基于深度學習理論的物理課堂教學實踐研究

岳臘生

(首都師范大學附屬中學)

黨的二十大報告明確指出:要全面提高人才培養質量,著力造就拔尖創新人才.而拔尖創新人才的培養絕不能離開基礎教育這個重要環節.這一過程需要彰顯學生“優勢發展”的教育哲學原則,遵循知識整體性學習的教育規律,超越學習成果質量標準評價的束縛,根植于豐富學生就讀經歷的質量內涵式發展的戰略路徑.就目前來講,課堂教學無疑還是教育行為實施的主戰場.

作為中學物理教師,應認真學習課程改革相關文件,深入研究學生學習方式的轉變、學生主體作用的發揮、評價改革等問題,從深度學習理論的角度摸索開展拔尖創新人才培養模式.但是,教學行為的實施面臨著內容多、涉及面廣、課時少的問題;學生背景不同、基礎不同,課堂教學實施難度大;相關工具新且方法活,教到什么程度確實是問題和挑戰.面對“怎么教”的現實問題,一線教師存在彷徨、糾結、畏難等情緒,缺乏有效的課堂教學策略.

1 深度學習理論的內涵

深度學習(Deep Learning)理論于1976年由美國學者基于學生閱讀實驗提出,是針對孤立記憶和非批判性接受知識的淺層學習而提出的關于學習層次的一個概念.國內外研究者普遍認為:淺層學習是指被動的、機械式的、記憶性的學習,只是簡單復制、機械記憶那些零散的、不相關的知識信息,不能深度理解復雜概念及其內在含義,無法主動建構個人知識體系,不能有效解決真實情境中的復雜問題;深度學習是指主動的、探究式的、理解性的學習,要求學習者主動地建構知識意義、將知識轉化為技能并遷移應用到真實情境中來解決復雜問題,進而促進學習者元認知能力、問題解決能力、批判性思維、創造性思維等高階能力與思維的發展.筆者認為,深度學習是學習者利用深度學習方法來獲得高質量學習結果、實現有意義學習的一種高階學習,綜合而言,深度學習突出以學生為中心,強調引導學生主動學習,在路徑上注重促進學生的新舊知識聯結,強調信息整合與批判性理解,最終實現發展學生解決現實問題的能力與高階思維的目的.

2 促進深度學習的課堂教學

隨著教學改革的縱深推進,新的教學理念被教師們所接受,但在實踐層面仍存在不足.從學習目標來看,教師往往在教學內容中生套核心素養,導致知識與技能目標流于淺層;學習內容方面,仍然沿襲接受記憶、強化訓練的指導模式,新知識沒有與原有知識建立聯系,學生不能把知識遷移到新情境中去;學習方式上,將教學活動本身作為教學目的,導致自主、合作與探究變成使學生機械地記憶課本上的知識,難以遞進式地促進學生創新意識、批判思維和實踐能力的發展;從學習結果來看,學生的思維層次仍處于低階水平,舉一反三的遷移能力和解決實際問題的能力普遍偏弱.可以看出,一般教學模式更多為淺層學習,導致學生被動學習,僅停留在“知道和領會”知識的認知層面.

為此,有學者提出基于深度學習理論的課堂實施策略,認為深度學習需要教師通過確立高階思維發展的教學目標,整合意義聯結的學習內容,創設促進深度學習的真實情境,選擇持續關注的評價方式進行積極引導.還有學者認為深度學習的課堂教學應當做好現實經驗與知識的相互轉化,讓學生主動活動,幫助學生通過深度加工把握知識本質,模擬社會實踐及引導學生對知識進行價值評價等幾項工作.綜合來看,以深度學習理論為指導進行教學設計可有效解決一般教學模式在學習目標、內容、方式等方面存在的問題.

通過對比淺層學習與深度學習理念差異及一般教學模式與深度學習課堂的教學策略,筆者進一步提出基于深度學習理論的物理課堂教學實踐策略.下面以高中物理“運動的合成與分解”部分的教學為例,針對教材中的陳述性知識,通過創設真實的情境問題,采用問題鏈與思維探究相結合的教學方法,鼓勵學生積極思考,在真實的問題情境中,積極參與課堂活動,達到在深度體驗中獲取知識、提升能力的目的.

