基于U型過程促進深度學習的教學策略①

(江蘇省太倉高級中學，江蘇 蘇州 215411)

1 深度學習和U型過程的簡介

1.1 深度學習

深度學習是對學習狀態的質性描述，強調對知識本質的理解和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學習。

1.2 U型過程

杜威認為：知識不能直接進行傳授。知識的理解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，這一學習過程恰似“U型”。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型的底部是學生對知識進行體驗、對話與探究的過程。第三個環節是思性思維的過程，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 基于U型過程促進深度學習的分析

在對有關深度學習大量文獻研究的基礎上，筆者認為深度學習的真實發生離不開以下五個方面：情感的高投入、知識的深聯結、思維的高進階、意義的深生成、遷移的高靈活。其中情感的高投入是過程保障，知識的深聯結、思維的高進階和意義的深生成是自我構建、自我內化的過程，遷移的高靈活是將內化的結果外顯和應用的過程，U型過程的三個環節能很好地滿足這五個方面的要求(圖1)。

圖1

首先，通過創設聯系學生生活實際的情境，促進還原與下沉，激發積極情感，實現情感的高投入；其次，以學生為主體進行多維體驗與探究整合，在師生、生生和生本的互動中促進知識的深聯結、思維的高進階、意義的深生成；最后，學生對自己探究的過程和結果進行反思，形成觀念性知識，并靈活應用于實際問題解決中，促進遷移的高靈活。

3 基于U型過程促進深度學習的策略

筆者以“生活中的圓周運動”教學為例，探討基于U型過程促進深度學習的教學策略。(1) 激發認知沖突，促進還原與下沉，讓問題“沉”下來；(2) 設置挑戰任務，促進體驗與探究，讓思維“顯”出來；(3) 解決實際問題，促進反思與上浮，讓概念“活”起來。

3.1 激發認知沖突，促進還原與下沉，讓問題“沉”下來

教學片段1：在課堂的引入環節，設置一個趣味小游戲——倒杯移物。將一個小球放在低一點的桌面上，用一個去掉蓋子的圓柱形透明塑料杯子倒過來將小球圈在里面(圖2)。如何只用這個杯子并始終保持倒立狀態，將小球從矮桌子移到更高的臺子上呢？

圖2

為了充分調動學生的積極性，先讓學生挑戰這個任務。學生剛開始很難成功，雖然大家都想到讓小球在杯子內壁轉動起來實現轉移。此時教師提醒學生成功的秘訣就是一個字：快。再讓學生來嘗試，當挑戰成功后，能有效激發學習興趣，進而提出需要研究的物理問題：為什么小球在杯子內壁轉動的速度比較大時才不會掉下來？速度要達到多少才不會掉下來？

接下來可以播放摩托飛車的雜技視頻，進一步聯系生活，提升學生的探究熱情。

3.2 設置挑戰任務，促進體驗與探究，讓思維“顯”出來

通過設置一些有臺階和思維空間的挑戰性學習任務，讓學生一步體驗和探究，在多維對話和互動中將學生的思維發展情況顯露出來。教師及時、有針對性地進行引導，建立新舊知識的深度關聯，培養學生模型建構、分析綜合、評價整合等高階思維能力，并幫助學生深度把握知識背后的邏輯、意義和價值，這是促進深度學習的關鍵環節。

教學片段2：展示汽車在水平面內轉彎的視頻，它的軌跡近似為一段圓弧，也就是說汽車做圓周運動。

挑戰性任務1：汽車在水平面內轉彎所需的向心力由什么力提供？

為了有效突破這個教學難點，可以用身邊的教科書、物塊模擬該情境，如圖3所示，在書上放一物塊，小組成員全部起立，小組內一同學手托著書在水平面內轉動，第一次慢慢轉，第二次快點轉動，小組內其他同學仔細觀察物塊的運動狀態，并解釋該對比實驗說明了什么問題？小組討論后得出結論：第一次物塊隨書一起在水平面內轉動沒有產生相對滑動，第二次物塊沿著徑向相對書向外滑動。這說明小物塊隨書一起轉動時有沿徑向向外相對運動的趨勢，所以汽車轉彎時受到的指向圓心的靜摩擦力提供了向心力。

[6][7][14][17][84][85]Thakin Nu, From Peace to Stability, Ministry of Information, Government of the Union of Burma, 1951, p.22, 51, 21-22, 202, 102, 98-100.

