深度學(xué)習(xí)視角的物理習(xí)題教學(xué)策略研究

唐忠敏 王太軍

摘? ?要：深度學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者高專注力投入、高階思維介入、高認(rèn)知體驗的學(xué)習(xí)活動，具有深度理解知識、主動建構(gòu)反思、發(fā)展高階思維等關(guān)鍵性特征。在梳理物理習(xí)題教學(xué)中開展深度學(xué)習(xí)的可能性與可行性基礎(chǔ)上，以變力做功的習(xí)題教學(xué)案例，探討基于深度學(xué)習(xí)的物理習(xí)題教學(xué)策略與途徑，以期為一線物理教師教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí);物理習(xí)題教學(xué);變力做功;教學(xué)策略

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）12-0052-4

習(xí)題教學(xué)是物理教學(xué)中重要的組成部分，而物理習(xí)題課中存在“刷題”“題海戰(zhàn)術(shù)”等現(xiàn)象常使學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)較重且效率較低。深度學(xué)習(xí)（Deep Learning）是學(xué)習(xí)者高專注力投入、高階思維介入、高認(rèn)知體驗的學(xué)習(xí)活動，基于深度學(xué)習(xí)特征優(yōu)化的物理習(xí)題教學(xué)能在一定程度上減輕學(xué)生的學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)，提升知識遷移應(yīng)用水平。本文就深度學(xué)習(xí)的特征以及物理習(xí)題教學(xué)中開展深度學(xué)習(xí)的可行性進(jìn)行分析，并結(jié)合案例分析基于深度學(xué)習(xí)的物理習(xí)題教學(xué)的策略與途徑。

1? ? 深度學(xué)習(xí)及其關(guān)鍵特征

深度學(xué)習(xí)是對學(xué)習(xí)狀態(tài)的質(zhì)性描述，涉及學(xué)習(xí)的投入程度、思維層次和認(rèn)知體驗等諸多層面，強(qiáng)調(diào)對知識本質(zhì)的理解和對學(xué)習(xí)內(nèi)容的批判性利用，追求有效的學(xué)習(xí)遷移和真實問題的解決，屬于以高階思維為主要認(rèn)知活動的高投入性學(xué)習(xí)[1]。美國學(xué)者Ference Marton和Roger Saljo開展了一系列關(guān)系學(xué)習(xí)過程研究之后，于1976年在《學(xué)習(xí)的本質(zhì)區(qū)別：結(jié)果和過程》中首次提出相對于淺層次學(xué)習(xí)而言的深層次學(xué)習(xí)。根據(jù)布魯姆（Benjamin Bloom）的教育目標(biāo)分類系統(tǒng)，學(xué)生在認(rèn)知學(xué)習(xí)中可以分為由低到高六個水平層次，即識記、理解、應(yīng)用、分析、綜合、評價。淺層學(xué)習(xí)僅停留在識記和理解的目標(biāo)水平，而深度學(xué)習(xí)則對應(yīng)著應(yīng)用、分析、綜合、評價的目標(biāo)水平[2]，見表1。

基于以上分析，可以發(fā)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)具有至少三個方面的關(guān)鍵性特征：

（1）深度理解知識

淺層學(xué)習(xí)表現(xiàn)為策略復(fù)述和機(jī)械套用，適用于符號表征和事實學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)往往流于表面的機(jī)械識記，學(xué)習(xí)者無法了解學(xué)習(xí)內(nèi)容的意義。深度教學(xué)在于喚醒、重組、運用和反思學(xué)生已有經(jīng)驗的動態(tài)生成過程，促進(jìn)教學(xué)與學(xué)生生活經(jīng)驗的融合，以利于迅速建立新舊知識的聯(lián)系，實現(xiàn)具身體驗基礎(chǔ)上的深度理解。

（2）主動建構(gòu)反思

深度學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者積極主動的自覺行為，學(xué)習(xí)者傾向于主動建構(gòu)反思所學(xué)知識信息。主動建構(gòu)反思是指學(xué)習(xí)者在舊經(jīng)驗的基礎(chǔ)之上主動地進(jìn)行分析、調(diào)整、評價，通過課堂內(nèi)主動參與、建構(gòu)反思方式將新知識與舊知識連接起來，以達(dá)到建構(gòu)新的經(jīng)驗體系，在不斷的反思中溫故知新[3]。從這個意義上說，深度學(xué)習(xí)和淺層學(xué)習(xí)的本質(zhì)區(qū)別就在于是否主動建構(gòu)反思。

