魏 明

(貴州師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550018)

深度學(xué)習(xí)是一種基于學(xué)習(xí)者思維發(fā)展的主動的、批判性的學(xué)習(xí)方式，它與表現(xiàn)為淺層學(xué)習(xí)的被動接受式學(xué)習(xí)、儲蓄式學(xué)習(xí)、輸入式學(xué)習(xí)等機械式學(xué)習(xí)方式不同，是一種高水平、促進思維發(fā)展的認知活動與學(xué)習(xí)狀態(tài)，學(xué)習(xí)過程更接近知識建構(gòu)的本質(zhì)；而淺層學(xué)習(xí)則是一種較低水平的學(xué)習(xí)狀態(tài)，學(xué)習(xí)者處于較低的認知水準，其學(xué)習(xí)過程是學(xué)習(xí)者的低階思維活動。與淺層學(xué)習(xí)相比，深度學(xué)習(xí)，一是強調(diào)學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中要主動進行知識遷移、知識建構(gòu)與問題解決，當學(xué)習(xí)者在面對新知識、新問題時，要善于把握新舊知識之間的聯(lián)系，將新知識納入已有的認知結(jié)構(gòu)中，建構(gòu)新的知識結(jié)構(gòu)。二是強調(diào)學(xué)習(xí)者在理解性學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，注重對所學(xué)知識的質(zhì)疑與批判，學(xué)習(xí)者在知識的學(xué)習(xí)與建構(gòu)過程中應(yīng)始終保持一種質(zhì)疑、批判的精神，對所學(xué)知識進行批判性的接受與審視；三是強調(diào)學(xué)習(xí)者知識的生成性與過程性、思維發(fā)展的層次性與創(chuàng)造性。

立足于深度學(xué)習(xí)理念開展課堂教學(xué)，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，積極參與深度學(xué)習(xí)，自然“生成”規(guī)律，掌握物理規(guī)律的建立過程，促進學(xué)生思維的發(fā)展。

1 基于淺層學(xué)習(xí)的平拋運動教學(xué)與分析

1.1 基于淺層學(xué)習(xí)的教學(xué)方案

平拋運動教學(xué)作為典型的物理規(guī)律教學(xué)，教學(xué)的本質(zhì)是引導(dǎo)學(xué)生“重新”認識，并發(fā)現(xiàn)規(guī)律的形成過程，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中自然生成物理規(guī)律。然而，長期以來學(xué)生呈現(xiàn)出的學(xué)習(xí)效果卻不如預(yù)期，歸其原因，主要在于淺層學(xué)習(xí)的教學(xué)方案缺乏較強的教學(xué)邏輯性，違背了學(xué)生深度學(xué)習(xí)的教學(xué)理念，沒有清晰表達出學(xué)生建構(gòu)知識的思維層次與邏輯思路，致使學(xué)生對平拋運動合成與分解這一知識點的認識一知半解，陷入了知其然不知其所以然的混亂認知結(jié)構(gòu)中。

基于現(xiàn)行教材[1]內(nèi)容所呈現(xiàn)的思路，表現(xiàn)為淺層學(xué)習(xí)的教學(xué)方案首先通過演示平拋運動或噴出的水柱，讓學(xué)生觀察運動的情境，分析運動的特征、條件，進而定義出平拋運動的概念。隨后通過類比研究直線運動的方法，通過受力分析，根據(jù)平拋運動的初始條件，即初速度沿水平方向，合力沿豎直方向，依據(jù)牛頓運動定律，對作平拋運動的物體在水平方向與豎直方向進行運動的分解，得出平拋運動可分解為水平方向的勻速直線運動和豎直方向的自由落體運動。最后通過例題形式求解平拋運動物體的運動軌跡，使學(xué)生體驗水平方向和豎直方向上兩個分運動的合成，就此完成了平拋運動合成與分解的教學(xué)目標。

