原始物理問題：促進深度學習的有效支架

摘 要：原始物理問題能夠很好地促進深度學習，與深度學習具有內在的邏輯一致性。探討了原始物理問題與深度學習的關系，提出了運用原始物理問題促進深度學習的４條教學策略：“情境—圖文”轉換策略、“抽象—數化”相彰策略、“探究—建?！表樳M策略、“提問—評價”反視策略，以現行人教版“拋體運動的規律”教學為例對此做了詳細闡釋，最后基于課堂實踐提出了３條教學建議。

關鍵詞：原始物理問題；深度學習；物理課堂教學

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）9-0033-5

隨著教學理念的迭代升級以及素養目標引領下教學改革的深入推進，培養學生的必備品格和關鍵能力是落實物理學科核心素養的重要內容，追求有深度的課堂教學是每一位物理教師應有的教學觀，促進深度學習體現學生的主體性地位是全體物理教育工作者的基本共識。為改善傳統物理習題教學理論“重技巧輕思維”“重應試輕素養”等不良研究傾向，邢紅軍、趙凱華等提出了原始物理問題教學理論［１］，該理論重思維與理解、重能力與遷移、重創造與實踐的風格與深度學習的基本特征——注重批判理解、強調信息整合、注重遷移運用、著意情感投入，具有內在邏輯一致性，該理論為促進深度學習打開了研究之窗。

１ 原始物理問題與深度學習的關系

原始物理問題是指自然界和社會生產生活中真實存在的，蘊藏著物理概念、規律且未被處理為物理教學問題的物理事實或現象［２］，具有真實性、生態型、穩定性、遷移性、開放性等特點［３］，原始物理問題教學是指運用原始物理問題旨在轉變學生認知方式，培養學生物理關鍵能力，發展物理能力水平，促進學生思維從無序到有序、它組織到自組織轉變的教學［４］。

根據自組織表征理論，原始物理問題表征包括外部表征（定向表征、抽象表征、圖像表征）和內部表征（賦值表征、物理表征、方法表征、數學表征）兩大方面［５］，為更好地貼合課堂教學，完全可以將其化為呈現客觀物理現象、抽取原始物理問題、建構理想物理模型、解決原始物理問題、評價問題解決過程五個環節，教學中兩者相互參照。

深度學習是指在理解的基礎上，學習者能夠批判地學習新思想和事實，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［６］。其特征是聯想與結構、活動與體驗、本質與變式、遷移與應用、價值與評價五個方面［７］，從深度學習的視角剖析原始物理問題教學，發現原始物理問題教學具備深度學習的基本特征，是實現深度學習的重要方式［８］，為深度學習的發生提供了教學載體。

愛因斯坦認為，“提出一個問題往往比解決一個問題更重要，因為解決問題也許僅是一個數學上或實驗上的技能而已。而提出新的問題、新的可能性，從新的角度去看舊的問題，都需要有創造性的想象力，而且標志著科學的真正進步。”其對原始物理問題外部表征的啟發意義在于學生需要整個調動已有經驗，發揮聯想，把客觀現象進行有序化、文字化和圖像化，進而提出有教育價值的原始物理問題。值得注意的是當下提出的原始物理問題還是粗糙的，具有現象描述—問題指向的無序性。本階段主要體現的是深度學習的聯想與結構化特征，“聯想”表達的是思維的多維性、多向性，“結構”表達的是思維對原始物理問題的系統性理解。把原始物理問題抽象為精細物理問題或者轉化為物理習題，并準確地用物理術語設置已知量和未知量，需要通過物理現象看本質，把握物理問題的實質，弄清楚已知量、未知量和中間量之間的基本聯系。在綜合考慮形式邏輯、知識邏輯、語義理解、設問變式等命題因素的基礎上，理解物理習題、物理問題、原始物理問題之間的關系。原始物理問題的內部表征要求學生準確把握問題本質，理解知識間的基本聯系，在思維活動中體驗物理科學研究方法，建立物理模型、綜合運用數學、物理知識解構物理習題和重構思維狀態，在課堂活動中體驗科學知識的運用過程，形成會遷移、能遷移、善遷移的物理能力，通過思維監控解釋、評價自我學習過程，認識原始物理問題對認知結構建構的價值，達到思維活化的深度學習狀態，最終推進物理問題解決，如圖１所示。

