深度學(xué)習(xí)視角下試題情境資源的開發(fā)

摘 要：優(yōu)質(zhì)的情境化試題是教師進行習(xí)題教學(xué)的重要素材，但“學(xué)生做題，教師評講”的傳統(tǒng)教學(xué)方式無法充分發(fā)揮情境的育人價值。因此，以深度學(xué)習(xí)的基本特征為依托，以情境化試題為載體，選取“摩擦自鎖”問題中的經(jīng)典試題為案例，嘗試探索高中物理試題中優(yōu)質(zhì)情境資源的開發(fā)和利用模式，借此實現(xiàn)習(xí)題教學(xué)向問題解決教學(xué)的深層化轉(zhuǎn)變。此工作可供高中物理教師借鑒，為其在全方位促進學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展方面提供思路。

關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí)；情境化試題；習(xí)題教學(xué)；資源開發(fā)

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）8-0078-5

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（２０１７年版）》在實施建議中明確指出：要從培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的視角審視習(xí)題教學(xué)的目的，應(yīng)通過習(xí)題教學(xué)，使學(xué)生在科學(xué)思維、探究能力、實踐意識、科學(xué)態(tài)度等方面得到有效提升。習(xí)題教學(xué)的作用不僅僅是為了得到答案，而是要全面提高學(xué)生的問題解決能力［１］。因此，如何創(chuàng)新習(xí)題教學(xué)的內(nèi)容、形式和手段以實現(xiàn)習(xí)題教學(xué)向問題解決教學(xué)的轉(zhuǎn)變，一直以來都是教師們重點關(guān)注的問題。

近年來，以情境或情境活動為載體的各類情境化試題大量涌現(xiàn)，注重考查學(xué)生運用必備知識和關(guān)鍵能力去解決實際問題的能力，成為眾多教師進行習(xí)題教學(xué)的素材來源。然而，在日常教學(xué)中，若是將該類試題直接拿來作為習(xí)題使用，且依舊沿用“學(xué)生做題，教師評講”的傳統(tǒng)教學(xué)方式，會導(dǎo)致學(xué)生因為思維跨度過大而無法進行知識的有效建構(gòu)，也會造成優(yōu)質(zhì)情境資源的浪費，試題的育人功能難以得到充分實現(xiàn)。因此，本文將以深度學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)，以“摩擦自鎖”問題中的經(jīng)典試題為案例，嘗試探究高中物理試題中優(yōu)質(zhì)情境資源的開發(fā)和利用，為高中物理教師習(xí)題教學(xué)的開展提供一些參考與借鑒。

１ 深度學(xué)習(xí)理論

１．１ 深度學(xué)習(xí)之于習(xí)題教學(xué)的意義

深度學(xué)習(xí)是指“在教師的引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞著具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發(fā)展的有意義的學(xué)習(xí)過程”［２］。在這個過程中，學(xué)生掌握學(xué)科的核心知識，理解學(xué)習(xí)的過程，把握學(xué)科的本質(zhì)及思想方法，形成積極的內(nèi)在學(xué)習(xí)動機、高級的社會性情感、積極的態(tài)度、正確的價值觀［２］。由此可見，深度學(xué)習(xí)與新課標(biāo)對于習(xí)題教學(xué)的實施建議具有較高的契合度，是形成學(xué)生核心素養(yǎng)的基本途徑，可使學(xué)生在科學(xué)思維、探究能力、實踐意識及科學(xué)態(tài)度等方面得到有效提升。因此，深度學(xué)習(xí)之于習(xí)題教學(xué)具有一定的借鑒意義和實施價值。

１．２ 深度學(xué)習(xí)強調(diào)情境價值

深度學(xué)習(xí)理論強調(diào)“真實、具體、富有價值的問題情境是學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要載體，也為學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)提供了真實的表現(xiàn)機會”［２］。而情境又是試題的重要載體，也是設(shè)問的具體化實現(xiàn)。優(yōu)質(zhì)的情境是學(xué)生思維生長的沃土，對于提升學(xué)生的問題解決能力和發(fā)展核心素養(yǎng)有重要價值。因此，在深度學(xué)習(xí)理論的指導(dǎo)下，以開發(fā)和利用優(yōu)質(zhì)試題情境資源為途徑來嘗試實現(xiàn)習(xí)題教學(xué)的深層化，具備一定的可操作性和現(xiàn)實意義。

