指向高階思維培養的深度學習教學探究

潘丹丹 郭秋潔 林心如 張景媛 鄭勤紅

摘 ? 要：隨著基礎教育課程改革的不斷深化，培養學生核心素養成為新課改的重要目標和任務。結合初中物理課堂重在定義概念和驗證規律的教學現狀，缺乏深度學習的教學理念。通過對教學內容的深度探究設計來撬動學生高階思維的發展，以“杠桿的平衡條件”為例，在科學探究過程中建立物理概念、探尋物理規律，促使學生掌握物理知識的同時實現思維水平提升。

關鍵詞：杠桿的平衡條件;深度學習;高階思維;核心素養

初中物理是學生接觸物理的初級階段，是建立正確物理概念和物理規律的黃金時期，因此初中階段的物理教學至關重要。但目前的教學中，學生思維停留在記憶、理解和應用的低階思維上，亦即淺層學習階段，錯失高階思維培養的契機。為此，本文以初中物理“杠桿的平衡條件”為例，探析如何在物理概念和物理規律教學中，開展指向高階思維能力培養的深度學習教學設計。

1 ?指向高階思維培養的深度學習

深度學習強調學習者主動建構和批判理解知識，要求學習者理解知識內容的完整含義，使新舊知識建立聯系，將所學知識遷移運用到新情境并做出決策。高階思維是指發生在較高認知水平上的心智活動，是以低階思維和舊知為基礎，形成對學習內容的批判理解，創造性解決復雜問題，促進遷移應用[ 1 ]。

指向高階思維培養的深度學習具有多方面的特征：（1）滲透真實情境，真實情境既是深度學習發生的客觀條件，也是高階思維發生的前提。淺層學習大多是通過“記憶—理解—應用”為手段，處理簡單的物理情境;深度學習則要求提供復雜的真實問題，設置合理的挑戰臺階，催化學習程度以提升思維深度。（2）交互的具身認知，高階思維是讓學生意識到深度學習的發生，要求大腦、身體、環境交互的自組織涌現與生成，并非抽象化的符號記憶理解，全身心積極參與、體驗成功、獲得發展的學習過程。（3）批判的自我反思，深度學習的目標是提升學生思維高度，不能僅停留于“知道—領會—應用”的層面，基于證據進行科學推理和判斷，形成科學的見解，思維的批判性促進深度學習的發生。（4）知識的遷移運用，深度學習就是讓個體在不同情境中的遷移。從結果審視，深度學習是指能夠通過“應用—分析—創造”等方面進行知識遷移，并且應用遷移是指在理解基礎之上的遷移，形成對學習內容的理解，從而解決復雜問題，完成學習遷移最終實現知識的內化和高階思維的發展。（5）真實的問題解決是高階思維和深度學習的終極目標，教師引導學生鞏固與深化所學知識，培養分析問題和解決問題的能力，提高學生的思維水平。

2 ?指向高階思維能力培養的深度學習教學設計

2.1 ?杠桿教學活動現狀

初中物理“杠桿的平衡條件”一節，力臂是非常重要的概念，展開的順序一般是：直接給出力臂的定義，再利用力臂概念進行杠桿平衡條件的探究。教材及傳統教學流程易導致知識建構存在盲區，不利于“杠桿的平衡條件”的有效教學，主要表現為三個方面：（1）點的平衡與體的平衡知識銜接斷裂，受前概念的影響不容易區分杠桿平衡狀態;（2）力臂概念的直接定義，未突出概念建立的必要性;（3）未能深化杠桿平衡的影響因素，由單一的某個物理量影響物體運動狀態轉化為兩個物理量的乘積影響物體運動狀態[ 2 ]。這種傳統的教學活動對學生缺乏挑戰，屬于理解層面的思維活動，不能達成促進學生深度學習并提升其核心素養的課程目標。

2.2 ?指向高階思維培養的深度學習課堂教學思維主線

傳統教學主線忽略學生起點，活動難以使學生深層理解本質。據此，本文對“杠桿”一節提出以下教學改進：以學生為主體，力為切入點，三個新知盲點為指引，針對學生思維盲區，研究制作杠桿平衡條件實驗教具，在規律探究中建構概念，通過概念建構促進對規律的理解。深度學習是基于高階思維構建知識的過程，以學生當前思維認知水平為“生長點”，以理解水平上的記憶為基礎不斷體驗、反復訓練，從而獲得分析、評價、創造的思維能力[ 3 ]。綜合分析國內外相關研究成果，本文提出深度學習的課堂教學思維主線如圖1所示。

綜上所述，長期以來教師在物理概念與物理規律的教學設計流程形式單一，加之初中學生的物理思維能力水平還在比較稚嫩的生長，因此學生對物理知識是留于表面的、淺層的學習。高階思維作為一種新型的思維模式，深刻影響學生物理思維的發展走向，只有思維走向深層，學習才能走向深度。將深度學習的思想滲透到物理概念及規律的教學中，有助于提高學生獨立思考、動手探究、問題解決的能力、批判思維的提升，促進他們的認知方式從淺層記憶轉向物理本質的高階發展。

