基于深度學習理念的中學物理“一核三層四翼”教學實踐模型

琚鑫　崔琰　馬朝華　蘇明義　李俊鵬

摘 要：深度學習是在教師引領下，學生圍繞具有挑戰性的學習主題，全身心參與、體驗成功、獲得發展的有意義的學習過程.物理學科深度學習“一核三層四翼”教學實踐模型，以深度學習為核心，按照“目標、主題、任務、評價”展開四翼，展開過程按照“模型、實踐和反饋”三層進行，實現從理念到理論、從理論到實踐、從實踐到修正的完整邏輯閉環.該模型能夠有效地將深度學習理念與物理教師的日常工作相結合，更具有操作性和指導性，能夠促進教師教學方式、學生學習方式的轉變，對于課程改革的推進、學科核心素養的發展有著重要的意義.

關鍵詞：深度學習;物理學科教學;模型;實踐;反饋

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）23-0002-05

2014年，教育部提出了“深度學習”教學改進項目，通過項目實施，推動課堂教學系統變革，為教師提供思考教學的基本思想方法和路徑.但理想的教學或期待的教學是什么？具有怎樣的特征？如何在具體學科教學中實現？實施的路徑是什么？如何建立相應的、具體學科的教學實踐模型？則是需要解決的問題.

因此，在實施和推進過程中，要通過提供教學改進的“腳手架”，引導教師思考如何把課程標準的要求轉化為契合先進教育理念、符合教學規律的教學設計.引導教師實施基于課標的評價的實踐探索.引導教師基于問題導向，立足于解決教學改革中面臨的現實問題，引導教師堅持行動研究[1].

1 “深度學習”的內涵

1.1 深度學習的定義與特征

深度學習（deep learning），最早是由美國學者Ference Marton和Roger Saljo于1976年針對孤立記憶和非批判性地接受知識的淺層學習而提出的一個概念.Ramsden、Entwistle等人發展了淺層學習和深度學習的相關理論.之后，關于深度學習的多方面研究成果不斷涌現，特別是在信息技術、人工智能領域的研究較多.

我國對深度學習的研究起步較晚，2005年，黎加厚教授對深度學習進行了最初的界定：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，做出決策和解決問題的學習[2].也有學者提出深度學習具有注重批判理解、強調信息整合、促進知識建構、著意遷移運用、面向問題解決等五個基本特征[3].這些認知活動的水平都屬于高階思維，屬于布盧姆教育目標分類學（2001年修訂版）認知過程中的分析、評價和創造水平.

因此，郭華將深度學習定義為：

“在教學中，學生積極參與、全身心投入、獲得健康發展的、有意義的學習過程.在這個過程中，學生在素養導向學習目標的引領下，聚焦引領性學習主題，展開有挑戰性的學習任務與活動，掌握學科基礎知識與基本方法，體會學科基本思想，建構知識結構，理解并評判學習內容與過程;能夠綜合運用知識和方法創造性地解決問題，形成積極的內在學習動機、高級的社會性情感和正確的價值觀;成為既有扎實學識基礎，又有獨立思考能力，善于合作、有社會責任感、具備創新精神和實踐能力、能夠創造美好未來的社會實踐的主人[4].”

由上述定義，深度學習強調學生立場，關注學習的真正發生，關注學生在教學中的主體地位，要與學習者的自學區分開來，要重視教師主導作用的發揮，因此深度學習是教師的“教”與學生的“學”的有機統一.原則上講，教學設計要體現教師個人對教學的理解，提出有個性的教學活動方案，避免使用統一的教學設計方案.

指向學生深度學習的教學，更要求教師自覺地思考和研究，一方面，教師應當如何做，才能引發和促進學生的深度學習;另一方面，學生的深度學習集中表現為主動參與、積極體驗、深入思考.具體表現為學生能夠在新舊知識間建立聯系、形成結構，理解知識所蘊含的基本思想方法，能夠運用知識和思想方法靈活且有條理地解決真實情境中的問題，完成有挑戰的任務，能夠對知識的意義與價值有正確的判斷.