2.1 通過創設物理情境,引導學生深入思考

作為一種具有主動性和批判性的學習方式,深度學習面向真實問題的解決,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深度加工,因此情境創設需要突出“真實”與“知識建構”.情境創設要傾向現實生活場景,初步導出的問題應與已有經驗相關,從而引導學生進入情境并逐步深入思考.

基于以上思考,本文提出問題情境:A、B、C三個芭蕾舞演員分別同時從邊長為L的正三角形的三個頂點A、B、C出發,以相同的速率v0運動,運動中始終保持A朝著B,B朝著C,C朝著A.

2.2 問題鏈引導思維,注重知識的保持與遷移

為引導學生快速深入理解問題情境,層次遞進地進行高階思維,研究采用問題鏈的形式,旨在先調動學生積極性,引出學生原有知識,進而引導學習反思與批判理解.在問題鏈的層次遞進中,學生思維層次漸深,解決問題的知識不斷遷移分化,高階能力得到發展.

問題1A、B、C三個芭蕾舞演員最終會在哪里相遇?

猜想會在等邊三角形中心相遇.

問題2A、B、C三個芭蕾舞演員經過多長時間相遇? 有同學簡單思考后給出了下列方法.

方法1正交分解法

將v0沿三角形的高正交分解得

相遇的時間為

上述解法屬于直接按照猜想的相遇結果進行的推理,教師緊追不舍提出問題.

問題3針對剛才同學憑借直覺猜想的結果,是否能用我們目前所學知識給出嚴謹的解答呢? 經思考后有同學又提出了一套方案.

方法2相對速度法

由對稱性,每時每刻A、B、C的位置都構成等邊三角形,現從相對速度的角度考慮等邊三角形邊長的變化,顯然當邊長變為0時,三個舞蹈演員會匯聚于等邊三角形中心.

如圖1所示,由于瞬時速度都沿當前等邊三角形的邊的方向,則A相對B的速度

圖1 A 相對B 的速度

由|vA|＝v0,|vB|＝v0,則由角度關系得

則邊長減少速率為

則相遇所需時間

在同學們還在為能求得舞蹈演員相遇時間而興奮時,接著提出另一具有挑戰性的問題.

問題4以演員A為例,能求出她的運動軌跡方程嗎?

幾個具有微積分和極坐標相關知識基礎的同學摩拳擦掌,躍躍欲試.不久,大家提出了以下解決方案.

方法1速度分解法

由于A、B、C三個舞蹈演員的運動關于等邊三角形的中心旋轉對稱,每時每刻三者都構成等邊三角形,這里只考慮A的運動情況即可.將A的速度分解為向中心連線OA的徑向和垂直于中心連線的切向,則速度方向與中心連線的夾角θ＝30°,如圖2所示.

圖2 A 的速度分解

則徑向速度始終為

切向速度始終為

則A與中心O的連線(以下稱為矢徑)OA長度減小的速率即為徑向速度vτ,初始矢徑長度為r0,由幾何關系,則可以寫出矢徑長度關于時間的表達式

當r＝0時,三者相遇,此時

角速度為切向速率除以矢徑長度

則

對于時刻t0,相對初始狀態單個演員的矢徑相對中心O轉過的角度

則其運動的角度φ和矢徑長度r關系方程為

還有同學利用所學極坐標方法給出了另一種解法.

方法2建系微元法

以等邊三角形中心為極點O,初始時刻極點O到舞者A的連線為極軸OP,建立極坐標系,如圖3所示.對于開始運動后的任意過程,用微元法分析其位置變化規律,設時刻t時,三者構成△ABC,極徑為r,極角為θ,經過一個微元時間dt,A的位置變為A′,AA′長度La＝v0dt,時刻變為t＋dt,極徑變為r＋dr(dr＜0),極角變為θ＋dθ,其關系如圖4所示,dθ極小,則由幾何關系有

圖3 建立極坐標系

圖4 位置變化圖示

整理式○15得

即

整理式○16并將式○18代入得

對式○17左右積分,并代入初始條件r＝r0,t＝0,對于時刻t0有

即

當r＝0時,三者相遇,此時

即

同學們通過不同的理論推導方法,得到了同樣的結論,看上去已經得到了相互的印證,此時再適時引導學生進一步通過其他研究方法來證明.

問題5能否從其他角度驗證一下同學們的解法是否正確?