3 ?基于深度學習課堂教學思維主線的“杠桿的平衡條件”教學案例

3.1 ?創設真實情境，引發認知沖突

學生的參與和投入是思維提升的第一級臺階。教學導入環節要努力激發學生的興趣，吸引學生的注意力和對教學內容的期待，提高課堂活躍度。尤其重要的是，在問題情境的引導下，學生有選擇地調用舊知識時會出現知識沖突，使得原有認知結構平衡被打破，思維被調動，產生強烈的求知和探究的欲望;在教師的引導下，學生通過觀察、聯想、比較等方式逐漸厘清待研究的問題。

教學片段1：創設活動情境，如何公平分胡蘿卜？同學討論從懸掛點分開，結果如何？

將胡蘿卜用一根細線吊在鐵架臺，使其在水平位置平衡。沿平衡點分割成兩半，兩部分的重量如何？為什么？怎樣稱量？學生回顧前面的二力平衡，其中包含“力的大小相等”，所以兩邊重量相等。

設計意圖：這一情境回到了物體平衡的起點。在學生嘗試用各種物體稱量時，激發了學生的想象和參與度。當稱量結果與預測結果不符合時，激活學生致力于解決這個問題的內驅動力。學生目前的錯誤概念是力的大小是影響杠桿平衡的因素，如何引導學生從點的平衡過渡到體的平衡，同時又要考慮學生的最近發展區和已有知識的認識，逐級登上思維的階梯。

3.2 ?巧用演示實驗，激活學生思維

在學生對預測結果與稱量結果不符，產生疑問的基礎上。教師因勢利導，逐步呈現“力的作用點”對物體平衡的影響，由于學生的獨立思考易固化思維，所以教師通過適度地搭建支架和小組交流等方式，產生思維的碰撞，使學生獲得更多思維進階的靈感。

教學片段2：教師提問：若選擇直尺稱量，能否一邊放在距支點10 cm的位置一邊放在20 cm的位置。學生一致認為不公平。部分學生認識到杠桿平衡與“距離”有關。再次追問：杠桿的平衡除了與動力阻力有關，還與什么有關？學生通過體驗表示杠桿平衡還與支點到力的作用點的距離有關。至此，教師應該鼓勵積極思考和發言的學生，不以教師為權威標準，敢說敢想的學習態度。緊接著拿出杠桿演示儀（圖2），讓學生思考若在10 cm掛2個鉤碼，那20 cm處應該掛幾個？掛一個鉤碼怎樣使杠桿水平平衡？學生思考：掛一個鉤碼離支點遠一點就平衡。

設計意圖：從開始杠桿平衡與力的大小有關，到考慮還與支點到力的作用點有關。通過互動過程糾正了學生錯誤的前概念，化解新知盲點一，也啟發要有問題意識。高階思維通常發生在“難點問題”的解決過程中，發現問題、提出問題是關鍵。

3.3 ?小組合作探究，設計方案探索

傳統的教學中，教師很大程度上只是讓學生“按部就班”地重復成功實驗，比如杠桿平衡條件的探究僅用鉤碼、直杠桿在水平平衡狀態進行，雖方便實驗操作。但從結果上看，一方面，由特殊的實驗器材獲得普遍的結論，規律缺乏科學性和嚴謹性;另一方面，力臂概念模糊，未突出概念建立的必要性，難以引發學生展開批判、反思、創新等高階思維。這種將知識儲存大腦的方式，使得學生雖然接觸了大量知識，但學習的有效性較低。

“杠桿平衡條件”探究如何設計指向學生高階思維能力培養的學習活動？本文提出圖3所示的探究路線：（1）規律在原有思維和經驗中發展，為此設計初探平衡;（2）改變力的方向杠桿不平衡，結論矛盾進而補充概念，概念在規律探究中建構。

教學片段3：實驗探究

活動1：初探杠桿的平衡條件

活動方案：在猜想杠桿平衡與力的大小、支點到力的作用點有關的基礎上，以初中階段要求掌握的研究方法（控制變量法、歸納總結）為指導，學生自主設計實驗方案。

活動步驟：介紹實驗器材（圖2），重點介紹實驗前調節平衡螺母，改變力的大小或鉤碼到支點的距離，使杠桿平衡。以上重復三次實驗，在實驗結束后通過數據分析總結規律。

設計意圖：從定性分析到定量實驗的過渡，推動了學生動手實踐和思維相結合，為科學規律的探究做好鋪墊。學生初步探究得出杠桿的平衡條件是“力與距離（支點到作用點的距離）的乘積相等”，在這個探究過程依次實現“觀察—歸納—分析—推斷”等思維進階。

活動2：深化杠桿平衡的條件

為了使原結論進一步深化，利用圓形鋁材與鐵架臺組裝自制杠桿，并在圓形鋁板外部裝上定滑輪，內部裝上可轉動的圓刻度盤，杠桿的支點與圓心重合，細線懸掛的鉤碼充當動力及阻力。