教師促進學生深度學習的努力，集中表現為學生立場下的結構化內容組織、情境化內容呈現、活動化過程實施和有針對的學習指導.具體表現為基于對課程和學生的理解與把握，提供有助于學生建立新舊知識之間、知識與方法之間、知識與生活之間聯系的結構化的學習內容，創設有助于激發學生的興趣和動機、兼顧知識生成和應用的現實情境或者問題和任務情境，呈現有助于學生主動參與、積極體驗、深入思考的系列化、進階性、自主性的學習活動，并能夠通過評價及時有效地指導學生學習和促進學生認識知識的意義與價值.

1.2 普適的深度學習實踐模型

北京市海淀區教師進修學校羅濱老師在上述定義的基礎上，進一步提出了深度學習的實踐模型（以下簡稱“普適模型”），如圖1所示，該普適模型包含六個要素：素養導向的學習目標、引領性學習主題、挑戰性學習任務、持續性學習評價、開放性學習環境、反思性教學改進.

該普適模型準確地表達了深度學習定義中所包含的各個要素，高度體現了深度學習的特征（如活動與體驗、聯想與結構、本質與變式、遷移與創造、價值與評判等）[4].從普適模型可以看出，素養導向的學習目標、引領性學習主題、挑戰性學習任務、持續性學習評價等四個要素是“等距的”，分布在深度學習周圍的，這是該模型的核心，也意味著這四個要素是“等位的”，即并不存在著一定要從哪一個要素出發來構建課程，既可以評價先行，也可以目標先行，這就為教師的教學實踐提供了靈活和便利;另一方面，開放性學習環境和反思性教學評價作為上述核心內容的保障，并提供了進一步發展、改進的空間.

2 中學物理“一核三層四翼”教學實踐模型

2.1 “一核三層四翼”模型的提出

從理論層面來看，普適模型實際上是一個“泛學科”的實踐模型.相較于深度學習的定義，它已經從哲學層面過渡到方法論層面，但也正是由于這種“泛學科”的特點，導致它的方法論的指導意義仍顯抽象，因此需要對上述模型進行兩個方面的完善，來適應中學物理深度學習的開展：一個方面，要將各個要素從“泛學科”的高度具體化到“物理學科”，這需要結合物理學科自身的特點、物理教學的規律、物理學習的規律進行;另一方面，要將各個要素從核心素養的層面具體化到發展物理學科核心素養的具體策略與路徑上.

從實踐層面來看，一方面，廣大一線物理教師在面對深度學習理論的時候，往往會有一些困惑，比如往往認為，教育專家說得都對，但是具體在物理學科中怎么做？深度學習需要的課時那么多，而矛盾是沒有那么多課時;另一方面，廣大一線教師在具體實踐深度學習理念的時候，也會有一些困惑，比如深度學習倡導單元教學設計，那么怎樣進行單元教學設計？單元目標怎么寫？與課時的關系是什么？此外，物理教師的手中往往有著非常豐富的教學資源，無論是圖片、視頻，還是各種小實驗，怎樣選擇？選擇的依據和標準是什么？再比如，學習主題是指向大概念的，那么物理學科的大概念與學生的知識結構，或者與結構化的知識之間有什么關系？又比如，任務就是活動嗎？活動就必須是動手嗎？等等.

因此，為了將深度學習的理念和理論，同一線教師的具體教學實踐建立起強關聯，讓老師們能夠有一個物理學科的、具體的、可操作的、可重復的教學實踐模型，這個教學實踐模型一定是對普適模型的物理學科化，使得更具有物理學科的特點，并且還要遵循物理學科教學的規律以及學生學習物理的認知規律，此外也能夠與物理教師的日常教學行為建立聯系，整合這些具體的教學行為，從而提出了“一核三層四翼”的物理學科深度學習教學實踐模型.

2.2 “一核三層四翼”模型的內涵

“一核三層四翼”模型結構如圖2所示.

2.2.1 一核

“深度學習”是整個模型的核心，即為“一核”，其內涵包括深度學習的定義與基本理論框架，是整個實踐模型的核心.在此基礎上，建構第一層——深度學習的模型層.

