深度學習助力學生物理觀念的形成

戴林詩　須萍

［摘 要］物理觀念是物理學科核心素養之一。深度學習是一種觸及學科知識內核的學習，有助于學生理解知識、聯系知識和運用知識，對培養學生的物理觀念具有重要作用。文章基于評判學生是否形成物理觀念的標準，針對學生各個認知領域的學習問題，采用合適的促進學生深度學習的教學策略，助推學生物理觀念的形成。

［關鍵詞］深度學習；物理觀念；庫侖定律

［中圖分類號］? ? G633.7? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2024）08-0046-04

物理觀念是物理學科核心素養之一，是其他物理學科核心素養形成和發展的基礎。深度學習是一種觸及學科知識內核的學習，有利于學生物理觀念的形成［1］。然而在實際教學中，部分學生的學習仍舊停留于物理概念的表層，這就造成學生知識零散、不成體系，無法靈活運用知識解決問題，而物理觀念也得不到發展。為解決這個問題，筆者對深度學習進行探索，試圖從中找到可以幫助學生形成物理觀念的實踐策略和路徑。

評判學生是否形成物理觀念的標準在于學生能否主動運用物理觀念對物理現象進行解釋；學生在分析和解決問題時，能否正確提取物理課程學習的、在其頭腦中形成的物理概念和知識體系，并在物理觀念的指導下正確和創造性地使用［2］。本文基于評判學生是否形成物理觀念的標準，針對學生各個認知領域的學習問題，采用合適的促進學生深度學習的策略，助推學生物理觀念的形成。

一、深度學習的內涵

教育心理學家馬頓和塞爾喬在批判淺層學習的基礎上提出了“深度學習”概念［3］，這意味著“深度學習”開始應用于教育學領域。之后，我國教育學也引入了“深度學習”。何玲和黎加厚將深度學習界定為“在理解學習的基礎上，學習者能夠批判性地學習新的思想和事實，并將它們融入原有的認知結構中，能夠在眾多思想間進行聯系，并能夠將已有的知識遷移到新的情境中，作出決策和解決問題的學習”［4］。綜上可知，相較于機械式的、非批判性的淺層學習，有意義的、富有批判性的深度學習更有價值。只有進行深度學習，學生才能夠在理解領域、分析領域、聯系領域、運用領域等認知領域中實現由淺入深的思維過渡。例如理解領域，淺層學習要求學生死記硬背知識，這樣的淺層學習效果遠不如深度學習。通過深度學習，學生可以加深對概念的記憶。淺層學習和深度學習的區別如表 1所示。

基于深度學習的優勢，將深度學習應用于物理教學，可以解決學生學習物理只停留于概念表層的問題，提升學生運用物理知識解決問題的能力，促進學生物理觀念的形成。

二、助力學生形成物理觀念的教學策略

基于評判學生是否形成物理觀念的標準，如果教師運用的教學策略能幫助學生逐一解決每個認知領域內的學習問題，促進學生深度學習，那么便可助力學生物理觀念的形成。例如，對于理解領域，針對學生存在的“孤立看待知識點，依賴死記硬背”的學習問題，教師可以提出“舊知導入”的教學策略，引導學生聯系舊知識理解新知識，在弄清楚知識來源的基礎上進行背誦，進而促進學生學會物理一般概念。以此類推，學生從掌握一般概念，到掌握核心概念，再到建立概念框架，最終形成物理觀念。具體內容如表 2所示。

（一）舊知導入助力學生學會一般概念

教育心理學家奧蘇貝爾曾經說過：“假如讓我把全部教育心理學僅僅歸結為一句原理的話，那么，我將一言以蔽之：影響學習的唯一最重要的因素，就是學生已經知道了什么，要探明這一點，并應據此進行教學?！保?］深度學習理論也指出，舊知識的再現有助于加快有潛在聯系的新知識的學習進程。因此，教師可以將舊知識作為新知識教學的支點。

以人教版高中物理必修第三冊第九章第2節“庫侖定律”中“點電荷”的概念教學為例。在進行“電荷間作用力的定性分析”時，學生已經形成一種認知：帶電體的形狀、大小及電荷分布狀況會影響電荷間作用力的大小。在此基礎上，教師與學生共同探討。教師首先引導學生聯想力學上類似的情況：物體形狀各異、質量分布不均勻，為了便于簡單描述物體的運動和受力情況，物理學引入了“質點”的概念；其次幫助學生理解“模型建構”這一科學研究方法的內涵：突出問題的主要方面，忽略次要因素，從而建立理想化模型；然后肯定此方法的廣泛運用；接著留給學生思考的時間，讓學生獨立思考并提出解決方案；最后自然提出“點電荷”的名稱和內涵。至此，學生學會了一般概念“點電荷”的定義和建構的方法。

