基于學(xué)科想象促進(jìn)高中物理深度學(xué)習(xí)

摘" "要：學(xué)科想象是提升創(chuàng)造性等高階思維能力的基礎(chǔ)，是學(xué)科學(xué)習(xí)的重要方式。學(xué)科想象與學(xué)科知識、學(xué)科實踐構(gòu)成一個有機(jī)整體。物理學(xué)科想象有助于知識的關(guān)聯(lián)整合、思維的深層進(jìn)階和情感的高度卷入?！盎貧w生活經(jīng)驗，促進(jìn)情境想象”“甄選主要因素，促進(jìn)模型想象”“基于狀態(tài)分析，促進(jìn)過程想象”是指向深度學(xué)習(xí)的高中物理學(xué)科想象教學(xué)的有效策略。

關(guān)鍵詞：學(xué)科想象；深度學(xué)習(xí)；知識整合；高階思維

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A " " 文章編號：1003-6148（2025）2-0006-4

好的教學(xué)應(yīng)該充滿學(xué)科想象，應(yīng)該激發(fā)學(xué)生的學(xué)科想象［１］。然而，一些學(xué)生不能將靜態(tài)、抽象的物理模型或概念動態(tài)化、生活化，不能通過想象“還原”物體的運動過程，從而造成物理學(xué)科學(xué)習(xí)的困難。２０２３年５月《教育部等十八部門關(guān)于加強(qiáng)新時代中小學(xué)科學(xué)教育工作的意見》提出，推進(jìn)基于探究實踐的科學(xué)教育，激發(fā)中小學(xué)生的好奇心、想象力和探求欲。《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（２０１７年版２０２０ 年修訂）》明確指出，科學(xué)研究包含大膽的想象和創(chuàng)新，科學(xué)理論既具有相對穩(wěn)定性，又是不斷發(fā)展的［２］。世界著名想象力教學(xué)研究專家伊根認(rèn)為，想象是促進(jìn)認(rèn)知和理解的工具［３］。郭元祥教授認(rèn)為，學(xué)科想象既是學(xué)生在學(xué)科學(xué)習(xí)中認(rèn)知加工的方式和過程，也是一種學(xué)科教學(xué)方法，還是學(xué)生必備的學(xué)科關(guān)鍵能力表現(xiàn)［４］。教學(xué)中應(yīng)該充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)科想象，在學(xué)科想象中促進(jìn)深度學(xué)習(xí)。那么，什么是物理學(xué)科想象？為什么基于學(xué)科想象可以促進(jìn)高中物理深度學(xué)習(xí)？如何基于學(xué)科想象促進(jìn)高中物理深度學(xué)習(xí)？目前這方面的研究很少。

１" " 物理學(xué)科想象

學(xué)科想象是學(xué)生在學(xué)科學(xué)習(xí)中基于感知理解、思維過程、已有經(jīng)驗和學(xué)科知識的加工而建構(gòu)意義的學(xué)習(xí)活動，是學(xué)科學(xué)習(xí)的重要方式，是基于形象思維建立新的圖像表征并建構(gòu)意象的一種綜合學(xué)習(xí)能力［４］。學(xué)科想象應(yīng)該突出學(xué)科特征，在學(xué)科知識理解過程中發(fā)展學(xué)科想象力。

物理是以實驗與觀察為基礎(chǔ)、以思維為中心的學(xué)科，尤其注重批判性、綜合性和創(chuàng)造性等高階思維能力的發(fā)展。物理學(xué)科想象是增進(jìn)知識理解和培養(yǎng)創(chuàng)造性思維的工具，是學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中基于觀察、實驗、分析、推理、綜合、反思和論證等而建構(gòu)物理意象的過程。物理學(xué)科想象能幫助學(xué)生從物理學(xué)的視角豐富對自然環(huán)境的認(rèn)識，形成關(guān)于自然界的物理圖景，在這個過程中形成物質(zhì)觀、運動與相互作用觀和能量觀等物理觀念，培養(yǎng)模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新等思維能力。物理學(xué)科想象能充實物理知識與個體認(rèn)知間的“間隙”，是學(xué)生從感知學(xué)習(xí)，到概念學(xué)習(xí)，再到意義學(xué)習(xí)的紐帶［５］。

學(xué)科想象不是憑空想象，而是基于學(xué)科知識、學(xué)科經(jīng)驗和學(xué)科體驗，有依據(jù)性和方向性的關(guān)聯(lián)和拓展。學(xué)科想象與學(xué)科知識、學(xué)科實踐活動相互支撐、相互作用，構(gòu)成一個整體，如圖１所示。從低向高進(jìn)階的過程，就是從“淺層學(xué)習(xí)”走向“深度學(xué)習(xí)”的過程，共同促進(jìn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

