物理教學中促進學生深度學習的策略探索

吳 雙　張 磊

(山東師范大學物理與電子科學學院　山東 濟南　250014)

在知識經濟時代，僅靠記憶陳述性知識和程序性知識是不夠的，學生必須具有對復雜概念更深層次的理解，以及掌握利用復雜概念創造新概念、新理論、新產品、新知識的能力[1]，物理學是以觀察和實驗為基礎的自然學科，不少學生反映物理學科比較“難”，其根本原因在于“不會學習”，其學習方式仍停留在記憶、理解的淺層學習，淺層學習不利于發展學生的直接興趣和高階思維能力，如何發展學生的深度學習能力成為物理教學改革的研究熱點．2014-2016連續3年基礎教育《地平線報告》提出探索或轉向“深度學習策略”，可見深度學習作為一種有效認知策略在基礎教育中的重要地位[2]．

1　深層學習的內涵

20世紀70年代，美國學者Ference Marton和Roger Saljo在《學習的本質區別：結果與過程》一文中根據大學生閱讀文本的不同信息加工方式，首次提出深度學習和淺層學習兩個相對概念[3]，隨后Ramsden(1988)、Entwistle(1997)、Biggs(1999)進一步論述了深度學習和淺層學習的相關理論及其特征．2010年William and Flora Hewlett Foundation發起，并由美國研究院組織實施的SDL項目，對深度學習理論和實踐進行系統研究．Hewlett Foundation界定深度學習包括掌握核心學科知識、批判性思維、復雜問題解決、團隊協作、有效溝通、學會學習、學習毅力等6個維度的基本能力，2012年國家研究委員會將Hewlett Foundation深度學習能力劃分到3個領域，如表1所示．同時Hewlett Foundation在美國不同地區建立共500余所實驗學校進行實踐研究，形成深度學習共同體網絡[4]．

表1　Hewlett Foundation與NRC

國內黎加厚教授(2005)率先對深度學習進行相關研究，將其界定為在理解學習的基礎上，學習者能夠批判性地學習新的思想和事實，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[5]．隨后張浩等學者并進一步論述了深度學習的認知理論基礎、內涵及主要特征[6]．

綜合國內外深度學習研究現狀，本研究認為深度學習的特征表現以下4個方面：

(1)從深度學習目標結果看，深度學習體現為學生認知、人際、個人3個領域高階能力發展．

(2)從學習內容角度看，深度學習的內容具有整合性、情境性等特點，并不是割裂的、脫離實際生活的事實．

(3)從學習過程的角度看，深度學習強調學習者批判性理解學科核心知識，基于已有的知識經驗主動建構知識體系，能將概念和原理遷移到新的情境，創造性地解決結構不良問題．

(4)從學習投入角度看，在學習過程中，深度學習需要學生的高認知投入、高情感投入、高行為投入，學習者的積極參與是深度學習的關鍵．

2　高中生物理深度學習情況現狀調查與分析

2.1　學生深度學習的現狀

高中深度學習情況的現狀調查指標體系如表2所示.

表2　高中深度學習情況的現狀調查指標體系

筆者在NSSE-china深度學習子量表、Hewlett Foundation深度學習能力框架以及深度學習相關特征基礎上，編制了高中生物理深度學習的調查量表，該量表包括認知領域、人際領域、個人領域等3個一級指標，往下細分為9個二級指標．

問卷采取likert 五點評量法，每一個問題均能反映學生運用深度學習策略情況，通過對濟南市2所中學高一、高二共319名學生深度學習情況進行問卷調查，來了解高中生物理深度學習情況．統計結果如圖1所示，整體來說學生的深度學習水平并不高，尤其在批判性思維能力、知識整合、問題解決、溝通能力、學習動機等維度上，學生關注焦點仍停留在完成學習任務本身，缺少對物理核心知識和觀念的批判性理解以及有效信息的整合，在知識遷移和劣構問題解決方面存在明顯不足，嚴重影響學生的學習質量．

圖1　高中生物理深度學習水平統計

2.2　學生深度學習現狀的原因探析

(1)學習方式改革表面化

目前課堂教學仍存在師生溝通對話較少、科學探究流于形式等表面化問題，教師對知識形成過程以及物理知識價值關注不夠，情感培養呈現淺層化，大量刷題練習造成學生興趣匱乏，批判性思維、創新思維等高階認知能力的發展受到阻礙．