２ “摩擦自鎖”問題

當(dāng)物體的某一物理量滿足一定條件時，無論施以多大的力都不可能讓它與另一個物體間發(fā)生相對運動，這種現(xiàn)象在物理學(xué)上稱為“摩擦自鎖”。

高中階段，“摩擦自鎖”現(xiàn)象通常作為一種較為復(fù)雜的問題情境來考查學(xué)生對于“共點力平衡”中臨界問題的把握。受中學(xué)生認(rèn)知水平和知識儲備的限制，該類問題以斜面自鎖和平面自鎖兩種基本形態(tài)展開，其基礎(chǔ)模型如表１所示。而與“摩擦自鎖”問題相關(guān)的試題情境與我們?nèi)粘５纳a(chǎn)生活密切相關(guān)，涉及一些有趣的生活現(xiàn)象和一些較為復(fù)雜的裝置及工具，極具現(xiàn)實價值和體驗感，其對學(xué)生的問題解決能力提出了較高的要求，是非常優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源。因此，為充分發(fā)揮該類問題情境的育人價值，應(yīng)對其進行精心開發(fā)和利用。

３ 案例分析與實施

３．１ 原題呈現(xiàn)及試題評析

小明在觀察如圖１所示的沙子堆積時，發(fā)現(xiàn)沙子會自然堆積成圓錐體，且在不斷堆積的過程中，材料相同的沙子自然堆積成的圓錐體的最大底角都是相同的。小明測出這堆沙子的底部周長為３１．４ m，利用物理知識測得沙子之間的摩擦因數(shù)為０．５，估算出這堆沙子的體積最接近（ ）

Ａ．６０ m3

Ｂ．２００ m3

Ｃ．２５０ m3

Ｄ．５００ m3

分析：本題的問題情境為沙子的自然堆積，是一種有趣的生活現(xiàn)象，其本質(zhì)為斜面的“摩擦自鎖”問題。學(xué)生需對斜面上的沙粒進行受力分析，運用假設(shè)和推理等思維方法掌握沙子堆積過程的動態(tài)變化規(guī)律及最大底角為定值的成因，求出使沙粒處于臨界靜止?fàn)顟B(tài)（即所受摩擦力達到最大靜摩擦力）時斜面傾角的正切值，并借助圓錐體的體積公式求解。由此可見，本題的思維跨度較大，對學(xué)生的模型建構(gòu)、科學(xué)推理和論證能力都提出了極高的要求。從教學(xué)的角度來看，若以傳統(tǒng)的講授形式進行該題的講評，學(xué)生會因缺乏對沙子堆積過程的動態(tài)體驗而難以將該情境與物塊在斜面上的滑落及臨界靜止?fàn)顟B(tài)聯(lián)系起來，對“摩擦自鎖”問題更是缺乏系統(tǒng)且全面的認(rèn)知。同時，該問題情境涉及一種沙子體積的估算方法，這與生產(chǎn)生活關(guān)系緊密，若加以利用可充分實現(xiàn)試題的育人功能。

３．２ 實施過程

現(xiàn)基于深度學(xué)習(xí)理論，嘗試對上述案例中的試題情境進行開發(fā)和利用。由于深度學(xué)習(xí)以聯(lián)想與結(jié)構(gòu)、活動與體驗、本質(zhì)與變式、遷移與應(yīng)用、價值與評價為基本特征，而試題情境已經(jīng)將問題和現(xiàn)象進行了初步關(guān)聯(lián)。因此，參考后四個特征并結(jié)合習(xí)題教學(xué)的特點來設(shè)計深度學(xué)習(xí)，具體的實施步驟如圖２所示。

３．２．１ 活動與體驗：親歷試題情境，依托感知體驗激發(fā)內(nèi)部動機

在傳統(tǒng)的習(xí)題教學(xué)模式下，學(xué)生會因為對該情境缺乏切身感知體驗而將其當(dāng)作既定事實被動接受，并在教師指導(dǎo)下對其進行程序化和規(guī)范化處理，最后以文字和符號的形式給予思維呈現(xiàn)。這將難以激發(fā)學(xué)生的內(nèi)部動機，更無法凸顯情境在激發(fā)學(xué)生探究興趣上的意義和價值。因此，教師可以通過小組活動的形式讓學(xué)生模擬試題情境，并親身經(jīng)歷該現(xiàn)象的形成過程，從而引發(fā)學(xué)生質(zhì)疑，促進問題生成。案例試題所提供的情境貼合生活，完全可以通過實驗進行情境再現(xiàn)，其具體操作流程如表２所示。

