論深度學習是初中物理教學的“剛需”和應然

曾淑煌 肖永琴

（1.福州教育學院附屬中學，福建 福州 350001；2.福州教育研究院，福建 福州 350001）

近年來，以5G 為基礎的人工智能、大數據、區塊鏈、云計算、移動互聯網、物聯網等一系列新技術，人類的許多常規性思維活動，如記憶、復述，甚至一些基于邏輯推理的分析與判斷，人工智能已經完全勝任。因此，人類思維重心位置高移已在所難免，淺層學習已不適應時代的要求，深度學習正是培養高階思維和能力的搖籃，是培育核心素養的基本途徑。2018 年9月召開的全國教育大會，提出立德樹人的培養目標，教育過程實施“五育并舉”，發展學生核心素養，國家使命使深度學習成了基礎教育的“剛需”。

一、物理學科核心素養培育的導向，使深度學習成為初中物理教學的應然

（一）學科核心素養培育為導向的課程目標要求

《普通高中物理課程標準（2017 年版）》，以“學科核心素養”培育為導向的“課程目標”，取代了原來的“三維目標”，在概念界定、意義、結構與內涵上，都形成了對人工智能時代人才五種必備高階思維能力［1］的緊密對接（圖1）。這是國家面對新一輪技術革命浪潮的沖擊，為中學物理教學領域做好的頂層設計。

圖1 物理學科核心素養與現代職業人現代化智能結構的關聯

因此，我們探索“深度學習”的實踐，并不僅僅是對一種教學方法的學術性探討，而是基礎教育對當下社會需求出現重大變化的一種主動與積極的反應，這不是趕時髦的“應景”，而是加快發展新產業亟需的高素質人才培養的“應急”舉措。

（二）物理學科核心素養的內涵要求對于“深度學習”的依賴

“學科核心素養”源于學科知識又超然于學科知識，它形成后能夠脫離學科而單獨存在，即使學科知識記憶殘缺甚至消失后仍然能夠保留下來，最終成為一種跨學科甚至超學科的思維智慧。從這個意義上說，“物理觀念”已經不再只是浮在記憶表層的物理現象、名詞、定律等，“物理思維”也不只是應用物理概念與定律解答物理習題的思考過程，而是固化于習得者心靈深處的理解方式與思維存在。例如，看到道路上行駛的車輛，人們就明白它們與太空中的星星，無論是能量轉換還是受力系統，都遵循著同樣的科學規律；我們談論兩個城市之間距離時，潛意識中總是將兩個偌大的城市默認成兩個“點”；站在潮漲潮落的海灘上，我們知道，人類盡管與潮水是完全不同的存在，但一樣都受到萬有引力的作用。

物理學科核心素養是一種完全開放的思維系統，它在學習過程中，能夠自動地與中學其他學科的核心素養相互疊加、相互融合、相互強化，在學習過程中，能夠奠定下學生應對人工智能時代各種新技術的能力基礎。顯然，傳統的以知識記憶、機械性重復訓練為特征的“淺層次”學習，或者說，“應試式”的教與學，無法讓大多數學生獲得科學思維能力的真正提升，深度學習是中學物理教學價值有效的“變現”路徑。

二、形成新認知，提升初中物理深度學習的推進自覺

（一）“初高一體，以高領初”的新認知

初高中物理教學的臺階大，是不可否認的事實，本身這兩學段的能力要求差異就較大。當下全國高中階段毛入學率已達到89.5%，高中教育趨向普及，而初高中是基礎教育人才培養的上下游關系，夯實義務教育學段的知識能力基礎，才能提升教育全局質量。因此，初中教育不能只把培養視野局限于本學段內部，應當建立初高中一體化的培養思維。那么，如何讓學生在初中形成必備的物理能力和素養，較好地實現高初中教學的銜接，為高中學習打下良好的基礎，是初中物理教師必須研究的課題。

