毛 寧 吳 峰 惠治鑫 馮國林

(寧夏師范學院物理與電子信息工程學院 寧夏 固原 756000)

深度學習是在教師的引領下，學生圍繞具有挑戰(zhàn)性的學習主題，全身心積極參與，體驗成功，獲得發(fā)展的有意義的學習過程[1～4].《普通高中物理課程標準》(2017年版)將學業(yè)質量水平劃分為5個水平，將知識考查劃分為一個由淺到深的過程，這對于學生學習能力的要求也是由淺到深的.其實，早在1956年布魯姆在《教育目標分類學》里關于“認知領域目標”的探討中，對認識目標的維度劃分就蘊含了深度學習的思想，布魯姆從學習目標層面對學習層次進行了劃分，將學習過程中學生掌握程度的深淺作為劃分學習層次的主要依據[5].如表1所示.

表1 布魯姆教育目標分類

除此之外他們針對學習動機、策略、投入程度、思維層次和遷移能力等開展了研究.國內研究起步較晚，黎加厚教授在《促進學生深度學習》探討深度教學的理論如何以能力為導向[6].2011年以后，為了滿足課程改革持續(xù)深入的需要，田慧生帶領團隊針對深度學習展開研究[7].艾根(Egan.K)針對深度學習應該采取的基本原則和實現的途徑進行了思考，就深度學習促進學生發(fā)展和教師發(fā)展進行了實驗論證[8].從知識論的角度出發(fā)，針對深度學習的“深度”(depth)進行了解釋.提出知識學習的充分廣度、充分深度、充分關聯度3個基本標準，便于教育工作者對深度學習和淺層學習進行區(qū)分[8,9].

本文選擇以“圓周運動”模型建構進行探討，模型建構過程包涵情境抽象、模型建立、模型驗證、模型重構、模型應用、模型遷移、模型評價等一個完整的過程.物理知識的學習通過模型建構的方式進行學習，從物理情境抽象到物理模型的形成，對物理模型進行驗證與重構的淺層學習，到對知識(物理模型)的應用、遷移和評價的深層學習.

1 基于新課標的教材分析

普通高中物理課程標準(2017年版)對于“圓周運動”提出的要求是“會用線速度、角速度、周期描述勻速圓周運動.知道勻速圓周運動向心加速度的大小和方向.通過實驗，探究并了解勻速圓周運動向心力大小與半徑、角速度、質量的關系.能用牛頓第二定律分析勻速圓周運動的向心力[10].”在教師的引導下，通過預設的物理情境感知生活中圓周運動的普遍性，組織學生結合具體事例概括圓周運動的特點，描述圓周運動.再根據牛頓第二定律，建立向心力的方向和表達式.最終，以生活中更為常見的變速圓周運動、一般曲線運動，教材簡單介紹了研究的方法，由特殊到一般，層層遞進.

2 基于模型建構的教學過程設計

2.1 從了解身邊的圓周運動開始

舉例生活中幾種學生熟悉的運動畫面，如游樂場里面的摩天輪、緩慢轉動的風力發(fā)電機扇葉、雜技演員手中旋轉的籃球，被繩子拉著的小球在豎直平面內運動.

2.2 結合物理情境抽象出圓周運動特點

巧妙的問題鏈設計，有助于模型建構教學過程中對教學方向的把控，同時問題鏈可以引導學生開始對圓周運動特點進行概括.

問題1：日常生活中還有這樣的運動嗎？

依據學生列舉的一些生產和生活中的圓周運動實例.例如公園里摩天大輪的運動、緩慢轉動的風力發(fā)電機扇葉、雜技演員手中旋轉的籃球等.

問題2：上述幾種運動存在什么共同特點？

問題3：做圓周運動的物體上的質點，不同位置運動情況不同，該如何描述呢？

以生活中物理情境與演示實驗開始探究，引導學生對做“圓周運動”物體的運動的軌跡開始分析，做到理論與生活實踐相結合,激發(fā)學生的求知欲望.

問題4：是否可以通過“速度”來描述圓周運動的快慢？

問題5：做圓周運動的物體上的質點不同位置運動快慢不同，該怎么描述？

問題6：除了比較“速度”還有什么方法可以比較圓周運動的快慢？

在問題的引導下學生根據自身的經驗，經過交流討論，大致可形成以下4種方法.

方法1：比較物體在相同時間內通過的圓弧長短.

問題設計的意圖在于引導學生分組討論、探究，學生可以利用簡單的直尺和筆繪制不同位置質點運動的軌跡——圓弧長度.對弧長大小進行比較，引導學生得出線速度的概念.

方法2：比較物體在相同時間內半徑轉過的角度.

演示不同速度轉動的物體相同時間轉過的角度，通過演示實驗與學生記住思考，最終得出角速度的概念.

