基于深度學習的高中物理PBL教學模式研究

侯語嫣，李德安

華南師范大學物理與電信工程學院，廣州 510006

在新課改強調培育學生核心素養的背景下，深度學習理念、PBL模式與物理教學的融合成為研究熱點，但缺乏對深度學習、PBL模式與物理教學的整合研究。深度學習與PBL教學模式相互兼容、相互作用，基于深度學習理念設計高中物理PBL教學模式，為物理教學提供一種參考范式，能夠實現學生的深度學習，提高學生的問題解決、科學推理、遷移應用、批判思考的能力。

1 基于深度學習的PBL教學模式的內涵

1.1 深度學習的內涵

深度學習起源于計算機領域，后廣泛應用于教育領域。而對于深度學習的內涵，國內外學者有以下幾種觀點：認知-生成說，深度理解說，理解-遷移說，體驗學習說，三元學習說[1]。

綜合幾種觀點來看，深度學習是一種基于知識理解的高水平的學習。在已整合的知識為基礎上，學習者主動、批判地學習新知識，將它們融入原有認知結構中，并且用舊知識解決新情境下的問題[2-3]。深度學習目的在于發展高水平、高階的思維的認知。與之對應，淺層學習的學習認知程度水平則比較低，只是簡單單向地獲取數據信息，不能深層獲取與加工數據信息，對其理解更多停留在表面意義。淺層學習與深度學習在學習發展上有遞進關系，淺層學習是深度學習的基礎，深度學習是淺層學習的進階和深化。與淺層學習不同，通過深度學習能獲得高階的知識、能力及智慧。但深度學習和淺層學習不是完全對立，深度學習并不等于否定淺層學習[1]。學習者需具備一定的淺層信息（如數據、事實、程序和定義）才能進行深度的更有意義的學習，二者的關系是遞進的，如圖1所示。

圖1 淺層學習與深度學習的過程

與淺層學習相比，深度學習更強調信息整合、重視知識建構，更注重批判理解、問題解決、遷移運用等能力的形成，著力生成智慧。總而言之，深度學習著重學習的本質，強調學習的思維和認知的發展，力促知識本質的理解和對所學內容的批判性吸收，追求有效的學習遷移和真實問題的解決，屬于基于高階思維的有意義學習。

1.2 PBL教學模式的內涵

PBL模式起源于國外醫學教育領域。20世紀80年代，美國研究型大學在高等教育改革中把培養創新人才作為教育目標。而后，PBL教學模式在美國大學中被廣泛應用并取得一定成效。

PBL教學模式是基于問題的教學，即以問題為基礎的教學模式。PBL教學模式以問題驅動學生，將真實、有意義、有聯系的問題情境作為學生探索知識、發展能力的載體，學生以自主探究及共同協作的方式解決問題。在問題解決過程中，激發學生學習的能動性，使其掌握問題背后的科學知識，形成問題解決和自主學習的能力[4]。

1.3 基于深度學習的PBL教學模式的內涵

將深度學習與PBL教學進行對比，如表1所示。

表1 深度學習與PBL教學模式的對比

對比發現深度學習與PBL教學模式的各種教學元素，發現二者在許多方面有共同點、關聯性強，可以相互兼容，并且有相互作用：應用PBL教學模式可促進學生的深度學習，反過來深度學習也能將PBL教學模式帶入課堂。在教學特點、教學內容、教學方法和環節、學習方法及評價方式上，深度學習與PBL教學模式具有共通性。它們都通過提供真實問題情境，讓學生自主思考、分析研究問題，進行小組合作，最后構建知識體系、培養自主學習能力和高階思維。另一方面，由于PBL教學模式對深度學習有促進作用（從教學目的、教學意義出發，PBL教學模式契合深度學習理念），基于深度學習的理念設計PBL教學模式是很適切的方法，PBL教學模式的開發，能夠實現學生深度學習，在真實情境中提高解決問題的能力[5-6]。

2 基于深度學習的PBL物理教學模型

在問題教學中會伴隨有深度學習。在深度學習和PBL教學模式基礎上，開發基于深度學習的PBL教學模式來輔助實際教學。根據問題教學的基本過程，將該教學模式分為六至七個階段，每個階段都對應相應的教學理念、教學環節及教學活動。