《義務教育物理課程標準（2011 年版）》雖未提出“學科核心素養”概念，但是我們看其課程目標的要求：通過“知識與技能”的學習，“過程與方法”的體驗，“情感態度價值觀”的培養，讓學生“養成良好的思維習慣，在分析問題與解決問題時嘗試運用科學知識與科學研究方法”；“具有初步的科學探究能力，……有運用研究方法的意識”；“能獨立思考、敢于質疑、尊重事實、勇于創新”；“具有環境保護與可持續發展的意識，樹立正確的世界觀，有振興中華，將科學服務于人類的使命感與責任感”。這些描述，實際上就是一種“基于學科，但又超越了學科”的核心素養，而且是核心素養中最為基本也最為精粹的內核。

應當看到，物理學科核心素養的培育，實際上是啟動于義務教育，完成于高中的一個完整過程。所以，在深度學習的目標定位上，需要初高中一體化，以高中牽引義務教育，而在具體行動的階段化設計與實施中，則以初中對接高中，以初中促進高中，良性互動，提高站位，加深理解，形成“深度學習”的真實踐。

（二）初中學段的主要著力方向

在初高中一體化培育體系中，初中物理主要著力方向有以下三方面。

1.養成持續的科學興趣。部分學生對于物理學科的“恐懼感”甚至于“厭學”情緒，主要來源于不當的教學策略，如教師錯把學生當成“零起點”的“知識容器”，無視學生“是帶著日常經驗和在其他情境中獲得的先前知識、信念等走進教室的”［2］，前期不注意定位學生已知與未知的“最近發展區”，不設法尋找學生可能的認知障礙，事先不做足“功課”，在課堂上一味按照自己先前設計的“腳本”單向灌輸知識，教師的“敘述線”與學生的“認知線”始終不能同頻共振，抑制了學生的求知欲望?！吧疃葘W習”的理念正是對癥下藥，教師引導學生自主地把日常生活情境中形成的“前概念”與當下的知識學習進行整合，促進學生的舊知領悟升華，建構新知，從而掌握物理核心知識?！吧疃葘W習”的課堂，就是依靠一系列的具有積極意義的學生活動，讓他們能夠獲得親歷親為的成就，從而鏟除了讓其生成“恐懼”與“厭學”的土壤。

2.培養基本的科學思維?？茖W的思維方法是人們思考問題、認識問題的方法，包括比較和歸類、分析和綜合、抽象和概括、演繹和歸納、合理想象和創造性思維等。高中物理的“科學思維”素養的培育，以模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新這四個要素為切入點，初中有足夠的材料引導學生打開思路打下基礎。例如，物理模型在高中有點狀的質點和電荷、線狀的電流、立體的電場磁場等，初中有光線、磁感線等，其中磁感線模型為高中磁場模型建構奠定了基礎；初中的真空不能傳聲、伽利略理想實驗，以至牛頓第一定律的得出，讓學生領會了科學推理的方法；歐姆定律等多個探究實驗，提供了基于證據的推理、科學論證的基礎等。其次，老師需要經常讓學生關注現象后面的本質、過程后面的方法、數據后面的規律、生活后面的科學、概念后面的推理、結論后面的論證、行動后面的反思、事實后面的判斷。最后，讓學生形成意識自覺，即當自己日常的學習行為可以用諸如判斷、解釋、分析、概括、交流、反思、運用等動詞來描述時，自己的思維正在操作進行時。

3.夯實科學探究基本功。科學探究是學生能力生成的必由之路，是未來職業的“模擬預演”，也是高階思維培養的搖籃。初中課標提出科學探究的七要素：提出問題、猜想與假設、制定計劃與設計實驗、進行實驗與搜集數據、分析與論證、評估、交流與合作，高中課標與之對應的是“問題、證據、解釋、交流”四個要素，都有相應的能力要求。因此在初中物理課堂上，教師要善于引導學生，運用科學方法，一次又一次的體驗、感悟，形成對學生科學探究實踐規范操作的正面強化，直至領悟，最終形成“自動化”習慣，為學生留下受益終生的探究意識、探究能力和良好的思維品質。