圖1 線速度與角速度之間的關系

方法3：比較物體轉過一圈所用時間；

方法4：比較物體在一段時間內轉過的圈數.

利用方法3和方法4引出描述圓周運動快慢的兩個物理量：周期和轉速.

2.3 依據新知識建立“圓周運動”模型

問題7：如圖2所示，在松木板上用圖釘固定細線的一端，另一端系個鐵球．給鐵球一個初速度，使其做圓周運動，為什么小球會慢慢停下來？在什么情形下，小球的轉動可視為勻速圓周運動？

圖2 鐵球在細線牽引下做圓周運動

問題8：能否對做勻速圓周運動的小球進行受力分析？

學生：小球受重力、支持力還有細線拉力的作用.重力和支持力抵消，因此，拉力就是小球受到的合力，沿半徑指向圓心.

圖3 小球受力分析

問題9：能否根據牛頓運動第二定律F=ma分析勻速圓周運動的向心加速度？

2.4 探究向心加速度大小的表達式

幫助學生回顧向心加速度的定義式：從Δv入手.

圖4 質點從A到B的速度變化量

Δv=vB-vA，且vB=vA=v

Δt→0時Δθ→0, 可以得到Δv=vΔθ.

由此學生建構勻速圓周運動向心加速度模型

2.5 圓周運動模型的檢驗

【例題】如圖5所示是一臺參加自行車拉力賽的參賽車圖片，已知與腳踏板鏈接的傳動齒輪半徑大小0.2m,后輪齒輪半徑大小為0.1m,后輪直徑為0.5m.求：當自行車想以5m·s-1的速度行駛時，傳動齒輪的轉動速度為多少？如果后齒輪直徑可以調節(jié)，不改變傳動齒輪速度的前提下為了在平直路段超越前方對手，該怎么調節(jié)齒輪？

圖5 自行車圖片

這是對學生關于“圓周運動”模型內物理量關系的考查，不僅考查v=ωr知識點，更考查學生能否簡化自行車結構建立起同軸轉動與“皮帶”模型，考查學生對于圓周運動模型的遷移與應用模型進行評價的能力，是對“圓周運動”模型的綜合考查.

學生應建立起這樣的物理模型，如圖6所示.

圖6 簡化后的自行車模型

(1)對問題進行分析：可知A和B間具有相同的線速度vA=vB，B和C間具有相同的角速度ωB=ωC，接著根據v=ωr進行計算.得出

vA=0.5m·s-1

為了在平直路段超越前方對手，就需要增大速度，在不改變傳動齒輪速度的前提下，應該減小后齒輪的直徑.

2.6 圓周運動模型遷移與評價

如圖7所示，在圓錐擺中，向心力Fn與細線拉力T、圓錐半頂角θ之間滿足什么數學關系？

圖7 不同夾角下的受力情況

在傳統教學中學生對于知識學習普遍存在“接受—理解—鞏固—解題”的現象，轉變?yōu)椤皡⑴c—體驗—內化—外延”的學習模式，圓周運動模型的深度學習過程包涵情境抽象、模型建立、模型驗證、模型重構、模型應用、模型遷移、模型評價等一個完整的過程.模型建構過程中我們需要學生應用認知領域、人際領域、個人領域的能力進行物理模型的建構.在認知領域方面我們需要從知識掌握與問題理解、批判性思維、問題解決能力去進行模型建構；在人際領域方面我們需要從合作能力和交流表達能力輔助團隊開展工作；在個人領域方面我們需要從學習心態(tài)和學會學習能力幫助學生進行深度學習.物理知識的學習通過模型建構的方式進行學習，從物理情境抽象到物理模型的形成，對物理模型進行驗證與重構的淺層學習，到對知識(物理模型)的應用、遷移和評價的深度學習.如圖8所示.

圖8 模型建構一般過程

3 基于模型建構的深度學習的教學反思

物理是以實驗為基礎的學科，模型被視為是對真實世界的表征，建模是建構或修改模型的動態(tài)過程[11].建模教學是教師引導學生從復雜的現象中，抽取出能描繪該現象的元素或參數，并找出這些元素或參數之間的正確關系，建構足以正確描述、解釋該現象的模型的過程[12].學生掌握物理模型相較于科學家建立模型的過程相對簡單，建模教學過程中，學生以探究的形式展開，對物理情境進行抽象處理，提出猜想和假設、進行驗證與重構從而獲得物理模型.學生經歷模型建構的過程存在以下好處：從知識獲得角度來看，自主建構的知識容易與學生的認知發(fā)展相符合，容易順應與平衡.其次，模型建構過程是將學生原有認知中的概念與經驗相結合，獲得新知識的過程，這一過程可以加深學生對知識間邏輯關系的認識；從知識育人角度來看，模型建構過程是在激發(fā)學生直接經驗與原有知識的基礎上，引導學生概括物理情境的主要特征與內在規(guī)律的過程，需要學生應用知識解決問題，獲得新知識促進學生思維發(fā)展的一個過程，是學生作為主體參與課堂教學獲得尋求思維發(fā)展的過程.