此時,又有同學提出可以通過模擬繪圖驗證結果是否正確.利用幾何畫板畫圖軟件繪出了三個舞蹈演員的運動軌跡(如圖5).圖片一經展示,全班同學都興高采烈,感到收獲滿滿! 不僅學會了一道基礎的物理問題,還在交流中感受到了深度學習的魅力!

圖5 利用模擬繪圖驗證運動軌跡

3 基于深度學習理論的物理課堂教學實踐策略

3.1 突出以學生為中心

深度學習強調以學生為中心、以學習為導向,既關注學生的學習過程,也關注教師的教學活動.本節課從典型的物理情境出發,通過問題鏈的次第推進,探究科學的結論;通過設計教學和評價活動等來幫助學生掌握復雜的知識概念,建構個人知識意義,發展個人理解能力等.

3.2 提倡主動學習

本節課不受常規的所謂大綱、考綱甚至課時局限,從一開始就設計了學習內容“上不封頂”的“一體化”模式:從三個芭蕾舞演員的運動情境→猜測演員在中心會聚→計算會聚時間→推導軌跡方程電腦模擬驗證.鼓勵有能力的同學在條件許可的情況下,自學微積分初步、高等數學等知識.從“優勢發展”教育原則的角度來看,在中學階段這樣的課堂教學無疑是對拔尖創新人才培養的有益嘗試.也正是深度學習者具有內在的學習動機、積極的學習態度和強烈的學習興趣的特征體現.

3.3 注重批判理解

本節課一開始,同學們還有猜測、疑惑、不堅定或拿不準等心理狀態.可是隨著大家在理解基礎上批判性地學習,批判性地看待新知識并深入思考,逐漸加深了對深層知識和復雜概念的理解,最終達成對問題的完美解決.

3.4 強調信息整合

首先,深度學習是多渠道信息的整合,學習者不僅要接受書本內容或教師傳授的知識,更要通過多種途徑來獲取完成學習任務所需的其他知識信息,如極坐標、微積分知識.其次,深度學習是多學科信息的整合,如在基于問題的學習過程中要應用到多門學科的知識,如電腦模擬舞蹈演員軌跡使得推理得到驗證,而不是教師簡單認可.再次,深度學習是新舊信息的整合,它把新信息與已知概念和原理聯系起來,整合到原有的認知結構中,從而引起對新信息的深度理解、長期保持及遷移應用.

3.5 促進知識建構與轉化

學習者不僅要能從信息的海洋中獲取有用的信息,更要將信息轉化為知識,并把新知識與已有知識經驗聯系起來,在已有知識結構的基礎上建構新知識.本節課就是一個簡單的生活問題,同學們利用所學運動的合成與分解、運動的相對性等知識,在深度學習的經歷中,體會了一次從一般到復雜再到簡單的思維訓練過程.實際上就是通過在新的情境中遷移應用所掌握的知識技能,將一般性的知識技能轉化為問題解決技能,以獲得高階能力的過程.

3.6 面向問題解決

本節課設置了問題鏈,環環相扣,使得學習者靈活運用所學知識來解決真實情境中的復雜問題、創造新知識.“學以致用”實現了深度學習的目的.

3.7 發展高階思維

高階思維是發生在較高認知水平層次上的心智活動或較高層次的認知能力,在教育目標分類中表現為分析、綜合、評價、創造等較高認知水平層次的能力.淺層學習主要是對知識的簡單描述、記憶或復制,停留在“知道、理解”等較低的認知水平,是一種低級認知技能的獲得,涉及簡單記憶、淺表理解、良構問題解決等低階思維活動;相反,深度學習更注重知識的理解和應用,處于“應用、分析、評價、創造”等高級的認知水平,面向高級認知技能的獲得,涉及劣構問題解決、元認知、批判性思維、創造性思維等高階思維活動.高階思維是實現深度學習的關鍵,發展高階思維能力有助于實現和促進深度學習;同時高階思維又是深度學習的核心特征,深度學習的實現有助于提高學習者的思維品質和學習效能.

4 結束語

在設計整個物理課堂教學時,絕不是簡單地提出一個或幾個問題形成所謂的問題鏈就可以了,還必須處理好諸如“游離與沉浸”“淺表與深層”“知識與智慧”的關系.這只是深度學習理論用于高中物理課堂教學的一個案例,而深度學習作為中學生學習物理行之有效的方式,值得我們更進一步地研究和實踐.

(完)