學(xué)科知識是學(xué)科想象的基礎(chǔ)，同時學(xué)科想象又是獲得學(xué)科知識的方式。學(xué)科想象需要基于已知的事實和證據(jù)展開，同時學(xué)科想象可以拓展對知識的認(rèn)識與理解邊界。例如，伽利略的理想斜面實驗，其在粗糙程度逐漸減小的情況下，依據(jù)小球在斜面上運動越來越高這一事實，想象到如果斜面光滑，其將運動到與斜面等高的地方，并進(jìn)一步想象：如果將斜面放平（假設(shè)足夠長），小球?qū)⒂肋h(yuǎn)運動下去。

學(xué)科實踐是學(xué)科想象的著力點，同時也是落腳點。物理學(xué)科實踐是運用物理學(xué)知識、思想與工具，解決真實情境中問題的過程。學(xué)科實踐能很好地促進(jìn)學(xué)生全身心投入學(xué)習(xí)過程中，更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)科想象，同時學(xué)科想象有助于學(xué)生找到解決問題的思路與方法，更好地進(jìn)行學(xué)科實踐。例如，在楞次定律的實驗研究中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)基于磁場方向和磁通量變化很難找到感應(yīng)電流方向的判斷方法，于是利用“中介”的思想幫助學(xué)生展開想象，找到感應(yīng)電流的磁場這一“中介”，進(jìn)一步進(jìn)行學(xué)科實踐，得出規(guī)律。

２" " 基于學(xué)科想象促進(jìn)高中物理深度學(xué)習(xí)的教學(xué)邏輯

深度學(xué)習(xí)是在教師引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發(fā)展的有意義學(xué)習(xí)過程。深度學(xué)習(xí)突出知識的深度關(guān)聯(lián)、思維的深層結(jié)構(gòu)和情感的高度卷入［６］。

２．１" " 學(xué)科想象有助于知識的關(guān)聯(lián)整合

學(xué)科想象是基于已有知識，對不同知識內(nèi)容的邊界進(jìn)行拓展和關(guān)聯(lián)的過程。想象可以突破現(xiàn)有概念的束縛或?qū)嶒灄l件的限制，實現(xiàn)不同知識的結(jié)構(gòu)化和整合。例如，極光是由太陽發(fā)射的高速帶電粒子受地磁場的影響進(jìn)入兩極附近時，撞擊并激發(fā)高空中的空氣分子和原子引起的，如果在北極地區(qū)發(fā)現(xiàn)正上方空中呈現(xiàn)沿順時針方向運動的弧狀極光，嘗試分析該粒子的電性，對這個問題的解決需要展開空間想象和運動過程想象，有助于整合地磁場和洛倫茲力等相關(guān)知識。

２．２" " 學(xué)科想象有助于思維的深層進(jìn)階

學(xué)科想象能幫助學(xué)生提出多種可能方案，并進(jìn)行推理和論證，有助于突破學(xué)生的思維瓶頸，實現(xiàn)思維的深層進(jìn)階。當(dāng)學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到困難或解決某問題沒有思路時，需要充分引導(dǎo)學(xué)生基于所學(xué)知識與方法，將不同內(nèi)容進(jìn)行自由組合，嘗試尋找解決方法，即通過學(xué)科想象幫助學(xué)生思考更多的可能性，批判性地綜合分析［７］。例如，在安培分子環(huán)流假說教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生對磁化的原因展開充分想象，嘗試提出自己的假說，并進(jìn)行科學(xué)論證。

２．３" " 學(xué)科想象有助于情感的高度卷入

學(xué)科想象過程能充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，喚醒學(xué)生的主體意識。學(xué)科想象是在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生圍繞學(xué)習(xí)主題或需要解決的問題，對物理概念建立、物體受力和物體運動過程發(fā)揮想象，建構(gòu)物理模型，形成關(guān)于問題的圖景，這是學(xué)生主動參與學(xué)習(xí)、提升學(xué)習(xí)積極性的過程，也是發(fā)揮學(xué)生主觀能動性的過程［８］。另外，學(xué)生可以將自己想象的內(nèi)容和思路與其他同學(xué)分享交流，實現(xiàn)思維碰撞和情感共鳴。

