在高中物理課堂教學中促進學生深度學習策略探究

黃藝雯 宋善炎 張瑜

【摘 要】本文依托“勻變速直線運動位移與時間的關系”教學設計，提出在高中物理教學中促進深度學習的策略：突出學生主體地位，升級課堂流程;借助虛擬實驗，創設物理情意;鼓勵學生參與活動，收獲課堂體驗;抓住知識的本質，提升能力高度。

【關鍵詞】深度學習 高中物理 核心素養 教學設計

【中圖分類號】G ?【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2021）02-0143-03

如何在高中物理課堂教學中提升學生的物理學科核心素養，“好的教學設計”是關鍵。何謂“好的教學設計”？筆者認為，能夠促進學生深度學習，指向學科核心素養的教學設計，可稱之為“好的教學設計”。縱觀現實情況，有很多物理教師在進行教學設計，尤其是針對物理概念的設計時，都會傾向于直接向學生傳授知識點，這可能會導致學生碎片化地接受知識。學生沒有經歷自主探究獲得知識的過程，便會缺少學習物理概念的體驗，進而阻礙學生物理核心素養的形成。深度學習的提出應當引發教師思考，深度學習不是把知識“平移”“灌輸”給學生，而是由教師帶領學生進入知識發現的過程中，引導、幫助學生成為知識發現的 “參與者”，而不是“旁觀者。”

物理概念是物理知識的重要組成部分，在物理教學中，幫助學生正確建立物理概念對學生學習物理有重大意義。學生對物理概念的學習具有高起點性，即學生無須經歷漫長曲折的摸索，就能直接面對人類由感性認識上升成理論的成果，這也意味著，在物理概念的學習當中，學生不需要在實驗學習中從頭開始探索，也不用從實踐中積累經驗。這往往會導致物理概念教學走上一條“捷徑”：將知識的傳遞當成目的，將教學定位為知識的“輸入”與“輸出”，直接將知識“灌輸”“平移”給學生。但是，指向核心素養的深度學習是對表層與機械學習的挑戰，“活動與體驗”正是深度學習的核心。所以物理概念教學一定要讓學生親身經歷知識結構的形成過程。

一、突出學生主體，升級課堂流程

下面筆者以人教版物理教材必修一第二章第三節《勻變速直線運動的位移與時間的關系》一課為例，闡述教師如何將教學設計從“教師之教”轉變為“學生之學”，進而對接學生的學習需求。教師進行教學設計時，應以促進深度學習的發生、提升學生學科核心素養為原則，精心設計具有教學意圖的結構化材料;遵循學生的認知發展規律，循序漸進地實現教學目的;營造和諧、平等、合作、寬松的教學互動氛圍，及時根據教學反饋調整教學活動。

（一）一般教學流程設計

教材在本節的內容安排是先介紹質點勻速直線運動的位移，在v-t圖象中，用圖象與t軸圍成的面積表示，再用“思考與討論”欄目中提供的一份研究勻變速直線運動的真實測量記錄，引導學生討論“怎樣根據測量記錄中的數據求出該物體運動的位移”，再滲透一種科學思路——“一個變化過程在極短時間內可以認為是不變的”，利用“分割—替代—等效”的過程，將勻變速直線運動的位移表示成一系列矩形面積之和，最后總結得出速度對時間的積累效果（位移）是用v-t圖像與t軸圍成的面積來表示的。遵循此思路設計的教學流程如圖1所示：

（二）落實深度學習的教學過程設計

此過程遵循學生的認知規律，一步步化解難點，概念準確且線索清晰。不難發現，在傳統課堂教學中，學生的主體性凸顯不明，在思考與討論環節，學生的參與度雖高，但在其他環節，教師的引導依舊占主體地位。最關鍵的是，學生的“活動與體驗”不夠，學生在按照教師預設好的路線走，這導致知識傳遞雖高效，但缺少了知識創生的情境，進而阻礙知識的吸收。為了讓學生更加積極地參與教學活動，勇于實踐，筆者在教學勻變速直線運動的位移與時間的關系這一內容時，從實驗探究入手，通過建立真實情境，激發學生探究的興趣，促使學生思考與討論，借此培養學生的科學探究能力。這一教學思路從“知識為本”轉向“以人為本”，落實了深度學習的目標，提升了學生的物理核心素養，體現了物理學科的育人價值。筆者以深度學習是否發生的五個判據為抓手，設計如圖2所示的教學流程圖。

