基于“深度學習理論”的高中物理教學實施策略
——以《機械能守恒定律》為例

王 磊

(江蘇省常熟市中學 215500)

新課標明確要求在物理教育教學過程中要把學科核心素養貫穿始終，使學生在接受教育的過程中，逐步形成適應個人終身發展和社會發展所需要的必備品格和關鍵能力.而“深度學習”，不同于“淺層學習”，它是基于理解的學習，深度學習者能夠批判地學習新的思想和事實，將其融入原有的認知結構，并能將已有的知識遷移到新的學習情境中，從而做出決策并解決學習中的問題.這種逐步“內化”的過程正是學生必備品格和關鍵能力的形成過程.本文基于深度學習理論，以人教版高中物理必修二第八章第四節《機械能守恒定律》為例，探索如何高質高效地開展深度學習.

1 通過實驗創設物理情境，引導學生深入思考

深度學習是一種具有主動性和批判性的學習方式，它要求學習者在激活先前知識的基礎上，對于所獲得的新知識進行有效的深度加工.是基于一定的理論基礎，再到情境認知，繼而過渡到元認知的過程.所以課堂上可以通過趣味實驗，創設與所學知識相關的物理情境，更好地激發學生學習的主體性、能動性和發展性.因此，本節課新課導入部分，設計如下實驗：

實驗1：裝有小鋼球的藥丸殼沿杯壁下翻越來越快，猜想:過程中重力勢能轉化為動能.(圖1)

圖1 圖2

實驗2：懸掛著的小球從緊貼杯壁處釋放，擺回時，看還能不能碰到杯壁？(圖2)

問題：為什么每次小球擺到杯壁處都碰不到杯壁？

猜想：小球過來時的動能太小了，如果小球的動能沒有減為零，它就會碰到杯壁.

問題：為什么小球到來時的動能總為零呢？有什么規律嗎？

猜想：由于空氣阻力的影響，小球的機械能有損耗，所以總不能碰到杯壁；若忽略空氣阻力，小球擺動過程中動能與勢能相互轉化，總的機械能恒定不變，小球就能碰到杯壁了.

問題：既然總的機械能保持不變(守恒)，那么你知道哪些情況下機械能守恒嗎？

通過以上兩個小實驗，一方面幫助學生回憶動能與勢能相關知識，建立一定理論基礎，同時，創設新的物理情境，引發學生對動能和勢能之間的相互轉化進行思考，激發學生的探究欲望和學習興趣，為后面的深入學習做鋪墊.

2 問題鏈引導思維，注重知識的保持與遷移

問題能夠引發思考，而層層遞進的問題鏈能夠促進學生更深入地進行高階思維，引發深度學習.所以教學過程中教師要善于設問，巧于設問，且所設問題要具有引導性、階梯性和驅動性，幫助學生進行知識的保持與遷移.因此，在本節課的理論分析部分，通過二個過渡性的問題加上三個典型模型對機械能守恒定律進行定量分析：

模型1：物體只受重力時的機械能

質量為m的物體自由下落過程中，經過高度h1時速度為v1，下落至高度h2處時速度為v2，不計空氣阻力，分析物體由h1下落到h2過程中機械能的變化(教師引導學生進行思考分析).

結論：物體只受重力時機械能守恒.

問題1：物體除受重力還受其他力時，機械能守恒嗎？猜想：應該也守恒.

模型2：物體除受重力之外還受其他力，但其他力不做功

光滑曲面下滑的小球，經過高度h1時速度為v1，下滑至高度h2處時速度為v2，不計空氣阻力，分析物體由h1下滑到h2過程中機械能的變化(學生自主進行推導).

結論：在只有重力做功的情況下，物體動能和勢能可以相互轉化，而機械能總量保持不變.

問題2：勢能包括重力勢能和彈性勢能，只有重力做功時機械能守恒，那么只有彈力做功時機械能是否也守恒呢？猜想：一定也是守恒的.

模型3：系統內彈力做功時物體的機械能

水平面內的彈簧振子，簡要分析系統彈性勢能與動能的相互轉化，注意動能和彈性勢能之間的轉化是通過彈力做功實現的.

結論：在只有彈簧彈力做功條件下，物體系統的動能與勢能可以相互轉化，總的機械能保持不變.