３．２．２ 本質(zhì)與變式：開展試題深度設(shè)計，依托進階性任務(wù)培養(yǎng)高階思維

原題要求學(xué)生依據(jù)所給條件估算沙堆體積，該過程思維跨度較大，學(xué)生無法從中抽象出沙粒與沙堆組成的“斜面自鎖”模型，進而難以建立起沙堆底角與沙粒間摩擦因數(shù)之間的關(guān)系，對沙堆體積的估算方法更是一籌莫展。因此，教師可基于先前實驗現(xiàn)象所引發(fā)的問題，結(jié)合試題自身邏輯，開展試題的深度設(shè)計，通過梯度設(shè)問讓學(xué)生進階式地解決問題。同時，該題所涉及的估料方法與生產(chǎn)生活密切相關(guān)，對于物料堆放場地的選擇更是具有現(xiàn)實意義。因此，可在該題基礎(chǔ)上進一步設(shè)計進階性任務(wù)來培養(yǎng)學(xué)生的高階思維和解決實際問題的能力。具體設(shè)計方案如下：

任務(wù)１：初始階段沙堆底角可持續(xù)增大而不發(fā)生崩塌，但隨著沙子的持續(xù)注入，沙堆在某一瞬間突然發(fā)生崩塌，即大量靜止在沙堆表層的沙粒突然沿斜面自然滑落，試分析整個過程的成因。

學(xué)生活動：

（１）發(fā)掘初始階段沙堆底角持續(xù)增大而不發(fā)生崩塌這一表層現(xiàn)象的深層物理含義，將其轉(zhuǎn)化為“沙粒可持續(xù)停留在沙堆表層而不發(fā)生滑落”這一物理問題進行深入思考。

（２）選取沙粒為研究對象，分析其在沙堆表面的受力情況，并采用矢量分解法和假設(shè)法對其沿斜面方向的受力進行動態(tài)分析，體會靜摩擦力逐步增大并最終轉(zhuǎn)化為滑動摩擦力的過程。

任務(wù)２：為何沙堆在發(fā)生崩塌后能自動恢復(fù)至靜止?fàn)顟B(tài)，試對該動態(tài)變化過程進行分析，并解釋最大底角的成因。

學(xué)生活動：

（１）對沙粒沿斜面滑落所引發(fā)的沙堆底角的變化進行推理，運用假設(shè)法對表層沙粒在此過程中的受力變化和運動變化進行分析，體會其由運動向靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變的自動“鎖定”過程，深入理解臨界靜止?fàn)顟B(tài)的物理意義。

（２）依據(jù)共點力平衡條件，列出表層沙粒處于自鎖狀態(tài)時沙堆最大底角滿足的表達式μ=tanφ，理解物料自然堆積形成的圓錐體的最大底角由物料自身的摩擦因數(shù)決定。

任務(wù)３：若已知沙堆底部周長和沙粒間的摩擦因數(shù)，如何估算沙堆體積？

學(xué)生活動：利用沙堆最大底角滿足的表達式和圓錐體的體積公式進行聯(lián)立計算。同時，深入思考和體會該種估料方法的現(xiàn)實價值。

任務(wù)４：若有一些物料需要自然堆放在地面上，則事先必須估算出其堆放后形成的圓錐體的底面積大小，以便準(zhǔn)備合適的場地，試設(shè)計一種方案來估算物料所占底面積（物料體積已知）。

學(xué)生活動：

（１）借助任務(wù)３中提出的物料體積估算方法，對表達式V=πr3tanφ進行處理和轉(zhuǎn)化，推導(dǎo)出物料所占底面積公式S=πr2=π（）2/3，建立未知量與已知量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