２ 運用原始物理問題促進深度學習的教學策略

２．１ 用“情境—圖文”轉換策略促進思維聯想，發展認知結構

“聯想與結構”處理的是人類認識成果（知識）與學生個體經驗的相互轉化問題，它們不是對立的，人類知識融入個體認知結構是以經驗為前提的。原始物理問題的“未加工性”意味著它非常“粗糙”，甚至是雜亂無章的，學生需要借助語言文字、畫圖、圖像等形象化的手段描述它們，如果要準確地刻畫客觀物理現象，需要以先在經驗為基礎大膽想象、聯想，運用類比的方法“套取”認知結構中的已有知識，借此接觸和理解客觀現象，這是知識由外而內流涌的第一必然性。

教學案例：現行人教版“拋體運動的規律”教學片斷。

活動１：提出原始物理問題。

教師活動：（視頻引課）教師播放排球比賽中球過網與不過網、出界與不出界的場景。并提出問題：排球比賽中，你是否為排球下網或者出界而感到惋惜？要使排球既能過網還不出界，需要考慮哪些因素？如何估算球落地時的速度大小？

設計意圖：原始物理問題教學下的深度學習可以從基于情境的聯想開始。本情境展現了排球比賽中的普遍現象，運動員在擊球時需要考慮排球既要過網，又不能出界，擊球的力度、角度、高度、水平距離、空氣阻力都會成為必要的考慮因素，要描述整個擊球過程，最好的辦法就是畫出簡單的情境草圖。為此，教師可以引導學生采用先語言描述、后草圖描述的方式，讓學生表達自己對上述情境的理解。

活動２：情境—圖文轉換。

在學生對原始物理問題情境有了充分理解后，將情境中的關鍵要素用圖片和文字標注的形式表現出來，是思維得以運轉的必要步驟。擊球的方向很多，教師可以選擇水平拋出的方式進行班級展示，以便為學習斜上拋運動埋下伏筆，如圖２所示。該過程中，學生可以將排球聯想成一個質點，把運動軌跡想象為虛線，當學生能夠將整個情境以草圖的形式輸出時，就可認為原始物理問題的外在特征已初步結構化。

２．２ 運用“抽象—數化”相彰策略理解問題本質，編制教學習題

抽象是把原始物理問題由“原生態”提取為“教學態”，關注的是原始物理問題的教學屬性，要求教師對原始物理問題情境的本質有全面、系統的通透理解，其提取過程的思維特征是細膩與概括。數化是將由原始物理問題轉化而來的物理習題進行符號化、有意義化，賦予符號以數值表達物理過程的質與量，巧妙設置已知量和未知量，原始物理問題習題化這一步最為關鍵。教師可引導學生從自己的能力出發，把原始物理問題抽象為物理習題。

活動３：原始物理問題習題化。

教師活動：（總結過網、出界的影響因素，并讓問題聚焦）既然擊球的力度會影響出球速度大小，擊球方向、高度、空氣阻力、風向也會影響排球的落地位置，為了讓問題進一步簡化，請大家一起研究水平擊打排球時的過網和不出界問題，最好相互啟發。

習題：在排球比賽發球時，運動員往往會先將排球拋至某一高度，在排球速度為０時迅速將其水平擊打出去。某次，運動員在排球距地面高為ｈ的Ｏ點迅速將其水平擊出，已知網高為ｈ０，場地長度為２ｌ，不計空氣阻力，重力加速度大小?。保?ｍ/ｓ２。求：（１）排球既能過網還不出界的初速度大小需要考慮哪些因素？（２）如何估算球落地時的速度大??？

設計意圖：深度學習注重對學習思維的培養，抽象思維是概括能力的集中體現，面對未被加工的原始物理問題，當學生對實際問題有了充分認知之后，教師可引導學生相互討論，互幫互學，利用已經熟知的物理術語、符號去注解先前畫好的情境圖，這是情境驅動向概念與符號驅動轉化所必須的，原始物理問題的習題化過程看似簡單，實則不易，其根源在于思維由“散”而“聚”的升位，著意認知聚焦，把握本質恰恰是深度學習所要求的。

２．３ 運用“探究—建模”順進策略體驗實驗過程，挖掘規律本質

深度學習是基于知識與方法整合的學習，是基于學科能力與思維培養關聯的學習，是思維深度參與和調動積極情感的學習。為突出原始物理問題解決，教師需要把建立物理模型擺在首要位置；為突出學科方法，教師需要把探究平拋運動的經典實驗再次模擬還原重現；為調動學生情感，教師需要把學生組織起來一起體驗創新平拋實驗；為突出知識與方法整合，教師需要引導學生運用物理模型分析物理規律本質。