(2)忽視學習環境的設計

建構主義理論下的學習環境包括情境、協作、會話和意義建構等4部分，良好學習環境是學生主動建構知識和發展高階思維的基礎．當前教師沒有很好借助學生日常生活為其建構積極思考、有效提問的學習環境，也沒有充分利用DIS系統、物理仿真實驗室、3D打印技術等現代信息技術優化傳統教學，在小組協作學習中，學生“非參與”現象比較嚴重，例如半數以上的學生很少積極發表自己的意見、課堂參與較低等．

(3)教學內容缺乏有效整合

一方面教師缺乏對教學內容的整體性設計，忽略學科主題間內在聯系，存在知識碎片化現象．另一方面學生缺少知識整合的自主性和深度學習方法，整體把握學科知識的能力有所欠缺，跨學科融合知識的能力不足，其認知結構中部分知識是孤立、零碎的，沒有建立相互聯系的知識網絡．

3　物理教學中促進學生深度學習的實施策略

3.1　創設真實的問題情境 激發內部學習動機

研究發現，學習者只有根據自己的經驗與外界交互，并積極建構意義時，深層理解才會發生[7]．深度學習要求以前概念和原有認知結構為基礎，通過創設真實問題情境，將自身生活概念體系與科學概念體系進行相互作用，引發認知沖突，促進迷思概念向科學概念轉變，激發學生的直接興趣，改變學生的非參與狀態．

以液體表面張力的引入為例，教師提問“硬幣可能漂在水面嗎？”學生根據硬幣(實心)密度比水密度大，推導出硬幣不可能漂浮在水面．實驗現象卻是硬幣可以“漂浮”在水面，如圖2所示.

圖2　硬幣漂浮在水面上

該物理情境引發了學生認知沖突，激發學生學習的好奇心和求知欲．教師輕輕按壓硬幣，使硬幣下沉，引導學生分析浮力和重力的變化情況，并思考該現象說明了什么．學生經過思考得出：硬幣下沉說明F浮

3.2　問題驅動學習 促進高階思維發展

驅動問題要包含啟發性的內容，以一個真實世界中的情境作為錨點．學生在尋求解決方案的過程中，逐漸加深對物理概念、規律及實踐應用的理解．例如在“洛倫茲力”教學片段中，通過極光現象引出“磁場對運動電荷的力”，演示陰極射線管，設置不同梯度的問題，讓學生參與具有挑戰性的學習任務中，在最近發展區內驅動學生自主探究物理規律．

問題一：電子束在磁場中發生偏轉說明了什么？

問題二:電荷在磁場中受到洛倫茲力，結合電荷定向移動產生電流，電流在磁場中受安培力作用，試猜測電流所受安培力與電荷所受洛倫茲力的關系．

問題三：根據安培力與洛倫茲力的關系，思考洛倫茲力方向的判斷方法，小組協作利用陰極射線管設計實驗方案并加以驗證．

問題四：根據安培力與洛倫茲力的關系，利用電流的微觀解釋，自主推導洛倫茲力的表達式．

問題五：類比安培力表達式，討論平行和斜交情況時，洛倫茲力的表達式．觀察極光現象和旋轉液體現象，分析產生兩種現象的原因．

通過5個邏輯上層層遞進的問題，將安培力和洛倫茲力聯系起來，引導學生自主建構洛倫茲力的相關性質，深度理解洛倫茲力，促進遷移和問題解決等高階思維能力的發展．

3.3　整合學習內容 注重知識建構

深度學習的整合既包括新舊知識的聯系，也包括跨學科內容的融合，深度學習強調將新知識整合到原有知識體系中，以利于知識的保持和遷移．例如磁場和電場是實際存在的特殊物質，理解起來比較抽象，在實際教學中，利用圖表把磁場與電場相關性質加以整合，可以增強學生對場的概念、電場強度和磁感應強度、電場線和磁感線等的理解，進而促進知識有效遷移．

又如在一輪復習相互作用專題中“摩擦力”相關內容時，引導學生通過思維導圖整合摩擦力性質，理清知識點間的相互聯系和邏輯關系，促進思維可視化和發散性思維的培養，如圖3所示．

圖3　“摩擦力”教學思維導圖

深度學習強調跨學科的整合，符合目前所倡導的STEM教育理念．物理概念形成、規律建立和應用需要數學工具描述，也需要化學、地理等學科的支持，重視物理與其他學科的融合，有利于提高學生對科學本質的認識以及促進學生科學思維的發展．例如“楞次定律”與“勒夏特列原理”在思想和研究方法上具有統一性，通過對“楞次定律”與“勒夏特列原理”類比推理和系統整合，使學生深入理解“減弱”和“阻礙”的意義，自主完善知識體系和發展整合思維．為了滿足學生的個性化需求，提供相關學習資源以便學生進一步思考楞次定律和勒夏特列原理更深層次的關系．

