促進深度學習的高中物理教學設計

侯新杰 張玉瑩

摘 要：深度學習是提升學科核心素養的有效途徑.以“光的偏振”教學為例探索促進學生深度學習的教學路徑.教學設計通過創設情境，設疑激趣;通過類比架橋，促進知識整合;通過層層遞進的挑戰性活動實現學習進階，引導學生在深度學習中提升物理核心素養.

關鍵詞：深度學習;物理核心素養;光的偏振 ;教學設計;高中物理

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）21-0030-05

基金項目：河南省教師教育課程改革研究立項重點項目“基于‘課例研究培養師范生教學技能的理論與實踐”（項目編號：2020-JSJYZD-024）.

作者簡介：侯新杰（1963-），男，河南長葛人，博士，教授，碩士生導師，研究方向：物理課程與教學;

張玉瑩（1998-），女，河南西峽人，本科在讀，研究方向：物理教學.

1 問題提出

物理課堂教學是培養學生物理核心素養的重要陣地.目前物理課堂教學還存在著一些不太令人滿意的現象：教師偏重知識講授，學生習慣被動記憶;師生簡單問答，思維深度膚淺;課堂活動表面化，實施已有方案等同科學探究.知識的形成過程被扭曲，使得學生局限于“識記、領會、解題”的低層次學習，不利于培養學生物理核心素養.

深度學習指的是在教師的引領下，學生圍繞具有挑戰性的學習主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發展等有意義的學習過程.“挑戰性主題”明確學習內容須是學科核心知識，承載著學科核心素養.“全身心積極參與、體驗成功”明確學習要在活動中進行，重視學生的投入度、思維深度及情感體驗;“獲得發展”明確學習結果，要求學生深度理解學科概念，領會學科思維方法，發展核心素養.總的來說，“深度學習”強調學生“探索”知識“發現”過程，結合已有知識經驗融會貫通地建構新知，并且能舉一反三，遷移運用，最終形成積極的學習動機與情感態度.可見深度學習可以有效挖掘知識背后的思維方法與價值取向，有效提升學生的物理核心素養.

本文嘗試以“光的偏振”教學設計為例，探討如何創設情境激發學生的深度學習，如何設置活動保證學生學習不僅“深”而且有“度”，如何在促進學生深度思維的同時培養其科學態度與責任，希望能給廣大教師提供啟發和參考.

2 教學目標設計

2.1 教材分析

“光的偏振”是《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》選擇性必修1模塊第三主題“光及其應用”的內容，課標的基本要求是：“觀察光的偏振現象，了解該現象產生條件，知道其在生產生活中的應用;知道光是橫波[1].”本文選用的是2010年人教版選修3-4第十三章第6節，是光與機械波的交匯點，既是對波的擴充也是對光的深入研究.主要內容包括橫波與縱波特點及判斷方法、自然光與偏振光概念、光的偏振現象及其在生活和技術方面的應用.

2.2 教學目標

依據普通高中物理課程標準，分析高中物理教材，制定本節課如下教學目標.

物理觀念：掌握橫波與縱波的特點和判定方法;理解自然光和偏振光的概念、光的偏振現象，光是橫波的性質.

科學思維：通過類比機械波通過相互垂直的狹縫，實驗探究光的偏振現象，掌握將宏觀現象規律遷移到微觀領域中相似現象的科學方法，提高科學推理、論證的能力;通過分析光的偏振應用實例，增強運用知識解決問題的能力.

科學探究：經歷問題、類比、猜想、實驗、解釋交流，探究光的偏振現象，理解光是橫波.

科學態度與責任：了解偏振光在生活中的應用，深切體會“科學改變生活”，激發學習熱情，樹立用科學造福人類的理想.

3 教學活動設計

3.1 以往教材與教學中的不足

結合教材分析與教學實踐，筆者認為“光的偏振”一節課在以往教學中有以下不足：第一，人教版高中物理教材中“光的偏振”一節“偏振現象”部分內容順序混亂，圖13.6-1圖注與內容不符[2]，沒有明確給出“偏振”的概念，容易使學生學完仍不清楚什么是“偏振現象”;第二，以往課堂對于機械波與光波之間聯系的建立太過唐突[3]，僅通過舉例說明或圖片展示橫波的偏振現象雖然可以“承上”卻很難“啟下”;第三，缺少問題情境，忽視學生體驗.教師講授多，學生探究少，學生探究能力與思維發展受到限制.