３" " 基于學(xué)科想象促進(jìn)高中物理深度學(xué)習(xí)的教學(xué)策略

學(xué)科實踐和學(xué)科想象是支撐物理學(xué)習(xí)的“兩條腿”，從淺層學(xué)習(xí)走向深度學(xué)習(xí)。

３．１" " 回歸生活經(jīng)驗，促進(jìn)情境想象

學(xué)科探索情境，由于與學(xué)生的生活實際有較大差異，導(dǎo)致一些學(xué)生沒法理解情境的內(nèi)容，此時需要回歸學(xué)生的生活背景，激活相關(guān)經(jīng)驗，找到與其相似或相近的具體情境，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行聯(lián)想和類比，獲得感性認(rèn)識。情境是連接公共知識與個人知識的橋梁，理解情境是學(xué)習(xí)和解決問題的基礎(chǔ)。

電勢能的概念比較抽象，傳統(tǒng)的教學(xué)方法是類比重力做功和重力勢能。但是，在類比之前要通過具體的情境幫助學(xué)生理解電場力做功及其特點，然后通過情境想象，與重力做功進(jìn)行類比。另外，類比也只能分析勻強(qiáng)電場中電場力做功的特點和電勢能的變化，如果在非勻強(qiáng)電場中，需要通過情境的想象和拓展，并借助微元法，分析非勻強(qiáng)電場中電場力做功和電勢能的問題。最后，進(jìn)一步拓展到帶電小球在重力場和勻強(qiáng)電場中的運動，建立等效重力場的概念。

具體教學(xué)流程如圖２所示。首先，創(chuàng)設(shè)真實情境：用錫箔紙將一個乒乓球包住，讓其帶上電，將它放在一個水平玻璃板上，然后在小球兩邊放置兩個平行的帶異種電荷的金屬板，小球?qū)⑾蛞粋?cè)的金屬板加速運動。

提出問題：（１）小球由靜止開始加速運動，動能如何變化？（２）什么能轉(zhuǎn)化為動能的呢？（３）從什么角度來研究這個能量？

根據(jù)功是能量轉(zhuǎn)化的量度，從電場力做功的角度研究能量轉(zhuǎn)化比較合適，先放在特殊的勻強(qiáng)電場中進(jìn)行研究，但非勻強(qiáng)電場中是否也有相同的特點呢？需要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行情境想象。在通過類比得到電勢能的概念后，進(jìn)一步將重力加速度ｇ和電場強(qiáng)度Ｅ進(jìn)行類比，進(jìn)行情境擴(kuò)展，建立等效重力場概念。

３．２" " 甄選主要因素，促進(jìn)模型想象

物體實際運動的影響因素比較多，運動過程也比較復(fù)雜，為了研究問題的方便，需要抓住主要因素、忽略次要因素建立物理模型。物理模型比較抽象，首先需要引導(dǎo)學(xué)生想象影響物體的可能因素有哪些；其次，評估哪些因素的影響比較小，可以忽略；最后，根據(jù)主要因素，建構(gòu)物理模型。

在理想變壓器模型的建立過程中，傳統(tǒng)教學(xué)方法是先直接探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系，再理論分析電壓比與匝數(shù)比不相等的原因，建立理想化模型，這個處理方式?jīng)]有抓住核心問題——變壓過程中能量守恒。所以，教學(xué)應(yīng)該直接從探究影響變壓器變壓效率的因素開始，先進(jìn)行猜想，然后層層遞進(jìn)，逐步建立模型，最后從理論上得出變壓規(guī)律，具體邏輯如圖３所示。

理想變壓器的本質(zhì)是變壓過程中能量守恒，因此直接從核心問題開始教學(xué)，并用電壓表和電流表直接的測量值來計算變壓器的工作效率，發(fā)現(xiàn)在使用閉合鐵芯（硅鋼片所制）、銅導(dǎo)線越粗的情況下，效率越高，并且越來越接近１００％。然后進(jìn)行學(xué)科想象：當(dāng)忽略漏磁、鐵損和銅損的情況下，工作效率為１００％，即為理想變壓器。理想變壓器的變壓規(guī)律可以通過模型的演繹與想象得到，最后進(jìn)行實驗驗證。也就是理想變壓器的教學(xué)重點是圖３中的學(xué)科實踐和模型想象，而不是直接探究變壓器原、副線圈電壓與匝數(shù)的關(guān)系。