圖3

圖4

從汽車轉彎過渡到火車轉彎，火車轉彎問題是本節課的重點內容。

播放火車轉彎視頻，設置挑戰性任務2：火車轉彎時向心力源于哪里？

如圖4所示，用鋼材為每個小組制作了縮小版的火車車輪和鐵軌模型。先讓學生仔細觀察火車車輪的結構特點，再讓學生分析火車如果在水平面內轉彎時靠什么力來提供向心力。

學生在認識了火車輪的結構特點后，分析火車在水平面內轉彎時，輪緣與外軌道間有側向向內的擠壓，從而產生一個指向圓心的彈力來提供所需的向心力。火車質量很大，長期靠這個側向擠壓來提供水平面內轉彎的向心力很容易磨損輪緣和軌道，造成脫軌事故。

挑戰性任務3：如果你是鐵路設計師，轉彎處軌道該如何設計？請小組交流，提供具體設計方案。事先為每個小組提供兩個小木塊，在方案設計的過程中有助于為學生提供體驗和啟發(用兩個木塊將圖4中軌道的一側墊高)。學生主要提出了以下兩個方案。

方案1：將轉彎處的軌道半徑擴大，減小所需的向心力。

方案2：將鐵軌的外側抬高，讓火車的重力和鐵軌支持力的合力提供向心力。

讓學生對這兩個方案進行評價，哪一個更好？并說明理由。

在交流討論后中判斷學生的理解程度和思維發展情況，及時給予引導、幫助。學生發現方案2更好，因為只要軌道傾斜合適，火車以某一個速度轉彎時，可以實現火車和鐵軌間完全沒有側向擠壓。

為了幫助學生進一步理解火車轉彎時軌道所在平面的難點，可以用一個小球在漏斗內側轉動來模擬這一過程。漏斗上方用保鮮膜封住，防止因小球轉動速度過大而飛出來(圖5)。

圖5

圖6

學生體驗后由教師進行受力分析，并討論：轉彎處的傾斜角度與轉彎時的速度大小如何共同影響火車輪緣與鐵軌間的側向擠壓的彈力大小？然后，讓學生說說圖6所示鐵路轉彎處限速70km/h的物理意義，促進意義建構。

挑戰性任務4：倒杯移物實驗中圓柱體杯子的底面半徑為R，物塊與杯子側壁間的動摩擦因數為μ，如圖7所示，要使物塊不掉下來，其速率應滿足什么條件？

圖7

圖8

挑戰性任務5：在生活中，汽車要通過很多橋，針對拱形橋最高點建立模型，說說其向心力的來源。

一些學生根據自己的經驗得出結論：坐車過橋頂時有一種“變輕”的感覺，建立如圖8所示的模型，進行受力分析，重力和支持力的合力來提供向心力，引導學生具體分析汽車過拱形橋頂時對橋的壓力與速率之間的定量關系。

通過系列挑戰性任務，深入研究生活中不同圓周運動的向心力來源問題，通過模擬實驗將不能直接觀察到的抽象問題具體化、可視化，使思維過程顯性化。

3.3 解決實際問題，促進反思與上浮，讓概念“活”起來

在問題解決過程中，引導學生對所學的知識及其探究過程進行反思、總結提煉，形成觀念性認識，真正實現“做中學”和“用中學”，讓概念“活”起來。

教學片段3：在研究拱形橋時，設置實際問題：東倉大橋是很多同學往返學校的必經之地，東倉大橋橋面半徑約為50m，為了避免汽車脫離橋面造成交通事故，交警部門需要在橋上設置一限速牌，限速牌上應該寫_________km/h。

在研究汽車過凹形橋時，基于前面的學習可以設置待解決的真實問題：瀘定橋是橫跨在大渡河上的一座鐵索橋，橋面圓弧半徑約為100m，如圖9所示，試估算當自己站在滑板車上經過瀘定橋最低點時，對橋的壓力為多少？

圖9

圖10

學生建立模型分析得出結果后發現：跑過凹形橋時，壓力大于自身重力，速度越大，壓力越大。用圖10所示裝置模擬凹形橋，讓一個質量為100g的鋼球通過軌道，為了看得清楚，可以將運動過程用手機拍成視頻，慢動作播放，發現通過最低點時壓力可以達到2.5 N。

通過實際問題的解決，一方面有助于評估學生對所學知識的理解程度，另一方面在問題解決的過程中促進學生對前面學習的過程進行回顧、反思，使獲得的概念性認識“活”起來。