（三）融合多種學習方式于物理教學中

STAM 教育引進我國基礎教育領域之后，作為跨學科綜合教育的有效形態，STEM 元素目前已經進入到我國國家課程標準之內，包括《普通高中物理課程標準（2017 年版）》。STEM 教育是包含科學、技術、工程、數學多學科的綜合教育，它“以整合的教學方式培養學生掌握知識和技能，并能進行靈活遷移應用解決真實世界的問題。融合的STEM 教育具備新的核心特征：跨學科、趣味性、體驗性、情境性、協作性、設計性、藝術性、實證性和技術增強性等。”［3］顯然，STEM 教育與深度學習之間，存在著天然的相互依存關系。

初中物理教學推進“深度學習”，要像STEM 教育那樣，設計“真實情境的沉浸，激發深度學習”，注重“跨學科知識的融合，促進深度學習”，提供“項目式學習，支持深度學習”，促進“評價遷移，達成深度學習?！保?］鑒于初中學生的心理與認知特點，在這些活動中，我們可以突出趣味性、體驗性、情境性、藝術性。

三、踐行深度學習，使思維型教學成為常態

學習的本質就是要重塑大腦結構和思維模式。不論學生發展核心素養還是學科核心素養，最核心的都是思維。［5］學物理，關鍵在學習物理思維。在物理教學實施深度學習，教師須以知識為載體，啟發引導學生，從知識的建構過程中體驗科學方法，從知識的體系脈絡中領悟科學本質，從知識的應用中感受科學價值，大師思維與工匠精神兼收并蓄，讓學生獲得全面和長遠發展。

（一）認識知識體系的建構邏輯，確定單元教學目標

以滬科版八年級《第七章力和運動》為例，本章包括牛頓第一定律、力的合成與力的平衡三節內容。在《小學科學課程標準（2017 年版）》中，就已要求通過觀察和實驗，感知常見的力，了解力對物體形狀和運動狀態的改變。八年級的學生在進一步學習了力、運動的基本概念后，進入了“力與運動的關系”這一核心知識領域?！读x務教育物理課程標準（2011 年版）》雖要求“知道二力平衡的條件”“通過實驗，認識牛頓第一定律”，使用的描述課程目標的行為動詞“知道”與“認識”似乎要求不高。但是，這卻是力學大廈中的一塊奠基石，也是高中物理直接對應知識的進階踏腳石。課標要求對不同學段是螺旋式上升，圖2 是兩個學段的知識關聯。

圖2 初高中兩學段的知識對應

鑒于知識在體系中的核心地位，《普通高中物理課程標準（2017 年版）》中關于這一部分的學習要求是比較高的：“通過實驗，了解力的合成與分解，……，能用共點力的平衡條件分析生產生活中的問題。”“通過實驗，探究物體運動的加速度與物體受力、物體質量的關系。理解牛頓運動定律，能用牛頓運動定律解釋生產生活中的有關現象、解決有關問題?！睂W生要達成標準設定的“分析”“探究”“理解”“解釋”“解決”的高認知水平，需要較高的知識內化能力。也正如此，《義務教育物理課程標準（2011 年版）》要求能夠“用物體的慣性解釋自然界與生活中的有關現象”，能夠“解釋”其實已屬于認知性目標中的“理解”層次，意在推進深度理解，為高中學習做好堅實的知識與能力鋪墊。

因此，教師應針對不同學段課標的要求和學生的學情，進行單元教學設計，先確定單元教學的目標，再細化落實到每課時的教學目標。

（二）提供學習支架，把握知識教學的“度”

針對初高中物理的課標要求和兩學段教學的銜接需求，教師需要給學生提供學習的支架，包括方法和工具，同時注意把握知識和能力要求的“度”。如：

1.深化“力是物體間的相互作用”認知，適當回顧《第六章熟悉而陌生的力》中的幾種力而正向強化相關概念，為此后的物體受力分析、受力與物體運動狀態之間量化關系分析建立思路。