2.2.2 三層之模型層

模型層是給出深度學習的教學實踐模型（即普適模型），其內涵包括：

（1）凝練引領性的學習主題.

這是基于對物理學科、物理課標、物理教材、物理學科核心素養的分析，用物理學科的大概念、核心概念進行表達.

（2）確定素養導向的學習目標.

這是基于對學生的認知情況進行分析，在內容上包括智力因素與非智力因素.對于“智力因素”，一方面要結合物理學科，確定相應內容是屬于陳述性知識還是程序性知識，進而確定相應的學習目標;另一方面，也要結合具體知識來判斷學生在學習過程中是通過“同化”完成還是通過“順應”完成，進而確定相應的學習目標.學習目標在表述時，要以學生為主體，包含學習內容、學習途徑、學習行為及相應的行為水平，大致句式可以表達為“通過XXX學習活動（策略與路徑），學習XXX知識或技能（內容與載體），發展XXX物理學科核心素養（目標與評價對象）”，可以分別從物理學科的物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任等四個維度進行表達.

（3）設計挑戰性的學習任務.

旨在強調學生要能夠完整地做一件事（一件事可以由若干個要素組成），如制訂方案、生成作品等，再比如解決問題、形成概念、理解內容，發展物理學科核心素養等.

（4）設計持續性的學習評價.

評價要貫穿于學習的始終，評價目標與學習目標應當一致，評價任務與學習任務應當整合，過程評價和結果評價應當并重.上述4個內涵要素所構建的“模型層”，實際上是對羅濱老師的實踐模型的“物理學科化”，在上述4個要素的基礎上，進一步建構四翼，在此基礎上建構“物理學科化”的教學實踐層.

2.2.3 三層之實踐層

實踐層旨在給出教師在實施深度學習過程中，針對模型層中的4個要素的具體教學行為.

（1）根據所選定的學習主題，確定本單元教學中所要涉及的具體知識（以及知識間的關系，即結構化的知識）、技能以及方法（有學科類的思想方法，也可以有階段性、技巧性的方法）.

比如中國人民大學附屬中學的劉娜老師，在“萬有引力與航天”單元的教學中，將學習主題設置為“從萬有引力和行星運動的視角來理解運動與相互作用”.在這個設置中，體現了學科概念的層次性：萬有引力定律顯然是本單元的核心概念，將萬有引力定律與上一章學習的圓周運動的知識相結合，是本單元的教學核心.“運動與相互作用”則是萬有引力定律和圓周運動的更加上位的概念，因此該主題突出了本單元的核心知識，也確立了該知識在整個物理學科體系的位置.

（2）由“學習目標”確定上述“學習主題”可以選取的素材（實驗、圖片、視頻等），以及在具體概念建構過程中對于素材使用以及課堂管理時所需用到的教學策略（講授、討論、問答、動手實驗、實踐活動等）.

比如，北京市第二十中學的王玉春老師，在“動量守恒定律”單元中，其中一個學習目標設置如下：能從理論推導和實驗驗證的實踐過程，經歷推理、論證、質疑的思維過程，建立動量定理和動量守恒定律，能用動量和能量的知識綜合分析和解釋機械運動現象，解決碰撞、反沖等實際問題，形成解決問題的一般化思路，進一步提升學生模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新的科學思維能力.根據上述目標，該教師確定了具體的教學資源與策略.猜想與驗證：觀看視頻，輪船靠岸時碼頭邊裝有很多舊輪胎，跳高運動員落到厚厚的墊子上，無降落傘高空跳到大網里，室內百米賽跑跑道終點處墻上有厚厚的軟墊.思考：這些輪胎、墊子、網等各有什么作用？物體運動狀態改變時所受的力與其所用的時間是否存在一定關系？讓學生對緩沖現象中物體的受力和作用時間的關系有定性的認識.進一步引導學生設計實驗進行檢驗，通過觀察實驗歸納受到的作用力和緩沖時間的定性關系.建模與推理：在實驗的基礎上，提出問題：力F與時間t存在怎樣的定量關系呢？將實際問題簡化，引導學生建立模型：光滑水平面上的一個物體，受到一個水平向右的恒力，在恒力F的作用下運動一段時間t，速度由v1變到v2，利用牛頓第二定律推導動量定理，通過動量定理的得出過程，培養學生的演繹推理能力.質疑與論證：我們在恒力作用下通過理論推導得到了動量定理，那么在變力作用下，如碰撞的情況下動量定理是否也成立？提供的實驗器材：平滑導軌、小車、力傳感器、位置傳感器、細線、鉤碼、數據處理軟件等，引導學生設計實驗，驗證動量定理的普適性，并分析動量定理和牛頓運動定律的區別與聯系.在學生進行小組討論的基礎上，運用之前學過的解決變量問題的一般性思路，進行理論探究，引發學生深度思考，培養學生的推理論證及質疑創新能力，這也是物理觀念的豐富和發展過程.