（２）利用同種物料自然堆積形成的圓錐體底角相同的結(jié)論，用該物料做一個小型模擬實驗，測出最大底角φ，并代入計算。

整體架構(gòu)思路及設(shè)計意圖如圖３所示。其中，任務(wù)１和任務(wù)２要求學(xué)生對沙子自然堆積過程中出現(xiàn)的所有現(xiàn)象和細(xì)節(jié)進行合理解釋。這兩個任務(wù)由步驟１中呈現(xiàn)的６個子問題驅(qū)動，旨在幫助學(xué)生建立起對現(xiàn)象本身的認(rèn)知，主要培養(yǎng)以下物理觀念和科學(xué)思維：能以運動和相互作用的觀念審視沙粒在沙堆表面累積和自然滑落的現(xiàn)象，能從中抽象出沙粒與沙堆組成的“斜面自鎖”模型，能通過假設(shè)、推理對沙堆的動態(tài)變化過程進行全面分析和論證。而任務(wù)３和任務(wù)４分別是原題的設(shè)問和延伸，注重相關(guān)物理原理在生產(chǎn)生活中的實際應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生用科學(xué)的態(tài)度和眼光來審視和解決現(xiàn)實問題。

３．２．３ 遷移與應(yīng)用：精選同類試題，依托多元情境促成模型遷移

為加深學(xué)生對“斜面自鎖”模型的理解和臨界最大傾角——摩擦角的認(rèn)知，教師可精選同類試題情境進一步促成模型的多元遷移和深度應(yīng)用。除了沙子自然堆積的生活現(xiàn)象，一些結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的裝置和工具也利用了摩擦自鎖原理，比如，汽車維修時常用的螺旋千斤頂（圖４）以及門上的暗鎖（圖５）等。這些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置對學(xué)生的模型建構(gòu)能力提出了更高的要求。以螺旋千斤頂為例，教師可充分利用該情境資源，引導(dǎo)學(xué)生從摩擦自鎖的角度思考該裝置的工作原理，從中抽象出物理模型，推導(dǎo)出能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖的千斤頂，其螺紋與水平面夾角滿足的條件，嘗試解釋向螺紋槽中滴入潤滑油后重物回落的原因。通過接觸同類試題情境，學(xué)生能夠?qū)Α澳Σ磷枣i”問題產(chǎn)生更為全面且系統(tǒng)的認(rèn)識，深入思考并體會該類模型的應(yīng)用價值。同時，豐富多元且貼近生活的情境也能夠徹底激發(fā)學(xué)生的探究興趣和質(zhì)疑創(chuàng)新精神，這將有效促進學(xué)生思維能力的提升。

３．２．４ 價值與評價：體會情境價值，依托反思評價發(fā)揮試題育人功能

在經(jīng)歷了活動與體驗、本質(zhì)與變式以及遷移與應(yīng)用三個步驟之后，教師需要引導(dǎo)學(xué)生對所有涉及到的問題情境和整個學(xué)習(xí)過程進行反思評價，喚醒學(xué)生對于知識背后動機和問題本質(zhì)的認(rèn)識，將落腳點最終放在發(fā)揮試題的育人功能上。回顧問題情境，人們從物料自然堆積背后的自鎖原理中汲取靈感，提出了簡便的估料方法，還將該原理巧妙融入到了基本裝置和工具的設(shè)計中，給我們的生產(chǎn)生活帶來了便利，這充分體現(xiàn)了科學(xué)、技術(shù)和社會之間的緊密聯(lián)系。回顧整個基于情境的深度學(xué)習(xí)過程，學(xué)生經(jīng)歷了從自然現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)問題、通過推理假設(shè)解釋問題和將物理原理應(yīng)用于生活實踐幾個階段，這是科學(xué)本質(zhì)，也是科學(xué)研究的一般過程和最終目的，值得深入體會和感悟。

４ 結(jié) 語

縱觀整個試題情境資源的開發(fā)和利用過程，每個階段都指向?qū)W科核心素養(yǎng)的培育和發(fā)展。學(xué)生通過親歷試題情境獲得感知體驗，在科學(xué)探究中產(chǎn)生質(zhì)疑并促進問題生成，在面對進階性任務(wù)時能通過不斷推理、假設(shè)和論證發(fā)掘現(xiàn)象背后的本質(zhì)，螺旋式地解決問題。學(xué)生還能在接觸多元情境的過程中進一步體會模型價值，通過反思評價認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)并形成正確的價值觀。但需要注意的是，深度學(xué)習(xí)對學(xué)生的思維能力和認(rèn)知水平有較高的要求。因此，教師需要在學(xué)生已經(jīng)建立基本知識結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上開展該類習(xí)題教學(xué)，以確保達到最好的教學(xué)效果，并最大程度發(fā)揮情境價值。

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（欄目編輯 賈偉堯）