３．３" " 基于狀態(tài)分析，促進(jìn)過程想象

物理問題的解決往往需要綜合分析物體的受力情況和運動過程，但是很多物理問題首先能確定的往往是某一個時刻或位置的狀態(tài)，這就需要基于物體的受力情況，充分發(fā)揮想象，在兩個不同狀態(tài)之間建立關(guān)聯(lián)，將靜態(tài)的位置轉(zhuǎn)化為動態(tài)的過程，深度理解物體的運動規(guī)律，活化學(xué)生的思維。

問題：質(zhì)量為２ｍ的木板Ｃ靜止在光滑水平面上?，F(xiàn)將速度分別為ｖ０、２ｖ０的木塊Ａ、Ｂ同時放上木板，運動方向如圖４所示，木塊的質(zhì)量均為ｍ，Ａ、Ｂ間的距離為ｄ，木塊與木板之間的動摩擦因數(shù)均為μ，木板足夠長，重力加速度?。?，求：

（１）木塊Ａ在木板Ｃ上的滑行時間ｔ；

（２）木塊Ａ、Ｂ運動過程中摩擦產(chǎn)生的總熱量Ｑ；

（３）運動過程中木塊Ａ和木塊Ｂ間的最大距離Ｌ。

這是一個較為復(fù)雜的物理模型，主要涉及三個物體，運動過程比較多，解決方法要用到牛頓運動定律、動量守恒和能量守恒等，對于此類問題，需要充分發(fā)揮學(xué)生的過程想象，將眼前的“靜態(tài)”能轉(zhuǎn)化為“動態(tài)”過程，從而找到運動過程中的關(guān)鍵狀態(tài)，解決問題。

本問題的邏輯分析過程如圖５所示。

解決本問題的關(guān)鍵是分析三個物體在最終都達(dá)到共速前各自的運動過程。

第（１）問，在受力分析的基礎(chǔ)上，用動力學(xué)知識解決。

第（２）問，可以用動量守恒和能量守恒解決。

第（３）問，在前一問的基礎(chǔ)上，結(jié)合運動過程得出距離關(guān)系，具體解決過程這里不再贅述。

另外，在人工智能的背景下，可以將ＡＲ、虛擬實驗、ＣｈａｔＧＰＴ等先進(jìn)技術(shù)引入物理教學(xué)，幫助學(xué)生突破認(rèn)識瓶頸，激發(fā)深層想象，促進(jìn)模型建構(gòu)和知識本質(zhì)理解。學(xué)科想象不是沒有證據(jù)的胡思亂想，而是基于一定知識、經(jīng)驗和原理的合理聯(lián)想和頓悟，是對當(dāng)下條件和狀態(tài)的發(fā)散性思考與合理化拓展。學(xué)科想象的內(nèi)容和特點因?qū)W科而異，物理學(xué)科想象是在學(xué)科實踐、學(xué)科知識的基礎(chǔ)上，對物理情境、物理模型和物理過程的擴(kuò)展與重構(gòu)，有助于豐富學(xué)生對物理學(xué)科本質(zhì)的認(rèn)識，提升批判性、創(chuàng)造性等高階思維能力。

參考文獻(xiàn)：

［１］羅祖兵．教學(xué)應(yīng)充滿學(xué)科想象［Ｊ］．湖北教育（教育教學(xué)），２０２０（１１）：１．

［２］中華人民共和國教育部．普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（２０１７年版２０２０年修訂）［Ｓ］.北京：人民教育出版社，２０２０.

［３］李新，郭元祥，容翠，等．知識、想象力與深度學(xué)習(xí)——與吉莉安·賈德森教授關(guān)于基蘭·伊根的研究的對話［Ｊ］．華東師范大學(xué)學(xué)報（教育科學(xué)版），２０２４，４２（６）：１２５－１３６．

［４］郭元祥，李新．遇見與預(yù)見：學(xué)科想象的生成及想象教學(xué)［Ｊ］．教育研究，２０２１，４２（９）：３９－４９．

［５］邱麗．?dāng)?shù)學(xué)學(xué)科想象的內(nèi)涵、價值與生成策略［Ｊ］．教學(xué)與管理，２０２３（１８）：９２－９６．

［６］郭華．深度學(xué)習(xí)及其意義［Ｊ］．課程·教材·教法，２０１６，３６（１１）：２５－３２．

［７］胡揚洋．我國“學(xué)科能力”研究的新觀念［Ｊ］．教育導(dǎo)刊（上半月），２０１７（２）：１０－１３.

［８］胡革新．讓學(xué)生與知識真切相遇：“深度教學(xué)”的校本實踐［Ｊ］．中小學(xué)管理，２０２１（７）：２０－２２．

（欄目編輯" " 趙保鋼）