1.2 基于淺層學(xué)習(xí)的教學(xué)方案分析

淺層學(xué)習(xí)的教學(xué)方案從表面上看，呈現(xiàn)了平拋運動的物理現(xiàn)象情景，通過對平拋體進行受力分析，依據(jù)牛頓運動定律對平拋運動進行了合成與分解，似乎符合學(xué)生的思維發(fā)展特征和認知發(fā)展規(guī)律，但是深入分析其教學(xué)方案，卻違背了深度學(xué)習(xí)的教學(xué)理念，缺乏較強的教學(xué)邏輯性，凸顯出了如下三個問題：一是教學(xué)方案呈現(xiàn)出的平拋運動現(xiàn)象情景不利于學(xué)生真正認識平拋運動本質(zhì)，建立起平拋運動的合成與分解的規(guī)律。二是為什么要對平拋運動進行分解，并且根據(jù)平拋運動的初始條件就把平拋運動簡單武斷地沿水平方向和豎直方向分解，學(xué)生不能真正理解，違背了學(xué)生思維發(fā)展的層次性、邏輯性；三是學(xué)生對沿水平方向分解的勻速直線運動規(guī)律和沿豎直方向分解的自由落體運動規(guī)律能真實反映平拋運動的規(guī)律與本質(zhì)持有疑慮和懷疑的心理，不愿意、不敢相信把平拋運動分解后其運動本質(zhì)與規(guī)律不會失真。從整體的教學(xué)過程看，學(xué)生的學(xué)是簡單機械的接受過程，是被教師“牽著鼻子”走、被“告知”的過程，表現(xiàn)為沒有知識“發(fā)現(xiàn)”“生成”“批判質(zhì)疑”與思維發(fā)展的淺層學(xué)習(xí)。

圖1 教學(xué)流程圖

2 基于深度學(xué)習(xí)的平拋運動創(chuàng)新教學(xué)與分析

2.1 基于深度學(xué)習(xí)的創(chuàng)新教學(xué)方案構(gòu)建

為了促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)，體現(xiàn)教學(xué)的邏輯性、知識的生成性與過程性、思維發(fā)展的層次性與高階性，使學(xué)生重新“發(fā)現(xiàn)”與“生成”平拋運動的規(guī)律，對其教學(xué)過程進行了重構(gòu)，構(gòu)建了如圖1所示的教學(xué)流程圖。

2.1.1 平拋運動模型的建立

(1)運動軌跡情景的呈現(xiàn)

學(xué)生對事物的認知往往是從現(xiàn)象、情境開始的，如何向?qū)W生呈現(xiàn)平拋運動的現(xiàn)象、軌跡成了學(xué)生認識平拋運動的開端。教材利用水平噴出的水柱向?qū)W生呈現(xiàn)了一條細小的平拋運動水流軌跡，現(xiàn)象直觀，清楚可見，如圖2所示。但是，想要清晰地描繪出運動軌跡卻顯得比較困難，因為隨著水位的降低，水流速度會減小，實驗所得軌跡的準確性和穩(wěn)定性會受到很大的影響，很難精確地描繪出理想的平拋運動軌跡。對此，教師可以引導(dǎo)學(xué)生采用頻閃照相法的形式拍攝頻閃照片來記錄平拋小球的運動軌跡以克服其不足，在實驗中，頻閃照相每隔相等的時間記錄小球運動的位置，其運動軌跡如圖3所示。圖3的運動軌跡清楚地描繪了小球的位置隨時間的變化信息，并且是在學(xué)生親眼觀察下進行拍攝的，真實、清晰、直觀、可信，有利于后續(xù)對平拋運動規(guī)律的研究。

(2)物理模型的建立

學(xué)生建立起對平拋運動的現(xiàn)象、軌跡的感性認識后，思維實際上已向更高層次發(fā)展，不再局限于對平拋運動的粗淺認知，需要弄清楚運動軌跡背后的本質(zhì)。據(jù)此教師可以引導(dǎo)學(xué)生思考力與運動的關(guān)系，啟發(fā)學(xué)生對平拋運動的物體進行受力分析與運動分析，得出作平拋運動的物體必須滿足初速度沿水平方向，在豎直方向只受重力作用的兩個基本條件，建立起平拋運動是忽略空氣阻力的理想物理模型，進而歸納出平拋運動是加速度大小為重力加速度，方向為豎直向下的曲線運動，完成平拋運動模型的建立，認清平拋運動的本質(zhì)，為后續(xù)進行理論分析做好鋪墊。