演示1：在杠桿支點左右的10 cm處用棉線各掛一個鉤碼，調節使其平衡，如圖4所示。提問：若把右側鉤碼的細繩掛到滑輪上還能保持平衡嗎？

演示2：在杠桿平衡時（圖4），把右側鉤碼的細繩掛到滑輪上，杠桿發生轉動（圖5）。提示：初探的平衡條件包涵力的那些要素？還可以改變力的什么要素使杠桿轉動？

該環節是清晰建立力臂概念、深化平衡條件的關鍵，因此第二步為學生的深化探究提供以下思維階梯：（1）回顧：初探得到的平衡條件：力與“距離”垂直時，推出“力的大小×距離=定值”，普適規律應包含初探規律，即“垂直”時，普適規律能轉化為初探的規律;（2）提示：若普適平衡條件與初探條件大致相同，而左側力情況不變時，故條件中的“定值”應不變。即杠桿右側力的方向改變時力的大小應改變，條件中的“距離”必須改變，且力越大的一側其對應的距離越小：（3）演示：轉動內部圓刻度盤讀數（圖5），杠桿左側符合力越大距離越小的要求。引導猜想“支點到力的作用線的距離”是影響杠桿轉動的因素;（4）補充概念：力的作用點和方向共同決定支點到力的作用線的垂直距離，該距離叫做力臂，影響杠桿轉動。（5）完善結論：得到影響杠桿轉動的兩個因素—力的大小和力臂，進一步深化杠桿平衡的定量關系時，探究流程設計類似于活動1中的內容，將不再贅述。引導同側力杠桿平衡探究（圖6），最終多維度探究杠桿的平衡條件都是：動力×動力臂=阻力×阻力臂。

設計意圖：以杠桿平衡規律的探究中對力臂概念有了創造性的認知，化解新知盲點二。在兩次探究中學生意識到科學理論不僅依據猜想展開，更是大量實驗對比分析、不斷互證。從實驗沖突中提升學生的批判思維，在經歷“觀察—認知沖突—發現—對比—綜合”的過程，體會到科學規律的嚴密性，發展學生的高階思維，促進深度學習的發生。

3.4 ?建構知識網絡，促進意義生成

深度學習強調，知識的獲得不是簡單的記憶與疊加。學生經歷了3個環節，狀態較為活躍，如何讓思維繼續保持在較高的層次？通過新信息與舊知識經驗的雙向建構，反復作用，引導學生將事物的本質與聯系進行結構化。

教學片段4：邏輯導圖建構（圖7）。力臂是一個潛隱性的物理概念，通過邏輯導圖建構讓學生知道概念和規律的來龍去脈，完成順應與同化，避免機械記憶。回顧力臂在探究過程中如何生成、轉變、發展，是正確建立杠桿平衡條件的關鍵[ 4 ]。從“定性—定量—概念化”逐級深化力臂概念，得到普適的杠桿平衡條件，化解新知盲點三，促進高階思維的進一步發展。

3.5 ?靈活遷移運用，解決真實問題

從對物理知識的獲取和簡單分析，再到遷移、深化知識，發展分析、評價、創造等高階思維能力的發展，離不開對實際問題的解決。

教學片段5：教師引導學生回顧一開始提出的胡蘿卜沿平衡點分為什么質量不一樣？平衡是現實生活中常見的一種物理現象，學生在問題解決中理解杠桿的平衡需要考慮力臂，但另一個困惑又是把胡蘿卜受到的重力看作動力和阻力，作用點怎么畫？學生分析分胡蘿卜的杠桿原理并闡述，用誕生的概念解決問題。

基于高階思維的發展和學生思維的創造性，初中學生的作業應該是開放性的問題或生活實踐類，如《桿秤復活記》，天平在稱量物體需要在兩側放等重的物體并且不易攜帶，如何根據實際用途應如何對它進行改進？用深度學習的素養進行問題的分析、解決和思考，在制造中學會遷移。新課標突出文化自信的理念，感受桿秤是祖先的智慧也是公平、誠信的象征。

4 ?小結

深度學習是一種基于理解的學習，核心特征是培養學生高階思維，在教師引領下，圍繞具有挑戰性的學習主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發展且有意義的學習過程。物理概念與規律教學是中學物理重要的教學內容，其中概念、規律的深度教學實施路徑影響著初中生在物理課堂中深度學習發生的真實性，教學內容的深度探究設計是其中的關鍵。通過創設物理概念與規律建立的情境，運用科學探究的方法建立物理概念與規律，盡量將驗證性實驗改為探究性實驗，將定性實驗進行量化和數字化，最后在理解物理概念與規律本質的基礎上，運用物理知識解釋物理現象，進一步實現核心素養的落地生花。

參考文獻：

［1］ 汪明.指向高階思維的物理課堂深度學習模型[J].物理教學，2021，43（1）：20-25.

［2］ 張亞明.基于迷思概念轉化的5D教學模型構建與案例[J].中學物理，2021，39（16）：5-8.

［3］ 陳壽春.指向高階思維能力培養的深度學習研究：以“多細胞生物體的結構層次”為例[J].中學生物教學，2022（33）：6-9.

［4］ 江薇.指向深度學習的初中物理概念建構：以“力臂”的建構為例[J].物理教學，2022，44（12）：40-43.