活動４：利用模擬實驗定性探究排球過網與不過網、出界與不出界的影響因素。

真實的排球比賽中，出球高度、速度會因為運動員水平、心理、現場環境等的不同而不易控制，課堂教學中可以利用乒乓球發球機模擬排球運動員的發球過程（采取不旋轉模式）。乒乓球發球機不僅可以人為控制發球高度、發射位置與網之間的水平距離、出球速度，還能避免比賽環境、運動員心理等帶來的不確定因素。具體如下：

模擬1：發球速度大小、發球位置高度、網高不變時，探究發球位置與球落地點的水平距離與發球質量之間的定性關系。

模擬2：發球速度大小、發球位置、網高不變時，探究發球位置的高度與發球質量之間的定性關系；

模擬3：發球位置的高度、發球位置、網高不變時，探究發球速度與發球質量之間的定性關系；

模擬4：發球速度大小、發球位置、發球位置高度不變時，探究網高對發球質量的定性關系；

拓展模擬：探究發球仰角與發球質量的定性關系。

設計意圖：深度學習是有意義的學習過程，在原始物理問題習題化之后，為實現問題解決，教師就需要想方設法在物理習題和習題解答之間創設思維活動。上述5個模擬情境與原始物理問題相似度很高，直抵問題解決本質。乒乓球發球機模擬實驗極大地調動了學生的學習興趣，為學生持續思考給予源源不斷的動力，為培養分析與遷移能力搭設了良好的思維載體。

活動５：物理建模，挖掘規律本質，促進問題解決。

物理建模是原始物理問題教學的核心環節，反映了人們對客觀物理現象的抽象把握。分析和概括能力是建構物理模型的必備能力，其基本過程是建模、析模、用模和評模。素養目標導向下，物理模型承載了發展學生高階思維和遷移應用能力的基本功能，學生能夠利用物理模型解決實際問題是學生能夠進入深度學習狀態的具體體現。

當學生經歷模擬物理實驗后，其思維運動是知識回顧，勻速直線運動和自由落體運動的基礎知識必然泛于心頭，這兩種不同的物理模型在運動合成的學科方法加持下與拋體運動相遇，學科知識得以整合，學科結構得到強化。另外，模擬探究實驗以控制變量法為基礎，對應的定性探究結果也在實驗演示結束后一目了然，其能力要求又處于最近發展區，又進一步刺激了學生的求知欲。至此，思維進入縱深空間，物理建模水到渠成，學生解答先前合作命制的物理習題也便自然而然。當學生順利得到ｘ＝ｖ０ｔ，ａｘ＝０，ｖｘ＝ｖ０以及ｙ＝ｇｔ２，ａｙ＝ｇ，ｖy＝ｇｔ這一組方程后，便可說明平拋運動建模是成功的。據此可知他們已經掌握了平拋運動的基本規律。此時，教師就應引導學生將平拋運動的基本規律與具體問題情境相結合，把推理和演算融入其中，讓知識和方法在解決實際問題中得到升華，把問題解決過程變成遷移能力和知識運用能力雙向提升的過程。

其實，對物理規律的挖掘繞不開對細節的澄清，澄清細節是對探究活動深層次的自我知會。本習題中，學生應當準確理解網高ｈ０和發球高度ｈ的不同，在不過網和過界兩種情況下，正確把握分運動間的等時性與獨立性，盡可能分類研究過網臨界速度ｖ１和過界臨界速度ｖ２，最終得到ｖ１＝ｘ，ｖ２＝（ｘ＋ｌ）。當學生能夠獨立得到ｖ０介于這兩個臨界值中間時，深度學習已經悄然發生。

２．４ 運用“提問—評價”反視策略監控思維過程，突出學習主體

建構主義認為，認知圖式是在同化、順應中不斷完善的，結構化的認知結構會讓學習者表現出與眾不同的高階思維能力，比如分析—綜合能力、概括—推理能力、應用遷移能力和問題解決能力等。指向深度學習的原始物理問題教學包含上述意蘊，當某一原始物理問題教學告一段落后，教師有意識地培養學生的反思與評價能力有助于知識的模塊化建構，對完善和強化認知圖式具有積極意義。“提問—評價”策略可以幫助學生在學習終了之時認識自己的學習過程，有助于學生認識學習中的自己，促進學生自我“覺醒”。比如，教師在課堂留白時展示“我是怎么學習的”“為什么老師和別人的思路與我不同，不同處在什么地方”“這個問題還可以怎么思考”等諸如此類的問題，讓學生與自己對話，與整個學習過程對話。原始物理問題教學突出解釋和評價，因為這是檢驗學習效果的重要一環。同樣，深度學習理論也注重評價在學習過程中的重要作用，因為在評價中學習者才能真正認識到真實的自己，這就是“反視”的意義。