2.1 指向深度學習的PBL物理概念教學模型

表2為基于深度學習的PBL物理概念教學模型。

表2 基于深度學習的PBL物理概念教學模型

基于問題的研究步驟設計物理概念教學，可將概念教學分為創設問題、表征問題、研究問題、解決問題、交流問題和反思問題六個階段，每階段對應深度教學的相應教學環節的理念，再根據物理概念教學的特點設計教學環節和教學活動。首先，通過利用實驗、生活實例等創設情境，提供有意義的正確前概念問題；其次，通過構建表征模型，重現學生的相關前概念，分析拆解所提問題；再次，在同化、順應前概念的基礎上設置與物理概念有關的體驗活動，使學生感知概念的形成過程；接著，通過提供解決問題的思維方法引導學生應用物理概念解決問題；最后，組織小組討論，辨析相關物理概念，提供與物理概念相關的正反例，以深化對物理概念的認識，掌握認識相關概念的聯系和區別，理解概念的內涵與外延[1]。

2.2 指向深度學習的PBL物理規律教學模型

表3為基于深度學習的PBL物理規律教學模型。

表3 基于深度學習的PBL物理規律教學模型

基于問題的研究步驟設計物理規律教學，同樣將規律教學分為六個階段和對應深度教學環節的理念，然后依據物理規律教學的特點設計教學環節、教學活動。首先，通過實驗、邏輯推理等創設“兩難”情境，激發學生的認知沖突；其次，引導學生找出問題涉及的物理概念或物理現象以顯化問題的要素；再次，設置與規律建立相關的探究實驗或體驗活動，還原規律的建立過程；接著，通過滲透學習規律的科學方法和解決問題的思維方法內化物理規律，理解有關物理概念間的必然聯系，應用其解釋所提問題；最后，組織小組討論，辨析相關物理概念及規律的聯系、引導學生反思規律建立的過程，得出物理規律與相關概念及規律間的關聯，知悉物理規律的近似性和局限性[1]。

2.3 指向深度學習的PBL物理實驗教學模型

表4為基于深度學習的PBL物理實驗教學模型。

表4 基于深度學習的PBL物理實驗教學模型

物理實驗是開展科學探究最主要的一種方式。根據實驗探究的基本步驟結合PBL教學設計實驗教學模型。科學實驗的7個探究步驟為提出問題、猜想假設、設計實驗、進行實驗、分析論證、得出結論、交流評估。因此，將PBL教學階段劃分為創設問題、表征問題、研究問題、分析問題、解釋問題、交流問題、反思問題7個階段，與實驗流程一一對應，再根據深度學習設計適配的教學理念，補充教學環節和教學活動，完成基于深度學習的PBL物理實驗教學模型建構（表4），以培養學生的科學思維，發展科學探究能力。

3 基于深度學習的PBL物理教學策略

3.1 問題搭橋策略，深度導入問題

搭橋類比策略是一種能有效促進學生概念轉化的教學策略。搭橋類比策略以學生的參照情境為基礎，通過提供一系列漸進式的橋接問題，來擴展學生正確的直覺判斷，以解決困難情境的目標問題。物理教學中運用問題搭橋策略進行提問，有利于學生物理觀念的形成與知識的意義建構，教師以問題搭橋引導學生探尋解決問題的方向，而不是一味地把答案呈現給學生[7]。

案例1楞次定律——研究感應磁場的方向和原磁通量變化之間的定性關系，教師將磁鐵的兩極分別靠近載有線圈的小車。提問：當N極靠近線圈時，線圈中磁通量是增加還是減少？由同性相斥可知感應磁場和原磁場方向相同還是相反？感應磁場此時會阻礙線圈中磁通量的？（增加／減少）

這個案例的實質是應用問題搭橋策略突破教學難點（圖2）。教師采用提問的方式，用問題引發學生的學習需求，引導全體學生進行思考，在接下來的講解中就變傳統的灌輸式的講解教學為探討性的引導和幫助，使課堂教學氣氛更融洽自由[8]。通過系列問題搭橋形成問題串，由易到難、由淺入深、由簡入繁，對楞次定律的形成過程進行方法總結。這與維果茨基的最近發展區理論相契合，即教學應走在發展前面，教師應引導學生一步一步建立物理概念和物理規律，逐步形成高階思維。

圖2 應用問題搭橋策略研究感應磁場與原磁場間的定性關系

3.2 實驗探究策略，深入研究問題

實驗探究策略是通過具體情境引導學生積極自主地開展實驗，探索物理現象產生的原因，從而解決問題疑惑的過程。從故事情境出發，利用學生的認知內驅力，使探究實驗成為學生的內在需求。根據問題開展探究實驗，不僅創設了輕松有趣的學習氛圍，而且能令學生體會到學習物理的現實意義，使物理知識的作用鮮活生動起來。