（3）將“學習任務”具體化為課堂上根據所要解決的問題而進行的學習活動，以及師生之間對話的“問題鏈”.

以北京師范大學附屬中學岳凌月老師在“動量守恒定律”中“反沖運動”這一任務下的問題鏈設計為例：在學習“反沖運動 火箭”一節，在處理火箭發射的問題時，可以通過設置以下問題來進行師生對話，并且對學生的回答進行分層評價：本節課所研究的火箭發射模型是指火箭在無重力、無阻力環境下的火箭發射.問題1：請選擇噴氣前的火箭為參考系，確定火箭一次噴氣后增加的速度.問題2：對于結論Δv=-（Δm/m）u，是選噴氣前的火箭為參考系得到的，如果選擇地面為參考系，其他條件不變，結果還會是這樣嗎？為什么？問題3：如果u是相對地面的噴氣速度，上述結果還會是這樣嗎？為什么？問題4：如果u是相對地面的噴氣速度，那么分n次噴出Δm和一次性噴出nΔm，結果一樣嗎？請證明.問題5：如果火箭是個二級火箭（設兩級火箭的質量相等），第1次噴出一半燃料后，拋棄第一級火箭，再噴射剩余的一半燃料后，火箭的速度是多少？問題6：分別以地面、噴氣前的火箭為參考系，計算一次噴氣后的Δv，與-（Δm/m）u相比較，怎樣理解？問題7：若將u改為“噴出的氣體相對噴氣后火箭的速度”，再分別以地面、噴氣前的火箭為參考系，計算一次噴氣后的Δv.問題8：對比問題6和問題7兩種條件下得到的4個結果，談談應當怎樣選擇參考系、怎樣理解u，可以使問題更簡單？

（4）明確持續性評價方案，如紙筆測試、課堂問題、調查反饋等，同時還要設計出相應的等級，不提倡簡單的二元論，仍以北京師范大學附屬中學岳凌月老師的“反沖”教學為例，岳老師對“問題3”的答案為：取地面為參考系，設噴出質量為Δm的氣體后，火箭的質量為m、火箭相對地面的飛行速度的大小為v，則噴出燃氣相對地面的速度的大小為（u-v），火箭噴出燃氣后的速度的大小為（v+Δv）;以火箭運動的方向為正方向，根據動量守恒定律有：（m+Δm）v=m（v+Δv）+Δm·（v-u）.如果學生能夠正確列出以地面為參考系的動量守恒定律方程，那么這與教師預設的標準答案一致，是最高的水平，記為水平5;如果學生不能正確寫出噴出燃氣相對地面的速度的大小為|（v-u）|，火箭噴出燃氣后的速度的大小為（v+Δv），但是有變換參考系的意識，并且對于速度方向的把握是正確的，是次一級的水平，記作水平4;如果學生不能正確寫出噴出燃氣相對地面的速度的大小為（u-v），以及火箭噴出燃氣后的速度的大小為（v+Δv），但是有變換參考系的意識，是再次一級的水平，記作水平3;如果學生沒有變換參考系的意識，但是知道動量依舊守恒，則是再次一級的水平，記作水平2;如果學生完全不知所措，則是最差的水平，記作水平1.

上述案例是針對某一個課時的，如果放眼整個單元，以北京市第二十中學朱寧寧老師在“機械能守恒定律”單元中設計的評價任務為例（見表1）.