3.1 圓周運動哪里來——突出物理情境

物理問題情境是教師將學生置于探索未知物理原理的教學環(huán)境，使學生經歷激疑、生疑、釋疑和明了的過程，是學生在提出問題、思考問題和解決問題的動態(tài)過程中主動參與物理學習引發(fā)積極思維與物理能力培養(yǎng)的環(huán)境.通過物理情境向學生傳達圓周運動的普遍性，突出研究圓周運動建構圓周運動模型的價值.

3.2 圓周運動的特點——突出情境抽象

物理情境創(chuàng)設后，如何從情境中提取有用信息，確定影響因素是模型建構教學的進一步需求.學生根據情境分析出主要因素和次要因素就顯得尤為重要，情境抽象能力是對學生觀察能力、概括、總結能力的一種培養(yǎng)和鍛煉，是對學生以后面對類似問題時如何快速提煉主體因素的能力的養(yǎng)成.

3.3 理想的勻速圓周運動哪里來——突出模型建構

物理建模就是依據已有知識經驗，對一類問題構建問題背景圖景，并用物理模型解釋和預測現象的科學思維能力的科學實踐活動[13].在新課導入環(huán)節(jié)，創(chuàng)設的物理情境都是生活中的圓周運動，如何從生活中的圓周運動到勻速圓周運動？學生們可以從自由落體運動模型建構的經驗中得到啟發(fā)，運用理想化的方法，忽略阻力對圓周運動的影響，將物體抽象為質點，即可構建出理想的勻速圓周運動模型.還可以采用類比聯想、等效替代、假設驗證等方法構建圓周運動模型.

3.4 圓周運動規(guī)律的推導——突出模型驗證與重構

學生可以在一定的物理情境基礎上提出某些定性的觀點，對于講究描述物體間相互關系來說，簡單的定性描述顯得單薄.需要在物理情境與物理規(guī)律之間形成清楚地邏輯關系，對直接經驗、物理規(guī)律、元認知規(guī)律經過遞進推理，最終達到清楚的認知.以模型建構為載體經歷“定性→半定量→定量”的過程.

3.5 圓周運動模型的應用、遷移與評價——突出由淺層學習邁向深度學習

模型建構過程中的淺層學習是知識性學習的結束階段，卻是學生科學思維發(fā)展的開始階段，模型建構從淺層學習走向深度學習應該體現知識育人的價值.對科學思維能力進行綜合性和針對性培養(yǎng).以模型建構過程為例，模型建立并經過驗證，是傳統課堂教學目標達成的標志，傳統課堂對于學生能力的發(fā)展卻并不重視，這與國家提倡的立德樹人根本任務相違背.因此，進行深度學習也是模型建構從淺層學習走向深度學習的必然趨勢.模型應用對學生抽象和概括能力有著很好的促進作用，對于學生應用知識解決生活實際問題起到促進作用，真正意義上做到以知識育人.

物理模型的應用作為深度學習的開端(模型應用不是簡單地習題訓練)，模型應用是將物理模型應用于解決生活實際問題，對相對應的生活情境進行解釋和預測，物理模型向生活和其他學科進行遷移，最后應用知識進行評價，培養(yǎng)學生的科學思維和創(chuàng)新精神.最后達到學以致用的作用，課堂教學在這里應該說是結束了，但是學生的思維發(fā)展卻依舊沒有停止，教師應該積極鼓勵學生在安全前提下進行生活中物理的探索.科學探究不應該只是課堂中的一個環(huán)節(jié)，應該從學校走入社會，在整個模型建構教學中鼓勵學生自主科學地進行探究，這是為了培養(yǎng)學生實事求是，熱愛科學的科學態(tài)度與責任.

4 結論

深度學習能力的培養(yǎng)可以滲透到教學的每一個環(huán)節(jié)，教學過程中積極引導學生主動參與模型構建，不僅可以深化學生對知識的掌握，還可以鍛煉學生的科學思維能力，提高學生分析問題和解決問題的能力，促進學科核心素養(yǎng)的發(fā)展.模型是物理學習的有力工具，也是物理課堂教學中幫助學生理解復雜物理知識的有效手段，針對模型建構的深度學習策略，不僅可以促進課堂教學目標的達成，完成基礎教育階段學生知識的傳授.更應該實現新課程觀下以知識育人的深層次目標，通過模型建構促進學生由淺層學習邁向深度學習，培養(yǎng)具有科學思維能力的創(chuàng)新型人才.