二、借助虛擬實驗，創設物理情境

教師可利用虛擬實驗軟件Algodoo創建一個物體做勻加速直線運動的物理情境，記錄物體做勻加速直線運動的v-t圖，從v-t圖中可直接讀出任意時刻物體運動的速度和位移大小。筆者利用Algodoo創建了一個小鋼球從固定傾角的斜面滑下的情境，給小球初速度，關閉空氣阻力和摩擦力對小球的作用，小鋼球從斜面滑下的過程做勻加速直線運動，生成v-t圖并記錄數據（運動場景如圖3所示），得到的v-t圖為在原點之上的傾斜線段，根據圖中數據即可讀數。（記錄的速度時間數據如表1所示）

三、學生參與活動，收獲課堂體驗

（一）嚴謹處理數據圖象，培養科學態度與責任感

小球做初速度不為0的勻變速直線運動，記錄0s—1.6s的速度和位移，每間隔0.05s記錄下瞬時速度從圖中得到真實位移為4.05m，對應的速度—時間數據如表1所示（分析數據，取時間間隔0.05s，0.15s—0.2s，0.45s—0.5s，0.7s—0.75s，1.0s—1.05s，1.3s—1.35s這五個時間間隔下△v=0.076m/s，其余間隔下均為0.075m/s，相對誤差為1.3%，在實驗誤差允許的范圍內，故可視為勻變速直線運動）。

（1）分析教材“思考與討論”部分給出的案例，將1.6s均分成兩等份，即△t=0.8s，利用表1中0s，0.8s，1.6s對應的速度估算位移△x。

（2）讓學生在方格紙中將自己估算的位移在v-t圖用圖象呈現出來。

采用同樣的估算法計算△t=0.4s，0.2s，0.1s，0.05s時的位移，并將估算的結果在同樣的v-t圖中呈現出來。教師可將學生分成5組，每組分發不同的導學案。展示導學案成果，橫向比較，小組討論比較結果。（對比結果如表2所示）

對比估算位移和估算面積的圖象得出如下結論：①時間間隔越短，估算所得到的位移越趨近于真實位移;②時間間隔越短，在v-t圖中呈現的圖形面積越趨近于v-t圖與t軸圍成的梯形的面積。

（二）提升科學探究能力，培養學生科學思維

本環節圍繞學生的活動與體驗展開，是深度學習的核心特征，學生要成為學習的主體就要有“活動”，并且學生的主動活動依賴教師的精心設計和隨堂引導。學生通過自主探究，對教材思考與討論中的估算法形成理性認識：每段時間內的位移與圖象中的面積一一對應相等，體現了數形結合的思想;為了使估算的位移更接近真實位移，需要把時間進行無限分割，然后用每一段時間初始時刻的速率代替整個時間間隔的速率，即分割—替代—積累，這就是微積分思想的滲透;無數個矩形面積的和趨近于梯形面積，這是極限思想的體現。

（三）指向核心素養，建構物理觀念

通過學生探究和教師引導，不難將學習方法遷移到把整個過程時間間隔劃分更小，無數個小矩形的面積之和就能非常準確地代表物體的位移，即v-t圖與t軸圍成的面積代表位移的大小。由梯形面積計算公式和v=v0+at，得出位移公式：x=v0t+at2。

物理觀念的建構要經歷從未知到已知的發展過程，教師要將每一步教學的起點建立在學生的已有認知上，讓學生經歷有意義的學習過程，幫助學生建立新舊知識之間的聯系。學生的學習結果與教師對教學內容的把握有很大的關系，教師在此環節中不斷搭建腳手架，即抓住主要矛盾，化解難點，旨在讓學生從已知向未知不斷遷移。對教師而言，利用虛擬實驗軟件Algodoo進行教學，不僅體現了教育信息化時代背景下，教師主動提升信息化教學水平的能力，也能極大激起學生的學習興趣，起到事半功倍的效果。此外，物理情境的創設以信息技術為載體，以教材中的案例為切入點，使本節課的設計更加科學合理。