實際上，學生所畫的情境圖（圖２）并不是完全沒有問題。仔細分析可以發現，當排球被水平擊打出去，在ｈ≤ｈ０時，排球無論如何都不能過網，唯一可行的辦法就是斜向正前方擊出。對此，教師可以啟發學生思考先前所命制的物理習題是否存在瑕疵，又如何改進。這樣，原始物理問題教學又被推向一個新的高潮。在忽略空氣阻力的條件下，教師可以引導學生進一步分析幾個關鍵問題：（１）斜向正前方擊出后，試猜測拋高和射程與哪些因素有關；（２）如何研究射程和拋高大?。唬ǎ常┠阏J為斜上拋運動和平拋運動在研究方法上有何異同。

３ 教學建議

本文梳理了原始物理問題與深度學習特征之間的內在關系，提出了運用原始物理問題促進深度學習的教學策略。我們認為，原始物理問題與深度學習具有內在的邏輯一致性，能夠很好地促進深度學習，但是真正落實該主張還需要重視學、思、行三個方面。

３．１ 學：主動更新教學觀念，激發教師學習熱情

教學觀念是課堂改革的關鍵變量，隨著時代的不斷變遷，教師角色及其內涵越來越豐富，新高考背景下學習型、研究型的物理教師越來越受重視。時代給高考帶來的變革，要物理教師重新審視“我是誰”。我們要積極主動地更新自己的教學觀念，把“依托考綱從教”轉變為“借助思維研學”，把學習新理念作為教師職業生涯的常態。由于原始物理問題教學理論的廣泛傳播，其理念已經滲透到了高考試題和教材之中。正是該理論對思維培養的強調契合了物理學科的基本特征，才有了該理論在中學物理教育領域的蓬勃發展。我們應當以熱忱的教研心態持續不斷地學習該理論，用新觀念激發自己的學習熱情和創造力，讓自己站在更好的視角認識專業自我。

３．２ 思：積極思考教學理論，研究教改基本理念

做一個有思想、有洞見、有主張的物理教師，應當時時保持思考者的謙遜姿態，這是一個自我沉淀、反省的過程。不同的教學理論有自己的適用范圍，作為一線教師我們需要思考教學理論與具體課型的匹配程度。比如，原始物理問題教學理論在概念課、規律課、實驗探究課中就較為實用，此時它與深度學習理論可以協同相彰，但是對于試卷講評課并不特別適用。另外，我們也應深入研究教改基本理念，用心思考教改理念背后的教學現實問題，因為每一種教學理念的提出必然基于特定環境下的教學現實問題和不良研究傾向，思考這些問題有助于直抵理念本質，避免了從理論到理論帶來的高來高去的問題。只有潛心思考理論，用心研究問題，著眼教學實踐，才能塑造出一個全面的教學自我。

３．３ 行：積累相關教學素材，提升自我實踐能力

除卻學與思，我們還應關注行動，努力去做一個積極的行動者、實踐者。從近幾年的高考試題來看，原始物理問題教學理念引領下的高考試題比比皆是。每年高考后學生總是反映物理試題變難了，教師也反映原先的教學方法失靈了。出現這種現象的原因很多，有一條是肯定的，那就是高考物理試題注重思維能力考查的要求比以前更高了，原始問題引領下的試題注重考查學生整體思維與認知能力，它進入高考試卷也就不足為怪了。最典型的是２０２１年全國３卷第２４題（減速帶問題），２０２２年全國甲卷第１５題（高速列車穿越隧道問題），２０２２年全國乙卷第１８題（利用智能手機中的磁傳感器測量磁感應強度），這些考題學生得分率都很低。為此，我們就應當有意識地積累這些教學素材，在關照考題的同時還應注重挖掘教材中的原始物理問題，以備不時之需，努力提升自己的教學實踐能力。

參考文獻：

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（欄目編輯 劉 榮）