上述過程是本節課的重心，為了更好地推進學生進行深度學習，筆者以層層推進的問題鏈為導向，由淺入深，由簡及繁，讓學生從已學知識更好地遷移到新知識的學習.三個模型看似條件越發苛刻，其實是對機械能守恒定律從特殊到一般的推廣，促進學生的高階思維，幫助學生利用一定的線索把相關體系有機聯系在一起.這樣一方面大大提升學生對于宏觀知識的把握，另一方面也培養了學生的邏輯思維能力.

3 啟發學生自主總結和歸納，推進知識的再建構

深度學習要求學習者必須對所學內容具有較強的宏觀把握能力.而當前的教育教學過程中，教師往往追求知識的細枝末節，生怕遺漏一個考點，過于關注考什么，而忽略了學生學什么.學生在學習過程中也由于缺少自主消化和吸收新知識的時間，很少對所學知識進行歸類總結.這也是很多學生在當前新高考模式下不能舉一反三，繼而畏懼創新題型的原因.所以在平時的教學過程中，教師要有意識地啟發學生及時總結和歸納，推進知識的再建構.因此，在上述模型1的推導過程中，筆者通過以下兩種方程表示，引導學生推出機械能守恒定律的表達式：

(1)

表達式(1)△Ek=-△EP， 這是從能量轉化的角度，認為過程中物體動能的增加等于勢能減小量，反之亦然.

(2)

表達式(2)Ek1+Ep1=Ek2+Ep2，這是從能量守恒的角度，認為物體運動過程中，初狀態和末狀態機械能相等.

同時，總結出機械能守恒定律的適用條件：只有重力或彈力做功(自由落體，光滑曲面下滑小球，彈簧振子等).

該部分通過總結歸納，旨在幫助學生在掌握定律內容的同時形成所學知識的框架和體系，從而完成自我構建的過程，也為學生初步應用定律提供了科學的方法.

4 轉變教學評價方式，讓學生所學內容真正“內化”

深度學習是以學習者為中心的，是自我導向的，是學生在已掌握知識的基礎上，不斷地深入理解，加上批判性思維，繼而不斷的反思，最后將所學知識應用于實踐的過程.而教學評價是教學的重要環節，深度學習理論下的教學評價不能僅僅停留在做題、解題，應該更多地關注過程性評價，貫穿整個學習過程，同時關注學生的自我反思，讓學生所學內容真正“內化”.

例如，本節課理論分析第一個實例結束后，筆者給學生布置了分組實驗，要求學生利用已有器材(鐵架臺、打點計時器<附紙帶>、刻度尺、重錘)設計實驗驗證機械能是否守恒.這樣就從理論推導和實驗驗證兩個方面對自由落體運動機械能守恒的結論進行了深入而嚴密的分析.一方面把實驗探究貫穿到理論推導中，讓課堂教學“活”起來；另一方面，在實驗探究過程中的數據處理、誤差分析等也能幫助學生更好地理解機械能守恒的條件，以便后續更好地應用于實踐.

再如，當學生得出機械能守恒成立條件時，筆者讓學生舉例說出生活中有哪些情況下物體機械能守恒，而沒有直接展示生活情境讓學生判斷.這樣可以充分發揮學生作為學習者的能動性，也能關注到更多真實場景下的實際結論，使后續教師教學更具有針對性.同時，學生在思考討論的過程中，發散性思維也可以提升自我反思和自我評估的能力.

最后，針對學生舉出的生活實例，我又布置了兩個小任務留待學生課后自行解決，鞏固學生對機械能守恒定律的理解和掌握.

任務一：新課開始時演示的小球碰杯實驗，請大家想出一個辦法使小球總能碰到杯壁，并且聽到敲擊的聲響？

任務二：質量為m的運動員從一定高處自由下落到蹦床上，試分析該過程中的能量轉化關系.

(1)系統涉及幾種形式的能量？

(2)哪些力對運動員做了功？

(3)機械能是否守恒?

(4)運動員運動過程中的能量轉化情況？

這樣，讓學生充分體會到物理來源于生活，又回歸于生活、服務于生活.讓物理學習從“外界灌輸式”變成“自我要求式”，促進以自我為需求的深度學習.

本節課以深度學習理論為指導，開展高中物理《機械能守恒定律》的教學活動.過程中通過四種方式推進學生深度學習，從典型的物理情境出發，總結出科學的結論.這只是深度學習理論用于高中物理教學的一個案例，而深度學習作為高中生學習物理行之有效的方式，值得我們更進一步地研究和推廣.