3.2 教學活動設計

基于以上分析，筆者依據學生概念形成過程中的思維特點進行教學設計.以學生原有知識經驗和體驗作為切入點，教學過程重視創設情境強化學生已有的知識基礎，重視在類比基礎上進行實驗探究促進學生思維發展.因此本節采用架橋類比策略與問題情境探究教學法，設計層層遞進的教學活動（如圖1），展開教學過程.

4 組織教學過程

依據教學活動設計，教學過程按六步組織如下.

4.1 創設情境 提出問題

教師拿出兩張偏振片，告知同學們這是兩張神奇的塑料片，準備現場魔術表演.學生們充滿好奇，反應熱烈.教師隨機邀請一位同學上臺，將兩張偏振片放到演示同學的面前，問：大家可以看到這位同學的鼻子嗎？學生異口同聲：可以！師：那下面我要將這位同學的鼻子變“沒有了”，不要眨眼睛哦.學生們屏氣，目不轉睛地盯著那位同學的鼻子看.教師對著偏振片吹一口氣，晃動偏振片的同時快速將一張偏振片旋轉90°，對于這一細節操作，學生毫無思想準備，突然就看不見演示同學的鼻子了（如圖2）！教室里響起陣陣驚呼.

教師趁熱打鐵提出問題：這個神奇的塑料片是什么？為什么會有這么神奇的現象？看來魔術真奧秘，只因不識偏振光.今天，讓我們一起走進光的偏振世界，來一探究竟.

設計意圖：問題是思維活動的起點，而問題的產生需要通過情境的激發.利用“光不能通過兩塊透振方向垂直的偏振片”表演魔術，設疑激趣，誘發思維活動;其次，該魔術相對 “穿墻而過”的表演更直觀，為后面探究光的偏振現象做鋪墊，更容易使學生抓住本質.

4.2 聯系舊知 架橋類比

問題1：光的干涉與衍射現象說明光是一種波，那么光是橫波還是縱波？

面對這一問題，學生自然會聯想到利用機械波中的橫波、縱波的概念來解釋，但又因為光波振動方向不可見而產生困惑.

問題2：橫波與縱波還有哪些特點？請觀察繩波與彈簧通過不同方向的狹縫的演示動畫，歸納總結出區別橫波、縱波的新方法？

設計意圖：面對一個陌生的現象，學生往往會借助頭腦中原有的知識經驗來理解新事物，根據這一思維特點，教學重溫機械波，利用動畫演示橫波和縱波分別通過不同取向狹縫的現象，由學生對比分析得出區別橫波、縱波的新方法（見表1）.通過新舊知識的整合，偏振現象這一概念不再是碎片化知識，而是溝通機械波與光波的橋梁，是判斷光是橫波還是縱波的實驗工具.學生在原有知識基礎上領悟到新知識的意義，在學習新知識的過程中發展聯想、比較、歸納的思維能力，這樣的學習才是深度學習.

4.3 合作探究 同化新知

探究一：光是橫波還是縱波？

受上述實驗的啟發，可不可以用類似的實驗來判斷光是橫波還是縱波？我們把機械波換成光波，狹縫換成偏振片，讓光通過透振方向不同的偏振片，又會觀察到怎樣的實驗現象？我們把上述方法稱之為“架橋類比[4]”，如圖3所示.

教師將表演魔術用的偏振片（已標明透振方向）發放給學生，同時向學生介紹偏振片的特性.引導學生舉起一張偏振片對頭頂的燈光進行觀察，再將偏振片旋轉一周，觀察亮度變化（如圖4）.

教師提出問題：每張偏振片只有一個透振方向，在旋轉偏振片的過程中為什么沒有亮度變化？這說明了光在通過偏振片以前具有怎樣的特性？同學們由此猜測：光在通過偏振片以前，包含垂直于傳播方向上沿一切方向振動的光，且沿各個方向振動強度相同.