（3）發(fā)展高階思維

高階思維能力是一種高層次認(rèn)知水平為主的綜合性能力，主要表現(xiàn)為批判和超越已有經(jīng)驗，提出問題并運用策略解決問題的能力。知識的遷移和應(yīng)用需要通過高階思維活動完成，使學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中基于相似情境能舉一反三，在新情境中能迅速遷移知識并加以應(yīng)用。如果學(xué)習(xí)者只是簡單的記憶和機(jī)械理解，遷移和應(yīng)用將很難發(fā)生，這樣的學(xué)習(xí)仍就停留在淺層水平上。因此，為實現(xiàn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，教師需要準(zhǔn)確把握問題和深度探究的契機(jī)，盡可能激發(fā)學(xué)生高階思維進(jìn)行深度思考。

2? ? 物理習(xí)題教學(xué)中開展深度學(xué)習(xí)的可能性與可行性

根據(jù)物理習(xí)題教學(xué)的內(nèi)容和特點，在物理習(xí)題教學(xué)中開展深度學(xué)習(xí)，不但具有可能性，而且具有可行性。

第一，物理習(xí)題教學(xué)具備學(xué)生開展深度學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)條件。物理習(xí)題教學(xué)主要是對學(xué)生已學(xué)知識進(jìn)行鞏固練習(xí)和遷移應(yīng)用，而物理習(xí)題教學(xué)中涉及的物理知識往往是學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過的內(nèi)容。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)者不是空著頭腦進(jìn)入課堂的，教師需要將學(xué)生原有經(jīng)驗視作課堂教學(xué)設(shè)計的生發(fā)點和課程內(nèi)容的來源，課堂教學(xué)可以將“運用你的經(jīng)驗”作為“先行組織者”，在“最近發(fā)展區(qū)”內(nèi)提升學(xué)生認(rèn)知水平和問題解決能力。因此，物理習(xí)題教學(xué)具備開展深度學(xué)習(xí)的前提條件。

第二，物理習(xí)題教學(xué)可以促進(jìn)學(xué)生深度參與和主動建構(gòu)。物理習(xí)題教學(xué)中所涉及的問題，可以源于生活中的一系列實例，教師可以從原始物理問題情境切入，有意識地引導(dǎo)學(xué)生向深層次的問題邏輯和意義層面思考，讓學(xué)生在疑難處思疑、解疑，改組改造原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)、采用同化或順應(yīng)策略以主動建構(gòu)新知識，可使學(xué)生對所問、所學(xué)內(nèi)容深刻理解，掌握知識本質(zhì)、發(fā)展高階思維，達(dá)成深度學(xué)習(xí)。

第三，深度學(xué)習(xí)是物理習(xí)題教學(xué)實現(xiàn)遷移應(yīng)用和觸類旁通的有效途徑。學(xué)以致用是物理習(xí)題教學(xué)的重要目標(biāo)，而作為學(xué)以致用較高水平的遷移應(yīng)用往往以學(xué)生的高階思維活動為載體。由于深度學(xué)習(xí)中學(xué)生的高階思維介入，促進(jìn)學(xué)生在模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新方面提升科學(xué)思維能力素養(yǎng)[4]，使學(xué)生在相同或相似的情境中能迅速、準(zhǔn)確地遷移應(yīng)用。

3? ? 深度學(xué)習(xí)視角的物理習(xí)題教學(xué)策略

【問題情境】 一質(zhì)量為m、長為L的勻質(zhì)鏈條，放在摩擦系數(shù)為μ的桌面上，其長為a的一端下垂，如圖1所示。鏈條與桌邊緣的相互作用忽略不計，當(dāng)鏈條由靜止開始沿桌邊向下滑動至剛剛?cè)侩x開桌邊的過程中，重力與摩擦力各做多少功？