表3　楞次定律與勒夏特列原理的對比研究

3.4　構建學習共同體 引導學生深度學習

學習共同體對深度學習起著重要的支持作用，小組成員相互搭建腳手架，協作建構知識．一個積極的學習共同體有助于獲取學科核心知識，加強學習者的學習動機和認知投入，例如液體表面性質的探究活動．

(1)問題引入

液體表面張力有什么作用效果呢？小組協作利用手中的實驗器材進行探究．

(2)合作探究

1)長方形鐵絲框內嵌有活動吸管，使長方形鐵絲框布滿肥皂水的薄膜，用針刺破吸管一側的薄膜，觀察吸管的運動和肥皂膜的形狀．

2)半圓形形鐵絲框內嵌有活動吸管，使半圓形鐵絲框布滿肥皂水的薄膜，用針刺破吸管一側的薄膜，觀察吸管的運動和肥皂膜的形狀．

3)將一個棉線圈系在鐵絲環上，使鐵絲環布滿肥皂水的薄膜，此時棉線呈現松弛狀態，用針刺破棉線圈內的薄膜，觀察棉線和肥皂膜的形狀．

(3)深度建構

表面張力的作用效果是使液體有收縮的趨勢，液體為什么會產生表面張力呢？觀察液體表面的微觀圖，小組協作從液體和氣體分子間相互作用力的角度，討論液體表面產生表面張力的原因，并類比橡皮膜的收縮，建立表面張力的概念．

(4)問題探討

觀察肥皂動力小船實驗，參考清水和肥皂水的表面張力系數，從受力的角度討論分析無動力小船運動的原因．

(5)遷移運用

1)四面體、六面體等從肥皂水拿出后會產生什么現象？請同學們嘗試制作一些有關液體表面張力的實物模型．

2)解釋太空水球的實驗現象．

3)研究表面張力有什么意義？在日常生活和生產中有什么具體應用？

通過課堂學習共同體的對話，小組成員協作建構液體表面張力性質，從微觀領域深層理解表面張力的成因，并利用液體表面張力相關性質解釋生活現象和解決實際問題，引導學生深刻體驗物理概念形成與遷移應用的過程．

3.5　關注過程性評價 促進自我反思

深度學習要求評價應貫穿整個學習過程中，并針對學生學習的具體情況及時做出反饋，學習者根據反饋信息利用元認知對自己學習過程及學習策略進行反思，并采取相應的措施進行改進，過程性評價是促進學生深度學習的有效途徑之一．例如學完實驗“驗證機械能守恒定律”一節后，筆者鼓勵學生質疑反思，在盡量減小實驗過程中產生的誤差的情況下，根據機械能守恒定律的不同表述方式，設計實驗驗證機械能守恒定律．學生設計出以下兩類方案：

方案一：單個研究對象與地球組成的系統機械能守恒

圖4　小球自由落體運動

圖5　小球車擺運動

方案二：連接體與地球組成的系統機械能守恒

如圖6所示，根據阿特伍德機與光電門相結合來驗證機械能守恒，實驗時需測出A初始位置到光電門的距離h，擋光片寬度l，擋光時間t，物塊A和B的質量分別為mA和mB，系統重力勢能減少量

ΔEp=(mB-mA)gh

系統動能增加量

通過比較ΔEp和ΔEk在誤差允許的范圍內是否相等即可驗證機械能守恒定律．

圖6　利用阿特伍德機與光電門驗證機械能守恒

圖7，利用氣墊導軌、滑塊和光電門來驗證機械能守恒，測出初始位置到光電門的距離l，擋光片寬度d，擋光時間分別為t，鉤碼和滑塊的質量分別為m和M，通過驗證

在誤差允許的范圍內是否成立，即可驗證機械能守恒定律，類似的實驗方案還有將圖8的實驗裝置傾斜(在鉤碼帶動滑塊上滑的情況下)驗證機械能守恒定律．

圖7　利用氣墊導軌、滑塊和光電門驗證機械能守恒

教師引導學生對實驗方案進行評價，共同分析實驗的合理與不合理之處．學生經小組討論后認為：方案一和方案二都排除了紙帶和打點計時器之間的摩擦力影響，具有可操作性，且兩種實驗方案根據釋放位置的不同，可以進行多次實驗加以驗證．但兩種實驗方案中將物體通過光電門的平均速度等同于通過光電門的瞬時速度給實驗結果帶來一定的誤差，同時圖4，圖6，圖7可以再加一個光電門進行實驗改進．在實驗探究過程中，及時反饋學生學習情況，引導學習者自主評估實驗方案，培養建立和應用物理模型的意識．