2.經歷動手探究阻力對運動的影響，深刻理解伽利略理想實驗的構思創意與牛頓第一定律的科學推理，為牛頓第二定律的實驗驗證，以及解釋現象解決問題搭建意境。

3.悟透二力平衡的原理，通過回溯、聯想和遷移，為高中解決共點力平衡問題提供入門工具。

4.尤其要注意引導學生建立結構化知識的意識，整合自己大量的“前知識”，自主自覺融入新知識體系中，在不同階段思維進階，并應用所學解決實際問題。

（三）深度學習課堂教學探索實例

下面以第七章第三節《力的平衡》教學為例（福州教育研究院肖永琴主設計、福州教育學院附中賴曉嵋執教），來說明我們的實踐探索。

1.創設玩一樣的情境，以問驅動

創設“玩”一樣的教學情境，激發學生學習的內在動機，促進積極思維，以“玩”推動學生主動學習。課前，教師布置了動手實踐作業：兩個礦泉水瓶內裝質量不等的水，用繩系在小車上（如圖3），小車就會動起來。如何通過增減水量實現讓運動的小車停下來呢？上課時，將學生提出的解決方案作為引入，如有的學生是使兩邊瓶子里的水質量相等，這樣繩子對小車左右兩邊的拉力相等。

圖3

（2）設計認知沖突促進思考，建構知識

通過引導學生對小車進行受力分析，說明在一定條件下，物體即使在受到外力作用的時候也能保持靜止狀態或勻速直線運動狀態。然后回顧牛頓第一定律，似乎這與一切物體在沒有受到外力作用的時候，總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態有矛盾。由此引發了學生的認知沖突和深入思考。

圖4

通過對平衡狀態的認知，教師進一步引導學生通過實驗設計，改變物體受到的兩個力的三要素，探究需要什么樣的條件才能滿足二力平衡。利用如圖4 所示裝置，讓學生學會應用控制變量等研究方法進行實驗，并基于證據進行思考，進而總結出“二力平衡必須滿足兩個力大小相等、方向相反，作用在同一直線上的條件”的結論，同時強調表達觀點的時候要有依據。

課后對此實驗教具又做了進一步的改進，如圖5所示。改進后的裝置除了可以探究在水平線上的二力平衡外，還可利用電路演示板的小孔快速、方便地將兩滑輪安裝在不同的高低差位置，實現了對不同方向的同一直線二力平衡問題的深入探究（圖6、7），板上畫的不同顏色的虛、實線便于學生對二力方向和鉤碼所處位置的觀察，使他們對二力平衡條件的理解更加深刻。

圖5

圖6

圖7

3.利用學生自主創新實驗，提升思維的品質

探究實驗結束后，教師播放一學生自主創新實驗的過程視頻，他給瓶中注入不同量的水時，桌面上的小車交替呈現“變速運動”“勻速運動”“靜止”等狀態，最后學生驚奇地發現“在兩個礦泉水瓶內注入質量不等的水，小車也能停下來（圖8、9）”。這與大部分學生的所想不同，究竟是怎么回事？實驗把學生引入了摩擦力作用的情境，引發學生對系統的全局思考。進一步分析繩子除了受到礦泉水瓶對它的拉力外，還受到摩擦力，引導學生從力的作用效果出發對問題簡化，先將同一方向的二力合成，然后再比較合成后不同方向的新二力，當整個系統受到的合力為0 時，小車就處于靜止狀態，進而教師提出對實驗進一步改進和優化，培養學生深入尋找與分析隱性因素的能力，也為高中的共點力的平衡打下了良好的基礎。學生通過分析和綜合，由具體問題走向了系統思考，提升了思維的深刻性和全面性，同時也培養了創新意識、審辯思維和創新思維，提升了解決問題的能力。