以“庫侖定律”中“電荷間作用力的定量探究”為例。在進行“電荷間作用力的定性分析”時，學生已經知曉：電荷間的作用力與距離有關，并隨著距離的增大而減小；電荷間的作用力與電荷量有關，并隨著電荷量的增大而增大。在此基礎上，教師與學生共同探討電荷間作用力的定量關系。首先，表明先前定性分析得出的規律具有正確性；其次，引導學生發散思維，聯系之前學過的力的相關特征，將其與此規律掛鉤；然后肯定學生的猜想并鼓勵學生依據萬有引力的表達式寫出電荷間作用力的表達式；最后加以概括和總結，為后面的實驗驗證做好鋪墊。至此，學生對一般概念“電荷間的作用力”的來源和數學表達式有了深刻的理解。

（二）運用問題串助力學生掌握核心概念

核心概念被艾里克森定義為居于學科中心，具有超越課堂之外的持久價值和遷移價值的關鍵性概念、原理或方法［6］。核心概念可連接幾節課或幾個章節，它如同鑰匙一般能打開一般概念間的“隔閡”大門。一般概念是核心概念形成的前提，核心概念則是一般概念的精華濃縮。從一般概念提煉出核心概念是學生形成物理觀念的關鍵環節。深度學習理論表明，在問題串的連續誘導下，學生對知識的形成發展過程進行批判性思考，從而抓住知識的核心與本質。因此，問題串是學生掌握核心概念的有效工具。問題串需要教師進行精心設計，教師在設計問題串時需要遵循由淺入深、由次及主的原則。核心概念是一般概念和概念框架之間的支架與橋梁。問題串的層層遞進，使得核心概念既有概括性又有遷移性。

以“庫侖定律”為例，在學生學習“電荷”“點電荷”“電荷間的作用力”等一般概念之后，教師要幫助學生對這些一般概念進行整合，從而提煉出核心概念。對此，教師可提出以下問題供學生思考。

1.電荷間作用力的方向怎么看？

2.電荷間作用力的大小用公式又怎么表述？

3.那么電荷間作用力的文字表述是什么？

4.又為何要定義“點電荷”的概念？

5.所以電荷間作用力定義的適用條件是什么？

6.最終電荷間作用力的完整表述是什么？

問題1和問題2最為基礎，其目的在于激活學生上節課所學的知識和強調本節課所學的知識。從問題3開始，步步設套：電荷間作用力的文字表述是否包括方向和大??？又為何不添加“點電荷”這一前提條件？電荷間作用力的定義的適用條件還有其他嗎？所以最后電荷間作用力的完整表述是什么？其中，“又”“那么”“又為何”“所以”“最終”承接詞語的出現也會對學生的深度學習起到助力作用。隨著6個問題的解決，學生的思維能力得到了螺旋式的提升，最終學生掌握了核心概念“電荷間作用力的完整表述”，即“庫侖定律”。

（三）加強知識層面和方法層面的關聯，助力學生建構概念框架

概念框架是指以核心概念為中心，梳理關聯先前學過的一般概念而形成的一種認知結構。如果說一般概念和核心概念是思維上的縱向深入，那么概念框架就是加以補充的思維上的橫向發散，其空間的全面化體現了學生知識的層次性和完整性。核心概念向概念框架過渡是學生形成物理觀念必不可少的步驟。核心概念的出現是促進學生知識匯聚的第一步，要想進一步解決學生知識零散化、碎片化的問題還需要搭建概念框架。概念框架將孤立的知識聯結起來，引導學生將知識進行有效整合并存儲于腦海中，不僅有利于學生進行有意義的知識建構，還有利于學生對知識的提取、遷移和應用［7］。深度學習理論指出，教師要給予學生知識與方法遷移的充分機會。因此，概念框架的構成不僅需要知識層面的關聯，更需要方法層面的關聯。教師應加強知識層面和方法層面的關聯，助力學生建構概念框架。

