淺談深度學習與大學物理教育*

何瑩松

(北方民族大學預科教育學院 寧夏 銀川 750021)

恩格斯說：“一個民族要想站在科學的最高峰，就一刻也不能沒有理論思維.”理論思維的重要性不言而喻.教育部高等學校本科指導性專業(yè)規(guī)范曾對人才培養(yǎng)提出了：“素質(zhì)、能力和知識”3個基本要求，其中在創(chuàng)新能力方面，首次強調(diào)應培養(yǎng)學生具備“批判性思維能力”[1].大學物理作為高等學校理工科專業(yè)的基礎課，在理科教育中屬于基本框架結構之一.在物理學的理論、規(guī)律、概念學習中激發(fā)學習者問題意識，養(yǎng)成良好的思維品質(zhì)顯得越來越重要.

1 深度學習引發(fā)教育思考

深度學習源于機器學習，既然人類能夠教會機器深度學習，為何在學校中我們不能教會學習者深度學習？“深度學習”引發(fā)教育反思.2002年在美國成立教育領軍機構、大企業(yè)加盟2007年推出最負盛名的《21世紀學習框架》.《框架》勾勒了21世紀學習的藍圖：

(1)學習結果方面.描繪了在生活、工作等領域獲得成功所需的核心知識與技能(21世紀能力).

(2)支持系統(tǒng)方面.描述了確保學習者掌握21世紀能力的關鍵系統(tǒng)的特征.

《框架》作為21世紀學習的綱領性文件，對后續(xù)教育變革具有深遠影響.同時也引領著全球教育改革.2015年美國州立教育董事會國家協(xié)會(National Association of State Boards of Education)發(fā)布文件，將深度學習作為美國21世紀教育的國策[2].國內(nèi)比較成熟且有一定影響力的是華東師范大學祝智庭教授提出的智慧教育，正是對這一問題反思的結果.祝智庭教授指出深度學習是一種能夠使學習者從某一情景中的所學應用到學習新情景中的學習過程(即遷移).深度學習是學習者高階認知的重要指標.批判性思維是深度學習的要素，作為一種優(yōu)秀思維品質(zhì)，必定有高階認知的介入.作為教育實踐者，我們一直致力于學習者創(chuàng)新精神與實踐能力培養(yǎng)的探索.抓住批判性思維這一基本要素，以批判性思維學習與運用達成知識深度加工，實現(xiàn)深度學習.

2 物理學研究中的批判性思維

高等教育走向智慧可從基礎學科入手，實現(xiàn)深度學習.以物理學習來講，通常都認為物理是基礎學科中最難教又難學的一門，筆者認為這種認識歸根到底是沒有理清物理學對思維發(fā)展的影響.縱觀物理學發(fā)展，呈現(xiàn)出的正是物理學家的批判性思維，這也是推動物理學不斷前進的主要動力.

《牛頓傳》中有這樣的評價：推理說，奇跡；牛頓卻說，懷疑；這是解釋自然的一切的方法.懷疑，沒有實驗就不要相信[3].牛頓不同于常人之處是他敏銳的洞察力.在觀察自然界時，他能穿透事物的表面，看到事物的內(nèi)部架構，感覺到內(nèi)在的東西.對幾何學和微積分的學習，使他能把看似不相關的物理現(xiàn)象、相差很大的量聯(lián)系起來.這不是一般人能做到的.他觀察劍橋大學網(wǎng)球場上飛過的網(wǎng)球時，看到空氣中無形的漩渦，隨即聯(lián)想到沃斯索普小河中的石頭.當然，解決一個面臨的科學問題是有章可循的，可分為4個步驟：

第一步，提出初步的解析性假說；

第二步，進一步收集事實；

第三步，完成解釋性的假說；

第四步，從假說中得出新的預言.

愛因斯坦不同于牛頓的是，他面對的是長期的、根本性的難題，需要科學家突破現(xiàn)有知識和原理，尋求新的觀念和規(guī)律來解釋.狹義相對論，正是運用已有知識和突破已有知識的結合而獲得的.著名物理學家湯姆孫說：“愛因斯坦的相對論是人類思想最偉大的成果之一”. 愛因斯坦的相對論是在克服自身認識上的誤區(qū),以異于常人的靈感與想象提出的.應該說相對論是人類理論思維的一件藝術品.愛因斯坦的思維超乎尋常，霍金則更是不一般.打賭是一種猜測，是批判性思維淋漓盡致的體現(xiàn).霍金是物理學家中最喜歡打賭的一位.他把對科學真理的追求以詼諧幽默的博弈方式與同事爭論.在科學問題上打賭的風氣由來已久，這也算是科學的另一種魅力.

還有一位美國物理學家卡爾·埃德溫·韋曼，因在堿性原子稀薄氣體的玻色——愛因斯坦凝聚態(tài)方面取得成就，以及對凝聚態(tài)物質(zhì)性質(zhì)的早期基礎性研究，獲得2001年度諾貝爾物理學獎.韋曼教授在一次記者訪談中對理科教育發(fā)表了這樣的見解.現(xiàn)在理科教育最根本的癥結在于沒有將科學方法貼近教育.教師都有一套能夠自圓其說的教育方法，并成為傳統(tǒng).但他們的教育方法并不是以衡量“學生到底學到了什么”為基礎[1].筆者非常贊同韋曼教授對理科教育的認識.科學的學習過程并不只是信息的轉移，而應該是大腦的開發(fā).只是聽別人關于某一事物的講解是不可能提高學習效率的.理想的理科教育應該有3個要素：

第一，學習者要建立明確的學習動機，即提供給學習者學習某種東西的必要性的素材.

