用生活中易制、易得的物品來構建物理模型，實現安培力、電流、磁場三者空間關系的可視化，突破左手定則建立過程中的思維障礙。

教師活動：提供三通閥和三色箭頭，約定好每種顏色箭頭和安培力、電流、磁場三者方向的對應關系（圖8）。

學生活動：按照示意圖，將彩棒插入三通閥中，首先模擬第一組實驗結果，構建第一個模型，如圖９（ａ）所示。

教師活動：引導學生保持模型的磁場方向（圖中豎直的紫色彩棒）不變，旋轉模型使電流方向（圖中水平的綠色彩棒）反向，如圖９（ｂ）所示。同時提醒學生觀察第二個示意圖與模型的關系。

學生活動：旋轉模型后發現，由第一個示意圖建構起來的模型也可以表示第二個示意圖。繼續旋轉模型，發現該模型也可以表示第三個示意圖，如圖9（c）所示。

教師活動：提醒學生觀察模型，思考模型的特點。

學生活動：討論、交流后發現，同一個模型，旋轉后可以表示不同的實驗結果。

教師活動（提問）：同一個模型通過旋轉，可以表示三種不同情況下安培力、電流和磁場的方向關系（圖１０），這說明了什么？

學生活動：思考、討論得出安培力方向、電流方向和磁場方向之間的空間關系是固定的。

［設計意圖］ 通過師生互動、生生互動，在深度學習互動中構建物理模型，引導學生思考現象之下的深層次物理規律，幫助學生抓住知識關鍵點，挖掘現象背后的規律，形成系統化的科學思維。

３．２．５ 總結與深化，得出左手定則

在分析推理和模型建構的基礎上，進一步引導學生歸納總結實驗現象，得出左手定則。

教師活動（提問）：當確定了電流方向與磁場方向后，可以通過模型判斷出安培力的方向。但如果每次都借助模型來判斷方向將會很不方便，有沒有更簡潔的方法來判斷安培力的方向呢？

學生活動：小組討論、思考，尋找判斷安培力方向的方法。（可能嘗試伸出手指或者通過墻角等來判斷）

教師活動：介紹英國電機工程師弗萊明總結出的安培力方向判斷方法，即用左手來判斷安培力的方向，“左手定則”由此誕生，并結合示意圖講解“左手定則”的具體內容（圖１１）。

學生活動：思考“左手定則”內容，伸出左手判斷實驗表格中的數據是否符合左手定則，以此來論證“左手定則”。

［設計意圖］ 學生通過自主探索得到左手定則，得到發現知識的成就感，并體會到探究的價值，拉近與物理知識的距離，激發后續主動參與探究、構建認知的內驅力［７］。

３．３ 環節三：在新異情境中遷移應用知識，有力落實深度學習

能否遷移應用知識是落實深度學習的重要標志。只有將知識遷移到陌生情境中并加以應用，學生才能清楚是否真正掌握知識；只有應用物理知識來解釋實際現象或解決真實問題，才能暴露、診斷出對物理知識認識的不足或缺陷，以便后期的糾正和完善［８］。

教師活動：變式訓練。應用左手定則判斷圖１２中的電流方向、磁場方向或安培力方向。

學生活動：判斷未標出的物理量方向，討論交流各物理量之間的關系。

［設計意圖］ 通過變式訓練讓學生加深對左手定則的理解，明白在左手定則中電流方向并不一定垂直于磁場方向。

３．４ 環節四：及時反饋與持續評價，收獲深度學習意義

及時反饋與持續評價是引導學生深度反思學習過程并及時調整學習策略、實現深度學習的有效途徑［９］。深度學習要求教師采用恰當、有效的方式，多角度、多手段地對學生實施評價，引導學生積極開展自我評價、互相評價，重視形成性評價在教學中的價值，實時關注學生的學習狀況并及時給予反饋，幫助學生厘清知識脈絡，及時調整學習策略，激發學生的學習內驅力，促進人格的全面發展，最終收獲深度學習意義。

３．５ 環節五：創設課程思政情境，深度理解科技發展

深度學習有利于學生的全面發展，核心素養強調學生的必備品格，情境的創設還應具有教育意義，傳遞正能量。基于此，教師需要充分挖掘課程思政素材，創設課程思政情境，促進學生深度理解科技發展，體現育人價值。

教師活動：通過多媒體或者實物展示安培力在生產生活中的應用，比如，電風扇、新能源汽車、揚聲器以及磁電式電流表等。

教師活動：我國第三艘國產航母福建艦（圖１３），其搭載的電磁彈射器能夠彈射更重的艦載機，使其起飛效率大大提高。福建艦上的電磁彈射器，正是利用了磁場對通電導線的作用力。講述電磁彈射器的關鍵技術難點和我國馬偉明院士團隊對該技術的貢獻。

學生活動：觀察、思考生活中哪些物品利用了安培力的原理，并結合左手定則思考電磁彈射器的原理。感受祖國的發展變化，認識馬偉明院士，并學習馬偉明院士為國家鞠躬盡瘁、無悔奉獻的高尚精神。

［設計意圖］ 體現“從生活走向物理，從物理走向社會”的課程理念，讓學生深度體會物理學與生活的緊密聯系，培養學生的科學態度與責任，感受我國航母電磁彈射技術的跨越式突破，堅定民族自信和愛國情懷。

４ 總結與反思

情境教學應遵循中學生的邏輯思維，符合中學生認知的進階發展。教師為促使深度學習在教學中有效發生，應當充分挖掘和設計能促進思維深度發展的教學內容，營造以學生為主體、教師為主導的課堂教學情境，激發學生的學習內驅力，注重學生的深度參與、深度體驗。

參考文獻：

［１］郭慶，文兵前，舒冬．基于真實情境的科學探究對學生深度學習促進的研究——以“凸透鏡成像規律”的教學改革實踐為例［Ｊ］．物理教學探討，２０２３，４１（１０）：９－１３．

［２］何玲，黎加厚．促進學生深度學習［Ｊ］．現代教學，２００５（５）：２９-30．

［３］郭華．如何理解“深度學習”［Ｊ］．四川師范大學學報（社會科學版），２０２０，４７（１）：８９－９５．

［４］姚壘．指向深度學習的初中物理概念情境教學探討——以“比熱容”教學為例［Ｊ］．物理之友，２０２１，３７（４）：１２－１４．

［５］顏少芬，付麗萍．基于科學思維能力培養的高中物理教學設計——以“安培力的方向”教學片斷為例［Ｊ］．物理教師，２０１９，４０（５）：６－９．

［６］朱依鳳，王健．深度學習視域下的項目式學習的教學設計［Ｊ］．物理教學探討，２０２４，４２（３）：７７－８１，８６．

［７］鄧志文．基于深度學習的高中物理教學活動重構的課例研究——以“磁場對電流的作用左手定則”教學為例［Ｊ］．物理通報，２０２２（７）：６３－７１．

［８］王建峰．物理規律教學中如何開展深度學習——“楞次定律”深度學習設計［Ｊ］．物理教學探討，２０１９，３７（１）：１２－１５，１９．

［９］安富海．促進深度學習的課堂教學策略研究［Ｊ］．課程·教材·教法，２０１４，３４（１１）：５７－６２．

（欄目編輯 鄧 磊）