案例2共振——探究受迫振動振幅與驅動力頻率的關系。

此案例探究受迫振動的振幅與驅動力頻率之間的關系（共振現象），學生已經學習過自由振動和受迫振動，知道受迫振動的頻率由驅動力頻率決定，但不清楚受迫振動振幅與驅動力頻率的關系。

教師放映動圖，將小豬放在桌面的小方塊上，小鳥懸掛到與小豬等高的高度，扇動小鳥，小鳥擺動但是無法將小豬撞倒。怎么用力扇，發現小鳥都撞不倒小豬？提問：怎樣通過扇扇子讓小鳥撞倒小豬呢？接著引導學生回顧受迫振動，猜想小豬的狀態、受迫振動的振幅（劇烈程度）與扇動頻率有關。隨后組織學生分組實驗，分別探究扇動頻率小于、等于、大于小鳥原振動頻率（固有頻率）時小豬是否被撞倒。

教師設置的“憤怒的小鳥”實驗情境既能激發興趣，又引人深思，學生既不完全陌生，又不完全理解，教師利用這一情境引出探究實驗的主題。學生在應用原有的知識進行分析問題時遇到困難，要徹底解決問題就需要在舊知識的基礎上進行實驗探究新知識點——受迫振動振幅與驅動力頻率的關系。而這位教師能把握時機，應用邏輯發展的特點，啟發學生思維，引導學生以實驗來探究問題——小豬的狀態與扇動頻率的關系，亦即受迫振動振幅與驅動力頻率的關系。可見，教師設置探究任務，不但能激發學生的學習動機、實現課堂主題的自然呈現，而且可以發展學生的科學探究思維和問題解決能力，有一舉多得的教學效果。

3.3 認知診斷策略，深化評估問題

認知診斷就是將認知理論和心理測量模型結合起來，應用心理計量模型對被測者的認知優勢、劣勢進行分析診斷。簡單來說，就是將題目涉及到的知識點、思維過程轉化為問題測量模型，獲得被試者對知識的掌握情況和思維的發展情況。根據認知診斷策略有針對性地檢測學生所遇障礙，來確定學生是否遇到學習障礙，遇到什么樣的障礙，以達到深入理解物理概念和物理規律的目的。

案例3點電荷——反思庫侖定律的近似性和局限性（圖3）。

圖3 應用認知診斷策略反思庫侖定律的局限性

庫侖定律的適用范圍是：只對真空中的點電荷成立，電荷不是點電荷時，若r遠大于電荷的尺度，公式仍然適用。若教學只及于此，學生的認知是機械片面的，實際問題中也只會代公式，不能實現深度學習。為解決這一問題，提出問題：兩電荷間的距離r→0時，庫侖力多大？根據，當兩電荷間的距離r→0時，F庫=∞，此時庫侖力無窮大。但r→0時，F庫不應為無窮大，這與實際不相符。引導學生進行認知診斷分析，為什么會存在矛盾？此時庫侖定律仍然適用嗎？經過反思診斷得到：庫侖定律的成立條件是電荷為真空中的點電荷，而r→0時，電荷本身的形狀大小與距離r相比較大，已經不能忽略了，此時點電荷模型不再適用[8]。

以問題形式測試學生，然后結合實際情況分析，進行認知診斷，在矛盾中找出思維障礙及存在障礙的原因，在過程中學生對于點電荷有了更深刻的認識，實現了概念的外延。采用認知診斷策略，學生獲得的不僅是結論，更是深刻的思維方法，體會物理規律之美，對于科學思維、科學態度也產生深刻理解，形成對深度學習和PBL教學模式的實際體會[9]。

4 結語

基于深度學習PBL物理教學模式，給物理概念、物理規律、物理實驗教學提供詳細的教學模型、教學策略及教學案例參考。指向深度學習PBL物理教學模式對學生深度學習、教師深入教學具有借鑒意義，這種以問題為線索、根據問題的處理解決階段來確定教學環節和教學活動的模式，有助于學生知識的意義建構、思維的高階提升、能力的向上發展、智慧的積累形成。教師從知識的傳授者轉為知識建構和多維能力培養的引導者和輔助者，實現課堂教學的深層變革，為學生科學推理、問題解決、遷移應用、質疑創新等高階思維的培養創設一種行之有效的方案模式。