圖2 平拋運動水流軌跡

圖3 平拋運動頻閃軌跡

2.1.2 平拋運動的分解方法

(1)分解思想的萌生

要使學(xué)生建立起平拋運動的分解方法，其前提和關(guān)鍵是要使學(xué)生建立起分解的思想，即為什么要對平拋運動進行分解?；跍\層學(xué)習(xí)的教學(xué)方案簡單地根據(jù)平拋運動的初始條件，通過受力分析和牛頓運動定律，得出平拋運動的分解結(jié)果。實際上，這種做法違背了深度學(xué)習(xí)的教學(xué)理念，扼殺了學(xué)生思維發(fā)展的生長點，不利于學(xué)生對問題的思考和知識的生成。那么在教學(xué)中到底如何啟發(fā)學(xué)生生成分解的思想呢？教師要從學(xué)生已有的舊知識經(jīng)驗出發(fā)，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)需要和認知規(guī)律，引導(dǎo)學(xué)生加強新舊知識、簡單知識與復(fù)雜知識之間的聯(lián)系，完成知識的遷移，找準知識的生長點，讓知識自然生長出來。因此，教師可以引導(dǎo)學(xué)生回顧在探究勻變速直線運動的位移與時間的關(guān)系中的“化變?yōu)閯颉薄盎睘楹啞薄盎粗獮橐阎钡淖龇ǎY(jié)合力的分解思想，啟發(fā)學(xué)生思考平拋運動運動規(guī)律應(yīng)該怎么探討，學(xué)生通過交流、討論，自然會萌生出“化曲為直”，把平拋運動分解為簡單的、已知的直線運動的思想。當然這種思想是否正確、合理還有待于后續(xù)的分析與驗證，但學(xué)生建立起分解的思想后教學(xué)已然成功了一半，為建立起平拋運動的分解方法奠定了良好的基礎(chǔ)。

(2)分解方法的猜想

學(xué)生建立起分解思想后，思維已逐漸向高階發(fā)展，教師可以向?qū)W生提出平拋運動要怎樣分解才比較合理的問題供學(xué)生思考、討論、交流?；跍\層學(xué)習(xí)的教學(xué)方案，通常采用的方法是根據(jù)平拋運動的初始條件，對物體進行受力分析、運動過程分析，推理出平拋運動應(yīng)該沿豎直方向和水平方向分解。實際上，這種做法看似合理，實則違背了學(xué)生知識建構(gòu)與生長的過程，其學(xué)習(xí)是低階思維活動，是教師對學(xué)生已有知識的簡單累積，是淺層學(xué)習(xí)的低級學(xué)習(xí)狀態(tài)。

要使學(xué)生建構(gòu)起平拋運動沿水平方向和豎直方向分解的方法，突破教學(xué)難點，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生回顧力分解時遵循的作用效果方法，以此為契機，引導(dǎo)學(xué)生對平拋運動的運動效果進行分析，得出平拋運動是物體邊向前走邊下落的運動，以此來啟發(fā)學(xué)生思考平拋運動該如何分解，建立起沿運動效果進行分解的初淺猜想。然后再利用如圖4、圖5[2]所示的平拋運動演示儀進行實驗演示。在圖4中，分別改變小球離地面的高度和小錘的擊打力度，小錘擊打彈性金屬片后，小球A做平拋運動，小球B同時被釋放豎直下落；在圖5中，固定小球B的滑軌在圖5所示位置，使其滑軌一端與水平方向相切，改變小球A離地面的高度，使小球A與小球B同時釋放，小球A做平拋運動，小球B沿水平方向運動。引導(dǎo)學(xué)生通過小球落地的聲音判斷圖4中A、B兩小球是否同時落地，觀察圖5中A、B兩小球是否相碰，去感受豎直方向、水平方向分運動與合運動的關(guān)系，最終形成平拋運動沿豎直方向和水平方向分解的終極猜想。這種猜想是學(xué)生基于已有的知識經(jīng)驗，通過對實驗現(xiàn)象的觀察、分析、思考做出的科學(xué)合理推測，是學(xué)生思維活動和認知的自然邏輯結(jié)果。

圖4 平拋運動演示儀

圖5 平拋運動演示儀

2.1.3 平拋運動的分解規(guī)律

(1)分解規(guī)律的實驗探究

學(xué)生建立起分解方法的猜想后，接下來教師要引導(dǎo)學(xué)生按此方法探究平拋運動在水平方向和豎直方向上的運動規(guī)律。實際上，學(xué)生經(jīng)歷了物理模型的建立、分解方法形成的思維過程后，已然對平拋運動在水平和豎直方向上的分運動規(guī)律有了一定的認識。因此，教師要引導(dǎo)學(xué)生把猜想變成假設(shè)，從如何根據(jù)圖3所示的平拋運動軌跡探究水平和豎直方向的運動特點來激起學(xué)生分析、交流和討論。此時，學(xué)生會根據(jù)圖3所示的運動軌跡中左邊第一個小球中心為原點，沿水平和豎直方向建立二維直角坐標系，分別測出在相等時間間隔T內(nèi)的相鄰小球在在水平方向和豎直方向上的位移s1、s2、s3……sn；y1、y2、y3……yn，并計算出水平方向上的位移比為：

s1∶s2∶s3∶……∶sn=1∶1∶1∶……∶1

(1)

