深度學習視角下試題情境資源的開發

摘 要：優質的情境化試題是教師進行習題教學的重要素材，但“學生做題，教師評講”的傳統教學方式無法充分發揮情境的育人價值。因此，以深度學習的基本特征為依托，以情境化試題為載體，選取“摩擦自鎖”問題中的經典試題為案例，嘗試探索高中物理試題中優質情境資源的開發和利用模式，借此實現習題教學向問題解決教學的深層化轉變。此工作可供高中物理教師借鑒，為其在全方位促進學生學科核心素養發展方面提供思路。

關鍵詞：深度學習；情境化試題；習題教學；資源開發

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

《普通高中物理課程標準（２０１７年版）》在實施建議中明確指出：要從培養物理學科核心素養的視角審視習題教學的目的，應通過習題教學，使學生在科學思維、探究能力、實踐意識、科學態度等方面得到有效提升。習題教學的作用不僅僅是為了得到答案，而是要全面提高學生的問題解決能力［１］。因此，如何創新習題教學的內容、形式和手段以實現習題教學向問題解決教學的轉變，一直以來都是教師們重點關注的問題。

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，注重考查學生運用必備知識和關鍵能力去解決實際問題的能力，成為眾多教師進行習題教學的素材來源。然而，在日常教學中，若是將該類試題直接拿來作為習題使用，且依舊沿用“學生做題，教師評講”的傳統教學方式，會導致學生因為思維跨度過大而無法進行知識的有效建構，也會造成優質情境資源的浪費，試題的育人功能難以得到充分實現。因此，本文將以深度學習理論為指導，以“摩擦自鎖”問題中的經典試題為案例，嘗試探究高中物理試題中優質情境資源的開發和利用，為高中物理教師習題教學的開展提供一些參考與借鑒。

１ 深度學習理論

１．１ 深度學習之于習題教學的意義

深度學習是指“在教師的引領下，學生圍繞著具有挑戰性的學習主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發展的有意義的學習過程”［２］。在這個過程中，學生掌握學科的核心知識，理解學習的過程，把握學科的本質及思想方法，形成積極的內在學習動機、高級的社會性情感、積極的態度、正確的價值觀［２］。由此可見，深度學習與新課標對于習題教學的實施建議具有較高的契合度，是形成學生核心素養的基本途徑，可使學生在科學思維、探究能力、實踐意識及科學態度等方面得到有效提升。因此，深度學習之于習題教學具有一定的借鑒意義和實施價值。

１．２ 深度學習強調情境價值

深度學習理論強調“真實、具體、富有價值的問題情境是學生學科核心素養形成和發展的重要載體，也為學生學科核心素養提供了真實的表現機會”［２］。而情境又是試題的重要載體，也是設問的具體化實現。優質的情境是學生思維生長的沃土，對于提升學生的問題解決能力和發展核心素養有重要價值。因此，在深度學習理論的指導下，以開發和利用優質試題情境資源為途徑來嘗試實現習題教學的深層化，具備一定的可操作性和現實意義。

２ “摩擦自鎖”問題

當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生相對運動，這種現象在物理學上稱為“摩擦自鎖”。

高中階段，“摩擦自鎖”現象通常作為一種較為復雜的問題情境來考查學生對于“共點力平衡”中臨界問題的把握。受中學生認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展開，其基礎模型如表１所示。而與“摩擦自鎖”問題相關的試題情境與我們日常的生產生活密切相關，涉及一些有趣的生活現象和一些較為復雜的裝置及工具，極具現實價值和體驗感，其對學生的問題解決能力提出了較高的要求，是非常優質的教學資源。因此，為充分發揮該類問題情境的育人價值，應對其進行精心開發和利用。

３ 案例分析與實施

３．１ 原題呈現及試題評析

小明在觀察如圖１所示的沙子堆積時，發現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象，其本質為斜面的“摩擦自鎖”問題。學生需對斜面上的沙粒進行受力分析，運用假設和推理等思維方法掌握沙子堆積過程的動態變化規律及最大底角為定值的成因，求出使沙粒處于臨界靜止狀態（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，對學生的模型建構、科學推理和論證能力都提出了極高的要求。從教學的角度來看，若以傳統的講授形式進行該題的講評，學生會因缺乏對沙子堆積過程的動態體驗而難以將該情境與物塊在斜面上的滑落及臨界靜止狀態聯系起來，對“摩擦自鎖”問題更是缺乏系統且全面的認知。同時，該問題情境涉及一種沙子體積的估算方法，這與生產生活關系緊密，若加以利用可充分實現試題的育人功能。

３．２ 實施過程

現基于深度學習理論，嘗試對上述案例中的試題情境進行開發和利用。由于深度學習以聯想與結構、活動與體驗、本質與變式、遷移與應用、價值與評價為基本特征，而試題情境已經將問題和現象進行了初步關聯。因此，參考后四個特征并結合習題教學的特點來設計深度學習，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，依托感知體驗激發內部動機

