高中物理深度學習的設計和實踐

摘? ? 要：物理教學中要促進深度學習的發生，教師就必須精心設計突出“體驗性、參與性與生成性”的具身教學環節。教師可“以終為始、逆向設計”，創設真實的情境，誘發學生的認知沖突，引導學生在實際問題的解決過程中完成知識的建構和生成;也可設計結構有序且層進的物理情境和問題，將物理事實、物理現象轉換成符合高中生認知能力的探究活動，逐步培養學生模型建構的科學素養;還可讓學生積極參與實驗設計和實驗探究過程，并引導學生對自己和他人的學習內容、方式、過程、結果進行反思、評價、批判、總結，培養學生的遷移創新能力。

關鍵詞：深度學習;物理教學;具身認知;受力分析

深度學習是以內在學習需求為動力、以理解性學習為基礎，運用高階思維批判性地學習新的思想和事實，能夠在知識之間進行整體性聯通并將它們融入原有的認知體系進行建構，能夠在不同的情境中創造性地解決問題，能夠運用元認知策略對學習進行調控并達到專家學習程度的學習[1]。指向深度學習的物理教學，要求教師精心設計突出“體驗性、參與性與生成性”的具身教學環節，借助師生、生生的多維深度對話和問題驅動，促使學生的思維認知結構從單點、多點水平進階到關聯水平，甚至質變到拓展抽象水平。下面，筆者以“受力分析中彈力和摩擦力關系”這一教學難點為例，談談促進高中物理深度學習的策略。

一、懸念沖突? ?認知建構

受力分析是解決力學問題的基礎，在新授課和單元學習課中，教師不僅要讓學生掌握如何從力的產生條件、平衡知識、力和運動關系方面進行分析，并能畫出受力圖，更重要的是讓學生掌握受力分析的常規順序，養成良好、規范的受力分析習慣。

【案例1】新課教學

“分析摩擦力之前沒有先判斷是否有彈力”和“沒有按重力、彈力、摩擦力常規順序作受力分析”，這兩個問題是新授課后學生常見的認知缺陷。例如在受力分析作業中，很多學生對圖1（見下頁）中墻和物體B之間是否有摩擦力存在疑問。此時，教師應“以終為始、逆向設計”，創設真實的情境，誘發學生的認知沖突，激活其強烈的學習動機，促使深度學習持續發生，使學生形成相關物理觀念。

創設情境：出示教師本人徒手爬平面墻的照片（圖略）。

提問：大家有何感想？

學生討論：憑直覺感到這情境不符合真實的生活經歷和物理事實，懷疑照片真偽。

追問：如何證偽？

提出方案：受力分析和實驗驗證。

設計依據：深度學習倡導在實際問題的解決過程中完成知識的建構和生成，這需要教師創造使學習真實發生并持續的條件。動機是維持學生學習活動的心理動因，生動、有趣，尤其是能誘發認知沖突的物理情境，是深度學習的基礎，它能讓學生進入情緒高昂和智力振奮的內心狀態，激發學生的探究興趣。

【案例2】單元學習課教學

教師應認識到需要經過多次訓練，學生才能在受力分析上達到教學要求。因此，教師需要設計結構有序且層進的物理情境和問題，促使深度學習持續推進。

再創情境：出示小明徒手攀爬直角墻面的照片（圖略）。

原始問題：為什么小明能爬上墻壁？

表征問題：假設某時小明只靠雙手靜止支撐在墻面上，請分析他的受力情況。

成果呈現：出示學生的受力分析圖。

整個教學過程如圖2所示。

設計依據：原始問題是指在自然界及社會生活、生產中客觀存在，能夠反映科學概念、規律本質且未被加工的典型科學現象和事實，具有生態性、開放性等特點。學生需要在建模之前認識問題、表征問題。因此，教師必須重視將物理事實、物理現象轉換成相應的物理問題，進行符合高中生認知能力的探究活動。教師設計活動環節，并和學生一起分析主要、次要因素，將“雙手雙腳動態攀爬的人體”抽象成“只具有兩個接觸面的靜態平衡物體”，讓受力分析具有可操作性，逐步培養學生模型建構的科學素養。案例1情境突出“有彈力是摩擦力的產生條件”，案例2再創情境進一步突出“彈力和摩擦力方向相互垂直”的關系。

二、互動磋商? ?社會建構

學習不是簡單的傳遞和接收，而是知識的建構和生成，是新舊經驗的相互作用。學習不但強調個體心智活動的主動性，更應兼及社群與集體之間的互動、磋商、討論，直至形成共識。教師要在“創設情境引發思考”的基礎上，組織和引導師生、生生進行多維對話，推進深度學習。

例如，在案例1中，筆者設計對話建構，即師生、生生之間充分溝通合作、討論交流，得出照片是在游樂園“倒置屋”中拍攝的，并且轉過90°。在積極的參與過程中，學生形成了“接觸面粗糙，之間有彈力，有相對運動趨勢”是靜摩擦力存在的必備條件的物理觀念，習得了按“重力、彈力和摩擦力的順序”進行受力分析的程序和規范。其教學過程如圖3所示。

又如，在案例2中，筆者先出示典型錯誤受力圖，讓學生討論交流。有學生覺得還有其他可能，提出對稱的兩種情況。又有學生受到啟發，畫出不對稱的四種情況。在對比鑒別后，突然有學生產生質疑，認為“摩擦力分解后的水平分量不能相互平衡”，繼而重新審視這幾種不對稱的情況，發現都不合理，討論由此陷入僵局。直至有學生自我反思批判后，大家意識到“又忘了畫彈力”，問題才得到解決。最終，學生逐一分析，得到正確的受力分析圖。