2.2.4 三層之反饋層

上述第一層模型層實際上是帶有形式上色彩的哲學層，第二層實踐層是教師基于對課標、教材、學生的分析之后確定的實踐層面，實踐過程中會不可避免地帶有一定的主觀性.并且從理論上看，教學本質是通過學生的輸出來反饋教師輸入的過程.所以，在第二層外再設置一個反饋層，用以修正第二層對第一層實踐過程中系統性或偶然性的偏離.

（1）對“引領性學習主題” 的反饋

邏輯性是指構建的知識結構的邏輯自洽與完備，協同性指知識與思維的認識結構的拓撲性，即無論從哪一點切入均可構建完整的結構圖，突出主題的引領性，以及不同“模塊”的結構化知識對認識問題、解決問題的協同作用.

（2）對“素養導向的學習目標”的反饋

綜合考量課標、教材（以中學教材為主，同時參考小學與大學的教材），確認重點、難點的設置是否準確，方案是否可行（有時也可以通過試講來進行），所涉及內容對核心素養的覆蓋是否完備.

（3）對“挑戰性學習任務”的反饋

活動與問題（鏈）要有設計性，是有目的、有針對性設置，設計過程中要考慮深度與梯度分布，突出任務的挑戰性.

（4）對“持續性評價”的反饋

收集課堂提問、習題與變式、長作業等會影響學生作答的“大數據”，通過分析上述大數據，反饋任務群的科學性、診斷的有效性，不斷反饋、修正、再測，突出評價的持續性.

（5）對“反思性教學改進”和“開放性學習環境”的認識

在構建四翼的時候，與普適模型相比，少了反思性教學改進和開放性學習環境，考慮如下：第三層反饋層，實際上就是反思性教學改進的具體化，實際上相當于把一個要素擴展成一個層，并且與其它四翼相結合;開放性學習環境其實包括兩方面：真實的物理環境，這個是可以通過學校的硬件條件升級改造來實現的，另一方面，還包括人的心理環境，即學生是否愿意在這樣的環境中進行學習，是否敢于發表自己的意見和觀點，即這個環境是否是“安全的”，而這并非是錢能解決的問題，而是需要依靠班主任的德育工作及班級氛圍的建構與引領才能實現的，因此該要素實際上是“一核三層四翼”模型的一個基本假設——假定學生愿意與其他同學協作完成學習，并敢于發表自己的觀點.

3 結束語

從1950年提出“雙基”，到2003年提出“三維目標”，再到2017年提出“核心素養”，一步步地迭代升級.“深度學習”作為發展學生核心素養的一種有效方式，如何落地，就是解決問題的關鍵.中學物理“一核三層四翼”教學實踐模型的提出，希望能對教師在實際教學中實施深度學習提供操作性理論指導.對于深度學習，教師應當以平常心看待，整合自己已有的資源，進一步鉆研自己的教學，在已有基礎上，調整教學方式，改變學生的學習方式.正如北京師范大學郭華老師所說：“深度學習不是一種全新的模式，而是一切優秀思想與實踐的提煉、總結與普及，它就存在于我們現在的教學實踐與教學思想中，只是要自覺地提升并張揚出來，成為日常自覺的教學實踐！”

參考文獻：

[1]何成剛.教育部基礎教育課程教材發展中心、課程教材研究所“普通高中指向核心素養的深度學習教學改進項目第一期研修班”的講話[Z].2021-3-30.

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[3]張浩，吳秀娟.深度學習的內涵及認知理論基礎探析[J].中國電化教育，2012（10）： 7-11.

[4]郭華.深度學習及其意義[J].課程·教材·教法，2016（11）： 25-32.

（收稿日期：2021-08-17）

基金項目：中國教育學會教育科研課題“核心素養導向的中學物理深度學習教學改進實踐研究”（項目編號：201900480606B）.

作者簡介：琚鑫（1986-），男，北京人，碩士，中學一級教師，研究方向：中學物理課程與教學論;

崔琰（1982-），男，天津人，博士，中學高級教師，研究方向：物理課程與教學論;

馬朝華（1969-），女，北京人，本科，中學高級教師，研究方向：物理課程與教學論.