在傳統的習題教學模式下，學生會因為對該情境缺乏切身感知體驗而將其當作既定事實被動接受，并在教師指導下對其進行程序化和規范化處理，最后以文字和符號的形式給予思維呈現。這將難以激發學生的內部動機，更無法凸顯情境在激發學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生模擬試題情境，并親身經歷該現象的形成過程，從而引發學生質疑，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，其具體操作流程如表２所示。

３．２．２ 本質與變式：開展試題深度設計，依托進階性任務培養高階思維

原題要求學生依據所給條件估算沙堆體積，該過程思維跨度較大，學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之間的關系，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象所引發的問題，結合試題自身邏輯，開展試題的深度設計，通過梯度設問讓學生進階式地解決問題。同時，該題所涉及的估料方法與生產生活密切相關，對于物料堆放場地的選擇更是具有現實意義。因此，可在該題基礎上進一步設計進階性任務來培養學生的高階思維和解決實際問題的能力。具體設計方案如下：

任務１：初始階段沙堆底角可持續增大而不發生崩塌，但隨著沙子的持續注入，沙堆在某一瞬間突然發生崩塌，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。

學生活動：

（１）發掘初始階段沙堆底角持續增大而不發生崩塌這一表層現象的深層物理含義，將其轉化為“沙?？沙掷m停留在沙堆表層而不發生滑落”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法對其沿斜面方向的受力進行動態分析，體會靜摩擦力逐步增大并最終轉化為滑動摩擦力的過程。

任務２：為何沙堆在發生崩塌后能自動恢復至靜止狀態，試對該動態變化過程進行分析，并解釋最大底角的成因。

學生活動：

（１）對沙粒沿斜面滑落所引發的沙堆底角的變化進行推理，運用假設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狀態轉變的自動“鎖定”過程，深入理解臨界靜止狀態的物理意義。

（２）依據共點力平衡條件，列出表層沙粒處于自鎖狀態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決定。

任務３：若已知沙堆底部周長和沙粒間的摩擦因數，如何估算沙堆體積？

學生活動：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立計算。同時，深入思考和體會該種估料方法的現實價值。

任務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，以便準備合適的場地，試設計一種方案來估算物料所占底面積（物料體積已知）。

學生活動：

（１）借助任務３中提出的物料體積估算方法，對表達式V=πr3tanφ進行處理和轉化，推導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學關系。

（２）利用同種物料自然堆積形成的圓錐體底角相同的結論，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。

整體架構思路及設計意圖如圖３所示。其中，任務１和任務２要求學生對沙子自然堆積過程中出現的所有現象和細節進行合理解釋。這兩個任務由步驟１中呈現的６個子問題驅動，旨在幫助學生建立起對現象本身的認知，主要培養以下物理觀念和科學思維：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、推理對沙堆的動態變化過程進行全面分析和論證。而任務３和任務４分別是原題的設問和延伸，注重相關物理原理在生產生活中的實際應用，培養學生用科學的態度和眼光來審視和解決現實問題。

３．２．３ 遷移與應用：精選同類試題，依托多元情境促成模型遷移

為加深學生對“斜面自鎖”模型的理解和臨界最大傾角——摩擦角的認知，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用。除了沙子自然堆積的生活現象，一些結構較為復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。這些結構復雜的裝置對學生的模型建構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，引導學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，推導出能夠實現自鎖的千斤頂，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，學生能夠對“摩擦自鎖”問題產生更為全面且系統的認識，深入思考并體會該類模型的應用價值。同時，豐富多元且貼近生活的情境也能夠徹底激發學生的探究興趣和質疑創新精神，這將有效促進學生思維能力的提升。

３．２．４ 價值與評價：體會情境價值，依托反思評價發揮試題育人功能

在經歷了活動與體驗、本質與變式以及遷移與應用三個步驟之后，教師需要引導學生對所有涉及到的問題情境和整個學習過程進行反思評價，喚醒學生對于知識背后動機和問題本質的認識，將落腳點最終放在發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計中，給我們的生產生活帶來了便利，這充分體現了科學、技術和社會之間的緊密聯系?；仡櫿麄€基于情境的深度學習過程，學生經歷了從自然現象中發現問題、通過推理假設解釋問題和將物理原理應用于生活實踐幾個階段，這是科學本質，也是科學研究的一般過程和最終目的，值得深入體會和感悟。

４ 結 語

縱觀整個試題情境資源的開發和利用過程，每個階段都指向學科核心素養的培育和發展。學生通過親歷試題情境獲得感知體驗，在科學探究中產生質疑并促進問題生成，在面對進階性任務時能通過不斷推理、假設和論證發掘現象背后的本質，螺旋式地解決問題。學生還能在接觸多元情境的過程中進一步體會模型價值，通過反思評價認識科學本質并形成正確的價值觀。但需要注意的是，深度學習對學生的思維能力和認知水平有較高的要求。因此，教師需要在學生已經建立基本知識結構的基礎上開展該類習題教學，以確保達到最好的教學效果，并最大程度發揮情境價值。

參考文獻：

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（欄目編輯 賈偉堯）