由此判斷出平拋運動在水平方向上的分運動為勻速直線運動。同理計算出豎直方向上的位移比為：

y1∶y2∶y3∶……∶yn=1∶3∶5∶……∶2n-1

(2)

由此判斷出平拋運動在豎直方向上的分運動為勻加速直線運動，如果n取偶數(shù)，其加速度的大小可由逐差法公式求出，即

(3)

把由(3)式求得的加速度與重力加速度進行比較、分析，得出平拋運動在豎直方向上的分運動為自由落體運動。

至此，平拋運動的規(guī)律似乎已經(jīng)完全清楚了。實際上，學(xué)生仍然對實驗探究獲得的運動規(guī)律持有疑慮，因為這一切都來源于分解方法的猜想，這些猜想及其實驗結(jié)果只有經(jīng)得起物理理論的分析、論證和支持，才能成為真正的規(guī)律和結(jié)論。因此，教師還要引導(dǎo)學(xué)生對實驗探究的平拋運動分解規(guī)律進行理論分析和論證，以證明其科學(xué)性和正確性。

(2)分解規(guī)律的理論驗證

由于物體的受力情況決定物體的運動情況，要分析和論證平拋運動在水平方向和豎直方向上運動規(guī)律的合理性，研究和討論問題的焦點就轉(zhuǎn)變?yōu)閷ζ綊佭\動的物體進行受力分析。因此，教師要引導(dǎo)學(xué)生分析物體在兩個方向上的受力情況，得出物體在水平方向不受力，在豎直方向上忽略空氣阻力的情況下只受重力的作用。以此為依據(jù)，根據(jù)牛頓第一定律，得出平拋運動在水平方向上為速度不變且等于初速度的勻速直線運動，即運動方程為：

x=v0t

(4)

同理，根據(jù)牛頓第二定律，得出平拋運動在豎直方向上為自由落體運動，即運動方程為：

(5)

其中，x、y為水平方向和豎直方向的位移，v0為水平初速度，g為重力加速度，t為運動時間。

很明顯，通過對平拋運動的物體進行受力分析、運動分析，經(jīng)過理論分析和演繹推理得出的運動規(guī)律和通過實驗探究得出的運動規(guī)律完全吻合，從而為實驗探究的結(jié)果提供了理論支撐，使學(xué)生真正建立起了平拋運動的分解方法與規(guī)律。

2.1.4 平拋運動的合成規(guī)律

(1)運動方程的物理推證

同平拋運動的分解一樣，學(xué)生對平拋運動的合成同樣難于理解?；跍\層學(xué)習(xí)的教學(xué)方案是通過例題的形式求解平拋運動的軌跡方程，試圖讓學(xué)生體驗和感悟運動的合成思想與方法，但卻在處理水平和豎直方向上的運動方程(4)、(5)兩式時并沒有闡明依據(jù)和物理意義，只是簡單、機械地對兩個方程中的時間進行數(shù)學(xué)代換，從而得出平拋運動軌跡的物理運動方程為：

(6)

同樣，學(xué)生雖然經(jīng)歷了運動合成的過程，但仍然對通過運動合成的方法得出的(6)式方程表示平拋運動的真正軌跡持有疑慮。為了消除學(xué)生的疑慮，教師還要引導(dǎo)學(xué)生進行分析與驗證。

(2)運動方程的數(shù)學(xué)驗證

一般情況下，要分析物體運動的軌跡方程，學(xué)生慣用的思維是從數(shù)學(xué)上進行研究，因為他們通過多年的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)與積累，形成了較強的數(shù)學(xué)思維與方法，習(xí)慣采用定量的方法對事物進行表征、分析和建模，并且對得出的結(jié)果深信不疑。實際上，從數(shù)學(xué)上分析平拋運動的軌跡方程，就是學(xué)生進行數(shù)學(xué)建模的過程。因此，教師要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)圖3所示的頻閃照相描繪出運動軌跡，并以水平方向和豎直方向建立二維直角坐標系，啟發(fā)學(xué)生觀察、思考如何分析平拋運動的軌跡方程。學(xué)生自然會聯(lián)系數(shù)學(xué)上的一般拋物線方程進行數(shù)學(xué)建模，即：

y=ax2+bx+c

(7)

(8)

很明顯，(8)式和(6)式的數(shù)學(xué)形式完全一樣，為拋物線方程，說明按運動合成方法得出的結(jié)果經(jīng)得起數(shù)學(xué)上的理論分析與驗證。因此，學(xué)生會對從物理思維上和數(shù)學(xué)思維上得出相同的結(jié)果感到驚喜，真正將分解的思想和方法納入自己的認知結(jié)構(gòu)中去，從心理上真正完全接受、認同和內(nèi)化。