教師再次引導學生拿起第二張偏振片，讓兩張偏振片的透振方向先平行再垂直，觀察亮度變化（如圖5）.

學生明顯看到由明變暗再變黑的實驗現象，先由學生小組討論解釋實驗現象，最后由教師概括自然光、偏振光、光的偏振現象等概念.與前面繩波通過狹縫的現象進行對比，學生可以得出光有偏振現象、光是橫波的結論.

設計意圖：通過環節2的探究，已經在光波與機械波間建起了橋梁——只有橫波有偏振現象.學生由此建立類比，作出猜想，尋找規律，在探究光波與繩波本質聯系的過程中提高科學推理與論證的思維能力.其次將教材上光的偏振演示實驗改為師生合作探究實驗，重視學生的感受與體驗，使學生進入深度學習，邊體驗、邊建構起光的偏振的概念.

魔術揭秘：“神奇的塑料片”其實就是偏振片.告知同學們“轉動偏振片同時將其旋轉90°”的操作，請同學們解釋魔術的奧秘，同桌之間互相表演.

4.4 實驗再探 深化理解

經過光的偏振的探究過程，學生已經在頭腦中建立起自然光與偏振光的模型，為了深化學生對于光的偏振的理解，設置了從物理走向生活的探究活動.

探究二：尋找區分生活中的自然光與偏振光.

教師鼓勵學生拿起偏振片，尋找身邊的自然光與偏振光.比如，多媒體屏幕發出的光、透過玻璃的陽光、地板上的反射光、玻璃上的影子等等.引導學生歸納：自然光在木質桌面、水面、玻璃表面等的反射光、折射光都是偏振光（如圖6）.

然后引導學生起立和蹲下，感受明暗變化的不同.即入射的角度不同，反射光線偏振程度也有所不同.只有沿某一角（布儒斯特角） 入射的反射光是完全偏振光.

設計意圖：探究與體驗是深度學習發生的催化劑.通過“問題—探究—歸納”的過程，讓學生自己發現體會我們身邊的反射光就是偏振光，寓教于樂，比起課本上直接告訴學生“反射光、折射光是偏振光”更能發展學生的思維，深化認知.

4.5 聯系實際 學以致用

4.5.1 偏振太陽鏡與攝影

生活中怎樣解決反射光刺眼的問題？該如何利用“反射光是偏振光”解決？請同學們小組討論，互相質疑補充（如圖7和圖8）.

設計意圖：生活實際問題的解決不僅是加深學生理解概念的環節，也是深度學習發生的判斷標準.通過創設反射光刺眼的生活情境，引導學生聯系生活，學以致用，比起直接展示攝影消光的圖片，問題情境更能引導學生的行為和情感投入的學習活動.

4.5.2 液晶顯示

引導學生通過偏振片觀察空調遙控器的屏幕，獲得液晶屏幕發出的光是偏振光的感性認識.接著給同學們展示液晶顯示屏的結構，再借助PPT動畫講解液晶顯示的原理（如圖9和圖10）.

4.5.3 3D電影

2019年國產3D電影“流浪地球”震撼上映，因為精彩的劇情與身臨其境的視覺效果吸引了大批的觀眾，那么3D電影為什么會有立體效果？教師播放視頻并分四步講解：人眼的立體感、拍攝時、放映時、觀看時（如圖11和圖12）.

設計意圖：借助實驗與動畫，簡化偏振現象在液晶顯示、3D電影等的應用，讓學生“跳一跳，就能摘到桃子”，體會到解決實際問題的真實與喜悅.將與概念相關的新技術成果內容融入物理課堂教學，不僅能激發學生學習興趣，也能讓其深切體會到物理與科學、技術、社會的聯系，培養學生的科學態度與責任.

4.6 課外制作 能力進階

（1）完成教材課后作業1和2.

（2）教師表演魔術“穿墻而過”，要求學生課后探究魔術“穿墻而過”的奧秘，并嘗試利用偏振片動手制作道具（如圖13）.