設計依據：認知建構強調“學習是學習者積極主動建構的過程”;社會建構強調“師生互動、生生互動是課堂教學中最基本、最重要的人際關系”。讓學生展示成果、互動交流，可促使不同觀念對立、交鋒，教師再設計垂直互動的師生對話和水平互動的生生對話，就可引發學生進行論證、批判、質疑等高階思維活動。學生經歷高端思維活動和科學探究體驗的問題解決過程，能鍛煉科學思維，培養科學態度與責任。

三、具身體驗? ?激發情感

具身認知理論指出教學過程是對認知、身體、環境三者的整合與運用，具身學習強調“體驗性、參與性與生成性”。在物理教學中，教師應讓學生積極參與實驗設計和實驗探究過程，讓學生切身經歷視覺、聽覺或觸覺的活動體驗。

在案例1中，筆者讓學生設計實驗方案并分組演示體驗。有學生提出用深色書本和粉筆擦演示斜面和豎直面的比較;有學生提出需要用力按粉筆擦才能擦去黑板上的字跡，并上臺體驗讓粉筆擦貼豎直黑板自由下落能否達到擦拭效果的實驗。此外，教師可在保證安全的情況下，組織學生在課外活動中參加一步蹬墻活動，體驗摩擦力和彈力的關系。教師也可播放《碟中諜4》中湯姆·克魯斯扮演的角色攀爬迪拜哈利法塔玻璃幕墻的視頻，將畫面定格在他單手懸掛在玻璃墻上的場景，讓學生將之與上述爬墻情境對比體驗。

在案例2中，教師可設計體驗活動，如用白紙模擬折成直角墻面，讓學生模擬雙手的擺放姿勢，再適時播放“7歲男孩徒手爬墻”新聞視頻，讓學生觀察對比男孩手、腳的爬行方向，增加具身體驗。

設計依據：深度學習的核心特征是“活動與體驗”，教師需要精心設計有序的學習活動，注重學生全身心的體驗，以學生活動的“身體介入度、主動參與性、知識生成性”為核心指標，對物理教學過程及時進行評估，并適時改進。“情境化”的認知建構強調培養學生的具身認知和直觀的形象思維，而“去情境化”的社會建構可讓學生獲得一般化的抽象認知和抽象思維，“再情境化”的具身體驗則通過同化順應強調新舊知識的內在邏輯關聯，進一步豐富學生的認知結構，引導其形成系統的知識體系，促使其科學思維發生質的變化。

四、關聯整合? ?優化結構

反思是一種高層次的認知活動，是形成良好悟性與內省力的有效學習策略。自我反思是以自己的學習現狀為思考對象，對自己的學習計劃、完成情況以及學習成效進行過程監控與結果評價。教師應引導學生對自己和他人的學習內容、方式、過程、結果進行反思、評價、批判、總結。

例如，在案例1中，筆者組織學生總結、歸納、整合實驗設計和探究過程。其過程如圖4所示。

又如，在案例2中，筆者利用相關錯誤資源，追問“這樣的受力情況在什么情況下出現”。學生討論、整合了“內凹、外凸直角墻面”，并提出更為復雜的攀爬“凵形墻柱”問題，筆者再適時播放“女孩爬凵形墻柱”視頻，以增加學生的具身體驗。

設計依據：學習是一個對各種信息源與節點進行連接的過程，學生在各種知識和現象之間建立聯通關系，就可逐漸建構起關聯的知識體系。教師應設計促使學生把新情境的刺激納入到原有圖式的學習任務，引導學生進行深度加工并掌握合理的元認知策略，促使學生形成“關聯結構水平”的知識結構，并進一步整理與提升[2]。同時，教師還要教會學生認識、調節和監控自我的內部認知過程，最終促進教學和評價的融合。

五、問題驅動? ?遷移創新

深度學習的目標是：學生不僅能將知識相互關聯，還要把問題遷移到相關的不同情境中，并創造性地在新情境中對問題進行歸納和演繹，或者能抽象并概括出新的物理模型，使之適用于新的問題情境。物理與生活聯系密切，教師應設計待解決的實際學習任務或問題，引導學生認識“科學、技術、社會和環境（STSE）”間的關系。

例如，在案例1中，筆者播放“湯姆·克魯斯扮演的角色攀爬玻璃墻”后，繼續提問“生活實際中有沒有類似的應用”，學生聯想到“自動擦玻璃機器人”，筆者于是布置課后研究性作業：機器人吸附原理探究及制作模擬裝置。

又如，在案例2中，有學生在總結“內凹外凸直角墻面以及凵形墻柱”的受力分析后，提出更為復雜和實際的電工攀爬“圓柱形電線桿”的受力問題，筆者于是布置課后研究性作業：探究腳扣式登桿器的原理。

設計依據：學生在知識積累、技能發展和問題解決方面發生的質變結果或學習遷移，是學習目標達成、學習增值的具體體現。教師應有意識地培養學生的遷移創新能力，促使學生的思維認知結構在真實且層進的學習過程中，從關聯水平逐步質變到拓展抽象水平。

參考文獻：

[1]付亦寧.深度學習的教學范式[J].全球教育展望，2017（7）：47-56.

[2]黃晶.基于SOLO分類理論的教學實踐和改進——以多次光學成像問題為例[J].教學月刊·中學版（教學參考），2014（11）：24-27.