四、把握知識本質，提升能力高度

（一）本質與變式

估算不同時間間隔下整段運動過程的位移與面積圖象，不僅體現了對勻速直線運動特征的遷移能力，更體現了深度學習的“本質與變式”。學生對微積分思想的體驗不是直接由教師傳遞得到，而是他們真實、主動地“進入”知識發現的，學生親身經歷知識的“再發展”過程，進而對學習的對象進行深度加工，從而把握知識的本質，最終實現遷移（從勻速直線運動遷移到一般勻變速直線運動）。學生結合所畫圖象和微積分思想自然得到x=S梯，繼而推得勻變速直線運動位移與時間的公式。為了提升學生學習能力，教師還可以進行變式提問：“對勻變速直線運動，一段時間內，v-t圖象與t軸圍成的面積可以代表這段時間內的位移，對非勻變速直線運動是否也有這樣的結論？”學生回答：“根據微元法，同樣可以把非勻變速直線運動分成無數個很小的時間間隔，每一段時間間隔內可看成勻速直線運動，通過再累加可證明對于非勻變速直線運動v-t圖象與t軸圍成的面積仍可以表示這段時間內的位移。”

（二）遷移與應用

教師繼續追問：“在微元法中，我們是通過估算法求不同時間間隔下的位移，時間間隔越小，求得的位移越趨近于真實位移。有沒有其他方法既能夠把誤差降到最小又能夠推導出位移公式呢？”對這個問題，教師可安排學生討論，引導學生發現問題的關鍵—— 勻變速直線運動中也可以用整段時間的平均速率替代整段時間的速率。學生通過小組合作計算出不同時間間隔下的位移。（如表3所示）

從表3中明顯可看出，在不同時間間隔下計算出的位移幾乎都等于真實位移。學生可在速度—時間圖象中，進一步中畫出用平均速度大小替代整個過程中的速度大小，通過分析圖象感受“割補法”，利用也可求得位移公式。

教師之后可安排課本例題練習，讓學生體會x=v0t+at2在解題中的應用，適當補充勻減速直線運動方面的問題，培養學生一題多解的能力。

本節內容的關鍵就在于微元法的滲透，從勻速直線運動到勻變速直線運動，再到非勻變速直線運動，不斷產生知識的關聯性，學生的知識體系就不再是孤立的、零散的，而是在教師的引導下不斷產生聯想，將新舊知識進行再關聯與再建構，從而形成完整的知識結構，這正是學習物理這門邏輯嚴密的自然學科所需要的。

本文的教學設計注重學生自主獲取知識的過程，從一個真實物理問題入手，將“微積分”這樣一個在物理學發展中極為有效和深刻的思維方法，以簡約化的方式呈現出來，培養學生的科學思維和研究方法，體現了物理學科的核心素養，讓學生在自主學習中，從提高“解題能力”轉向提高“解決問題的能力”，進而轉向“發現問題的能力”。

【參考文獻】

[1]郭華.深度學習的五個特征[J].人民教育，2019（6）.

[2]宋善炎，丁向陽.“有意義學習”與“有意義的學習經歷”[J].教育科學研究，2010（3）.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：4.

注：本文系湖南省普通高等學校教學改革項目“基于深度學習的物理課程與教學論課程教學改革研究與實踐”（編號：HNJG-2020-0164）研究成果。

【作者簡介】黃藝雯（1996— ），女，湖南師范大學物理與電子科學學院課程與教學論（物理）碩士生;宋善炎（1964— ），男，湖南師范大學教師教育學院院長，教授，博士生導師;張 瑜（1996— ），女，湖南常德人，二級教師，碩士研究生學歷，研究方向為中學物理教學。

（責編 馬群耀）