以“庫侖定律”為例，在學生經過一系列學習過程并挖掘出核心概念“庫侖定律”后，教師引導學生回顧探究過程并建構概念框架。首先，提出問題：在庫侖定律的形成過程中涉及哪些知識和方法？這些方法在先前學習過程中是否也遇到過？其次，讓學生小組協作與交流討論。然后，讓每組派代表上臺展現成果，或是分點式陳述，或是圖表式陳述，或是簡明扼要地陳述，或是集中闡述。學生的成果匯報形式各異，教師和其他小組成員予以反饋與評價。最后，在學生展示成果的基礎上加以匯總和完善。例如，在教學“電荷間作用力的定性分析”時，教師引導學生運用控制變量法，這種方法在先前討論“影響滑動摩擦力大小的因素”和“加速度與力、質量的關系”時也被運用過，那么學生可通過方法支架將電學中的“電荷間的作用力”與學過的力學知識加以關聯，構建更完整的概念框架（如圖 1）。

（四）創設物理情境助力學生形成物理觀念

新課標提倡“從生活走向物理，從物理走向社會”。物理是一門實踐性學科，將知識應用于實際生活才能發揮知識的最大價值，而學生形成物理觀念的標志性特征就是能夠運用物理知識解決實際問題。深度學習理論指出，真實、具體、富有價值的問題解決情境是學生核心素養形成和發展的重要載體，也為學生的核心素養提供了真實的表現機會［8］。因此，創設物理情境為學生運用知識解決問題從而形成物理觀念提供了廣闊的空間?！盁o情境不教學”，教師在教學中要注重所創設物理情境的合理性：物理情境的新穎程度和復雜程度應符合學生的認知水平和教學內容的特點，符合因材施教與循序漸進的原則［9］。

以“庫侖定律”為例，生活中的很多活動都與庫侖定律有著密切的聯系。為了幫助學生理論聯系實際，運用庫侖定律解決生產生活中的問題，教師創設這樣的物理情境：通常一把梳子和衣袖摩擦后所帶的電荷量不到百萬分之一庫侖，但是天空中發生閃電之前，巨大的云層中積累的電荷量可達幾百庫侖。試問如果梳子和衣袖摩擦后存在2個分別帶一千萬分之一庫侖的點電荷，它們之間的距離為3厘米，求點電荷之間的作用力為多少？如果有3個各自帶一千萬分之一庫侖的點電荷，又該如何求解它們之間的作用力？第一個問題在于幫助學生對“庫侖”這個單位有感性的認識，學會簡單應用庫侖定律的表達式；第二個問題在于幫助學生從力的本質出發掌握計算庫侖力的方法，讓學生知道“庫侖力”與力學上的“重力”“彈力”“摩擦力”并無太大區別，且也遵循“力的合成與分解”等規律。至此，學生學會運用庫侖定律去解決實際問題，對運動學和動力學形成了更廣泛的認識，自然地形成了更全面的“運動與相互作用觀”這一物理觀念。

總之，學生從“學會物理知識”轉變到“形成物理觀念”是一段艱難且漫長的歷程。教師可以運用深度學習理論指導教學，幫助學生進行知識的深層整合和靈活運用。首先，通過淺層學習和深度學習的區別去發現無法形成物理觀念的問題和障礙。其次，從學生的認知視角出發，采用針對性的教學策略解決問題和消除障礙，助力學生形成物理觀念。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 駱波.初中物理深度學習的典型特征及其教學意義［J］.中學物理教學參考，2019（9）：13-17.

［2］? 羅瑩.物理核心素養研究：物理知識與物理觀念［J］.物理教師，2018（6）：2-6.

［3］? MARTON F，SALJO R.On qualitative difference in learning：outcome and process［J］.British Journal of Educational Psychology，1976（1）：4-11.

［4］? 何玲，黎加厚.促進學生深度學習［J］.現代教學，2005（5）：29-30.

［5］? 葛漢洪.促進觀念提升的初中物理課堂教學策略初探：以“運動的相對性”教學為例［J］.物理教師，2022（4）：38-43.

［6］? ERICKSON H L.Stirring the head，heart，and soul：redefining curriculum and instruction［M］.Thousand Oaks：Corwin Press，1995.

［7］? 安富海.促進深度學習的課堂教學策略研究［J］.課程·教材·教法，2014（11）：57-62.

［8］? 劉月霞，郭華.深度學習：走向核心素養［M］.北京：教育科學出版社，2018.

［9］? 張玉峰.物理觀念發展的關鍵過程：關聯整合、遷移創新［J］.物理教師，2023（4）：14-18.

（責任編輯 黃春香）