設計意圖：探究魔術奧秘并動手制作是對知識的活化與再創造，不僅加深了學生對偏振的理解，更培養學生的動手能力.讓物理小制作成為學生珍藏的科學藝術品，讓物理活動成為培養學生創新能力的平臺.

5 促進深度學習的教學策略

5.1 創設問題情境

無論是概念的建立、規律的探究還是實際問題的解決都離不開問題情境，情境的設置可以從教學內容與方式兩方面進行.首先，在教學內容方面：（1）增添與學生生活緊密相關的問題、現代科技成果、前沿熱點問題等;（2）可以用生活中的器具做物理實驗，培養學生的創造精神;（3）采用原始物理問題，養成學生估量生活中物理量的習慣.其次，在教學方式方面，提倡采用“舉實例、放視頻、進行演示實驗與學生實驗、解決實際問題、動手制作”等多樣化的教學方式.

5.2 類比架橋

學生已有的知識經驗、認知水平是深度學習發生的基礎與前提[5].故教師要充分了解并利用學生的已有經驗，在學生理解困難的地方“架橋”，促進知識遷移，正確建構概念.學生在類比、猜想、推理、探索的同時發展聯想思維、靈感思維、邏輯與創造思維等.例如在環節二中利用問題啟發和動畫演示機械波通過不同狹縫的現象，類比架橋，幫助學生發現“只有橫波有偏振現象，可以據此來探究光是橫波還是縱波.”從而突破學生思維難點和“機械波與光波的聯系建立唐突”的教學難點.

5.3 設置挑戰性學習活動

物理知識只是形成素養的載體，具有“挑戰性”的學習活動才是形成素養的渠道.因此要將知識轉變為學生探究與實踐的對象，轉變學生的學習方式，倡導深度學習與合作學習.這里應注意“挑戰性”并不是指問題越難越好，而是學生能夠“跳一跳”摘到桃子.教師可參考游戲關卡的設置，既不會讓學生喪失信心也不會感到無趣，逐級克服難點.比如本節課讓學生進行了“探究光是橫波還是縱波”“尋找生活中的偏振光”“解決刺眼的反射光”“自制穿墻而過道具”等層層遞進且有挑戰性的活動，學生高度參與，反響熱烈.

6 結束語

在深度學習理念的指導下，學生不再是知識的被動接受者，而是意義的建構者，教師不僅僅是知識的傳遞者更是思維的引領者.教師在進行教學設計時應思考以下三個問題：第一，如何促進學生深度學習的發生？這就要求教師要把握知識內在的邏輯結構并按照學生的思維發展進行教學.以情境引問題，以問題導探究，在探究中理解知識本質，在解決實際問題中活學活用，在學習遷移中培養創新.第二，如何保證學生學習“深”又有“度”？“深”要求教師要充分了解學生的知識基礎與能力基礎，設計聯系學生經驗、面向真實問題解決、具有挑戰性的學習任務，激發學生高度參與、深度思維;“度”則要求學習任務必須在學生最近發展區之內，需要“跳一跳”才“能夠到”.教師可以把核心問題分解成一系列的子問題，給學生搭建起思維的階梯，逐步達到深度思維.第三，如何在促進學生深度思維的同時又培養學生科學態度和責任？教師要關注物理概念原理的實際應用，通過概念原理在實際生活和技術中應用的實例分析，讓學生理解物理學與技術和社會的關系，潛移默化地培養學生的科學態度和責任.

參考文獻：

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

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.物理（選修3-4）[M].北京：人民教育出版社，2010.

[3]周佳寧，張軍朋.優化物理課堂教學，引導學生自主探究——以“光的偏振”教學為例[J].物理通報，2019（S1）：40-42.

[4]申亞琴，賈澤皓，張萍.物理概念教學的有效方法——架橋類比策略[J].物理通報，2020（01）：11-13.

[5]蔡麗.豐富學生經驗 優化“浮力”教學—指向“深度學習”的教學片段的評析[J].中學物理，2020，38（04）：10-13.

（收稿日期：2021-06-20）