2.2 基于深度學(xué)習(xí)的創(chuàng)新教學(xué)方案分析

很明顯，在基于深度學(xué)習(xí)的創(chuàng)新教學(xué)方案中，學(xué)生經(jīng)歷了平拋運動軌跡情景的創(chuàng)設(shè)，物理模型的建立，分解思想的萌生，分解方法的猜想，分解規(guī)律的實驗探究，然后再通過邏輯嚴密的理論分析、數(shù)學(xué)分析進行論證的深度學(xué)習(xí)過程，使學(xué)生重新體驗了“認識”和“發(fā)現(xiàn)”規(guī)律的形成過程，“生成”了平拋運動合成與分解的思想與方法。與基于淺層學(xué)習(xí)的教學(xué)方案相比，此教學(xué)方案契合學(xué)生的認知發(fā)展規(guī)律和思維發(fā)展過程，符合思維發(fā)展的層次性與教學(xué)的邏輯性。按此思路進行教學(xué)，每個環(huán)節(jié)都符合學(xué)生的認知發(fā)展水平，既有物理思維與數(shù)學(xué)分析的殊途同歸，也有實驗探究與理論分析的相互印證與支撐。從整體上看，創(chuàng)新教學(xué)方案的教學(xué)過程實際上是學(xué)生“研究”的學(xué)習(xí)過程，學(xué)生經(jīng)歷了由淺入深，由表及里，由現(xiàn)象到本質(zhì)的過程，體現(xiàn)了學(xué)生思維發(fā)展的高階性、知識的遷移性、批判性的深度學(xué)習(xí)，形成了統(tǒng)一、自洽的、完備的思想方法理論體系。

3 反思與啟示

深度學(xué)習(xí)的教學(xué)過程要體現(xiàn)學(xué)生的認知發(fā)展規(guī)律。心理學(xué)層面，個體對新事物的認知過程是個人主體活動與情境相互作用，完成知識的連續(xù)不斷建構(gòu)過程。在創(chuàng)新教學(xué)方案中，學(xué)生經(jīng)歷了從具體到抽象，從物理表象到本質(zhì)的抽絲剝繭與層層逼真的“學(xué)習(xí)即研究”的教學(xué)環(huán)節(jié)與過程，體現(xiàn)了學(xué)生認知的層層深入發(fā)展，螺旋上升的深度學(xué)習(xí)過程和認知發(fā)展規(guī)律。

深度學(xué)習(xí)的教學(xué)過程要遵循教學(xué)的邏輯性。物理規(guī)律的認識過程是個體對事物的認識逐漸深入的過程。創(chuàng)新教學(xué)方案采用了先實驗探究后理論驗證與數(shù)學(xué)驗證的教學(xué)思路，體現(xiàn)了教學(xué)的完備性與邏輯性，比起采用基于淺層學(xué)習(xí)的教學(xué)方案和單純的實驗探究教學(xué)思路[3]以及先理論分析后實驗驗證的教學(xué)思路[4]更符合一般科學(xué)規(guī)律發(fā)現(xiàn)與建立的過程。這樣的教學(xué)過程遵循了物理規(guī)律教學(xué)的邏輯性，有助于幫助學(xué)生自然“生成”物理規(guī)律。

深度學(xué)習(xí)的教學(xué)過程要體現(xiàn)思維發(fā)展的靈活性、創(chuàng)造性與多樣性，遵循物理思維與數(shù)學(xué)思維相結(jié)合的教學(xué)思路。物理規(guī)律是人們以觀察與實驗所得的現(xiàn)象為事實依據(jù)，通過物理思維與數(shù)學(xué)推理相結(jié)合的產(chǎn)物。在創(chuàng)新教學(xué)方案中，教學(xué)過程體現(xiàn)了物理過程與數(shù)學(xué)過程兩條教學(xué)主線的融合。一條教學(xué)主線是引導(dǎo)學(xué)生通過物理方法、思維建構(gòu)平拋運動軌跡的拋物線方程；另一條教學(xué)主線是引導(dǎo)學(xué)生通過數(shù)學(xué)方法、思維對平拋運動軌跡進行數(shù)學(xué)建模，分析得出平拋運動軌跡的拋物線方程。兩條教學(xué)主線相互支撐與印證，有利于消除學(xué)生初學(xué)時對通過物理過程獲得結(jié)果的排斥、疑慮，在心理上真正接納和認同，達到教學(xué)的目的。