圖8

圖9

4.溯源和聯想，實現應用遷移

在真實的情境中解決復雜問題時核心素養才能表現出來，因此應用遷移有兩個方面：

一是將所學的知識與方法應用遷移到實際情境中去，應用遷移到其他領域，解決實際問題［5］。如在這個環節，教師引導學生回溯第六章第四節“探究物重與物體質量的關系”和第五節“探究摩擦力大小的影響因素”兩實驗，分析其原理，說明二力平衡條件的應用，再通過起重機吊貨物的工程應用的不同情況（靜止、勻速、變速等）進行受力分析，進一步理解力與運動的關系，區分平衡力與相互作用力，解決實際問題。

二是將學習過程中形成的科學態度、科學精神以及一些行為規范和價值觀，以不同形式遷移到日常生活中，實現能力、態度和方法的遷移。如，我們以擊破“NASA立掃把挑戰”所言“唯一一天可以讓掃把獨自站立的日子”出發，以實驗說明只要找準重心，利用二力平衡條件，每天都可以把掃把立起來，不僅可以立掃把，也可以立剪刀、椅子、石頭，還可以立人……等等，培養學生對事物的認識和判斷要養成基于證據的習慣，不隨意聽信謠言，掌握了平衡，可以創造和諧之美。同時以福建東山的風動石、央視節目《挑戰不可能》的“測繪工程師在4米高的懸空畫框上立約2000N的摩托車”為例，來說明自然界與人創造的“平衡的力量”。

5.畫龍點睛之悟理，以情致知，以文化人

課的尾聲，教師展示68 歲的汪留成老人疊加32根木條圖片，說明人可以活到老、學到老、做到老，形成終身學習的意識。最后讓學生欣賞一小段《平衡之美》視頻［6］，當表演者小心翼翼搭建出一個棕櫚枝“棚”，并用最后一根枝條撐起棕櫚枝“棚”，整個結構穩穩地矗立在舞臺上，羽毛也始終輕盈地“躺”在第一根枝條末梢，觀眾屏住了呼吸，驚嘆不已，平衡之美顯出神奇的力量?？墒?，當表演者輕輕地抽走那羽毛（圖10），整個棕櫚枝“棚”瞬間崩塌。這段視頻生動地說明了物理學平衡系統的生成與解體，同時教師借此引導學生“悟理”，其實每個人都有如那根羽毛，雖很輕、很小，但潛能很大，且都是社會的一分子，每個人做好自己就是對社會的一大貢獻，否則“一旦雪崩來臨，每個人都逃脫不了，都是罪惡的推手”。人生平衡、生態平衡莫不如此。這樣，在視覺和認知上都達成了“觸及學生心靈”的效果，將科學教育與人文教育有機地融合一體，實現深度學習最終是培養人的目標。

圖10

課后的實踐作業，再次將科學探究和實踐與我國民俗文化結合起來。結合隨后到來的春分節氣，讓學生完成實踐作業：“春分豎蛋”的民俗起源于4000 年前的中國，人們以此來慶賀春天的到來。請你也動手試試。怎么立蛋容易成功？知道其中的原理嗎？是生雞蛋容易立起來還是熟雞蛋容易立起來？或者再嘗試一下你還能把什么東西立起來。

作為深度學習的積極實踐者，我們深刻認識到“以學生為中心”核心的意義是以學生的“發展”為中心。這就是說，課堂上的學生活動必須能夠引導學生進入“獲得發展的有意義的學習過程”“在這個過程中，學生掌握學科的核心知識，理解學習的過程，把握學科的本質及思想方法，形成積極的內在學習動機、高級的社會情感、積極的態度、正確的價值觀”［2］?？梢源_定的一點是，“動手”“思維”“思考”是把物理學習引向深度的關鍵，因此，認識需要深化梳理，實踐需要主動推進，感悟需要精細總結，行穩致遠，方可讓“深度學習”成為教學常態。