（1）深度理解，建立方程

以鏈條為研究對象，選桌邊為坐標(biāo)原點O，鏈條運動徑跡豎直向下為坐標(biāo)軸正方向，某時刻坐標(biāo)為s，鏈條受力如圖1所示。

在鏈條下滑過程中，兩個變力可分別表示為：

下垂部分鏈條的重力：

G1=■s（1）

桌面上的鏈條所受的摩擦力：

f=μN(yùn)'（2）

桌面對鏈條的支持力： N=G2=■mg（3）

由牛頓第三定律知：N=N'（4）

由（2）（3）（4）式得鏈條所受摩擦力大?。?/p>

f=μ■mg=μmg（1-■s）（5）

（2）主動建構(gòu)，匹配方法

引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)并分析，由于桌面上的鏈條質(zhì)量時刻在變化，受到的摩擦力也時刻在變化，變質(zhì)量物體運動問題較適合用積分方法來分析：

下垂部分鏈條重力做功滿足：

WG=■Gds（6）

將（1）式帶入（6）式得：

WG=■■sds=■? ? ? （7）

桌面上鏈條所受摩擦力做功滿足：

Wf=■-fds（8）

將（5）式帶入（7）式得：

Wf=-■■（L-s）ds=-μ■（L-a）2（9）

（3）轉(zhuǎn)換思維，靈活應(yīng)用

以上涉及到變質(zhì)量物體的受力與做功的計算，雖然積分方法是較為常見的方法，但在高中物理和大學(xué)基礎(chǔ)物理中經(jīng)常會遇到類似變力做功問題，由于學(xué)生不具備或不熟悉微積分計算知識，這種方法無疑給學(xué)生帶來了較大的挑戰(zhàn)。

此時，教師可以提出問題讓學(xué)生思考：有沒有不用微積分的方法來解決？教師通過類比速度-時間圖像求解位移問題來引導(dǎo)學(xué)生思考本題中的鏈條重力做功問題。

根據(jù)題意，建立下落鏈條的重力隨s變化圖像，如圖2（a）所示，陰影部分梯形面積數(shù)值上等于重力做功大小，則有：

WG=■（■a+mg）（L-a）=■（L2-a2）（10）

建立桌面剩余鏈條所受摩擦力隨s變化圖像，如圖2（b）所示，陰影部分三角形面積數(shù)值上等于摩擦力做功大小，則有：

Wf =■（L-a）（-μ■mg）=-■（L-a）2

（11）

（a）

（b）

由（7）（9）（10）（11）式的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，運用轉(zhuǎn)化思維建立的圖像的計算結(jié)果與積分運算結(jié)果完全一致[5]，且圖像方法更為巧妙和簡約，方便學(xué)生理解和計算。

（4）總結(jié)反思，觸類旁通

引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)反思，對此類問題哪些情況下適合用圖像法來分析，哪些情況下又不適合用圖像法呢？第一，對于變力做功的問題，需選擇適當(dāng)坐標(biāo)，找出該力隨坐標(biāo)而變化的函數(shù)關(guān)系，然后采用積分法和圖示法即可求得此變力對物體做的功。第二，使用圖示法分析需要具備一定的適用條件，即可通過圖像與坐標(biāo)軸圍成的面積來反映某一物理量時，可用圖示法直觀地進(jìn)行分析，例如速度-時間圖像求解勻變速直線運動的位移、加速度-時間圖像求解某一過程的速度等，以及在變力做功問題中尤其是變力是坐標(biāo)的線性函數(shù)時，則運用圖示法分析就顯得更為簡便。第三，變質(zhì)量鏈條運動類問題的求解方法并不限于此，如利用能量守恒、功能原理等也可求解速度、重力和摩擦力做功問題，但過程有些復(fù)雜，此處不再贅述。

總之，基于深度學(xué)習(xí)特征要素優(yōu)化的物理習(xí)題教學(xué)，以引導(dǎo)學(xué)生深度理解知識、主動建構(gòu)反思、發(fā)展高階思維等為主要切入點，在策略和方法的選取上因習(xí)題教學(xué)的具體內(nèi)容而異，通過合理設(shè)計與規(guī)劃教學(xué)環(huán)節(jié)，以提升物理習(xí)題教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

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[3]安富海.促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的課堂教學(xué)策略研究[J].課程·教材·教法，2014，34（11）：57-62.

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[5]唐忠敏.圖示法巧解變質(zhì)量鏈條運動做功問題[J].物理教師，2020，41（01）：65-66.

（欄目編輯? ? 羅琬華）