第二，必須讓學習者對所學問題進行深入的思考，即提供給學習者堅持不懈、深入思考有價值的科學問題.

第三，不期望學習者能解決所有問題，需對他們的思考提供支持和幫助，即知道他們在思考什么.

從牛頓、愛因斯坦、霍金、韋曼等物理學家身上，總能透出批判性思維在物理事件中發(fā)揮至關重要的作用.筆者由此設想，雖然深度學習最早源于機器學習，但有批判性思維這個要素的存在，必將在教育領域發(fā)揮作用.物理學的發(fā)展正是深度學習的體現(xiàn)，也是科學家創(chuàng)新思維的表現(xiàn).著名物理學家費曼講：“科學是懷疑的文化”.正是這種懷疑精神推進科學勇往直前永不停息，也讓物理學成為自然科學的開路先鋒、中流砥柱.

3 以深度學習促大學物理教育探析

物理學發(fā)展正是在不斷懷疑質(zhì)疑中前行，正如韋曼教授所說，物理教育缺失的正是物理學發(fā)展中最值得學習研究的批判性思維.所以大學物理教育中引入深度學習，培養(yǎng)學習者批判的思維品質(zhì)，是提高其科學素養(yǎng)的有效途徑，同時也是培養(yǎng)學科研究人才的基礎性教育工作.

筆者認為在大學物理學習中，運用深度學習的一般過程完成物理知識的基本學習是促進物理學習的有效途徑.深度學習的一般過程強調(diào)幾個關鍵，首先“注意與預期”“回憶已知”,這是絕大多數(shù)學習都會經(jīng)歷的過程，是深度學習的必要基礎.注意、預期和回憶已知是指學習者感知刺激材料的過程.“聯(lián)系新知”“建構知識”是深度學習的基本要素，學習者通過深度學習的基本要素可以實現(xiàn)知識基本學習，而物理學習特點是對事物本質(zhì)的認識，定理定律學習及應用.應用深度學習基本要素可以完成物理概念學習.但此時還不能達到較高層次的深度學習.要想進一步達到批判性思維養(yǎng)成，學習者可通過遷移，在新情境中運用新知，達到物理知識鞏固和深度理解.通過問題解決，學習者能夠在復雜情境中運用知識解決問題，實現(xiàn)更高程度深度學習，實現(xiàn)批判性思維養(yǎng)成.遷移是知識內(nèi)化運用，是學習者高階思維品質(zhì)的體現(xiàn)，更是深度學習的核心.在物理學習中，學習者通過回憶已知、構建知識、知識遷移形成高階物理思維，學會思考、學會解決問題.

融入批判性思維的深度學習能促進學習者基于審慎分析、推斷和整合，深度理解和建構知識；融入批判性思維的深度學習能幫助學習者多角度審視知識，建立理性、周密的認識，提升溝通與協(xié)作的質(zhì)量與水平；在深度學習中融入批判性思維能使學習者具有反省性，激勵學習者監(jiān)控自身的思維活動，養(yǎng)成嚴密、謹慎的思維習慣，激發(fā)學習內(nèi)驅(qū)力.

國內(nèi)外一些優(yōu)秀物理教材近些年開始關注批判性思維挖掘.如美國關注度較高的教材《物理學基礎》(哈里德等著)、《物理學的概念與文化素養(yǎng)》(阿特·霍布森著)對物理知識呈現(xiàn)強調(diào)3點:

一是側重引發(fā)思考；

二是基于問題的探討；

三是對知識的遷移.

這些都是對學習者高階思維的訓練.國內(nèi)同類教材較受歡迎的有：復旦大學倪光炯、王炎森編著的《物理與文化》、北京大學趙崢編著的《物理學與人類文明十六講》.這些教材都滲透了培養(yǎng)學習者批判性思維的理念，而批判性思維正是目前大學物理教學關注的核心問題.如果只是單純拼知識學習，那么實現(xiàn)學習者創(chuàng)新精神、科學素養(yǎng)提升就只是空中樓閣.深度學習的基本特質(zhì)是遷移運用和問題解決，加之優(yōu)秀教材所滲透教育理念驅(qū)動，大學物理教育以深度學習指引學習者，使其形成良好的思維品質(zhì)，不斷提高創(chuàng)新能力，將會初見成效.

4 結束語

在當前國民經(jīng)濟和科學技術快速發(fā)展的新時代，大學物理教育作為高等教育的重要組成部分，肩負著培養(yǎng)創(chuàng)新人才的歷史使命.而培養(yǎng)高質(zhì)量的創(chuàng)新人才，在教學過程中引導學生深度學習是一個很重要的方面.隨著深度學習在教育領域研究的深入，如何用深度學習提高學習者學習內(nèi)驅(qū)力，達到高階思維提升已倍受關注.從高階思維品質(zhì)培養(yǎng)與物理學習的密切關系不難發(fā)現(xiàn)，大學物理教學引入深度學習，對學習者學習效果、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)等都在發(fā)揮重要作用.