基于深度學(xué)習(xí)的高中物理習(xí)題教學(xué)研究

李青 徐平川 李勇強(qiáng) 趙麗雪

摘? ?要：文章以學(xué)生出錯(cuò)率較高的一道滑塊-木板模型的習(xí)題為例，提出了基于深度學(xué)習(xí)的課堂習(xí)題教學(xué)策略，以促進(jìn)學(xué)生高階思維發(fā)展的理解性學(xué)習(xí)，發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：滑塊-木板模型;習(xí)題教學(xué);深度學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2021）6-0007-5

1? ? 引? 言

隨著《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的制定與實(shí)施，“促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成與發(fā)展”成為新一輪的課程目標(biāo)。深度學(xué)習(xí)作為一種高度沉浸、持續(xù)深化、不斷擴(kuò)展延伸的學(xué)習(xí)方式，一種在教師的引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，全身心參與、體驗(yàn)成功、獲得發(fā)展的學(xué)習(xí)過(guò)程[1]，以其注重批判理解、強(qiáng)調(diào)內(nèi)容整合、促進(jìn)知識(shí)建構(gòu)、著意遷移運(yùn)用等特征[2]，成為培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的有效教學(xué)手段。本文以滑塊-木板的習(xí)題教學(xué)為例，提供了讓深度學(xué)習(xí)在習(xí)題課教學(xué)中真實(shí)發(fā)生的教學(xué)案例。

2? ? 問(wèn)題的提出

在學(xué)習(xí)牛頓第二定律的應(yīng)用時(shí)，有一道關(guān)于滑塊-木板模型的選擇題，學(xué)生出錯(cuò)率高達(dá)83.7%[3]，習(xí)題內(nèi)容如下：

如圖1（甲）所示，質(zhì)量為M的足夠長(zhǎng)木板靜止在光滑水平面上，其上放一質(zhì)量為m的滑塊，t=0時(shí)刻起，給滑塊施加一水平恒力F，分別用aM、am和vM、vm表示木板、滑塊的加速度和速度大小，圖1（乙）中這兩個(gè)量分別可能符合運(yùn)動(dòng)情況的是（? ? ）

根據(jù)運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系，如果已知物體的受力情況，可以由牛頓第二定律求出物體的加速度，再通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)的規(guī)律確定物體的運(yùn)動(dòng)情況。其難點(diǎn)在于以下三個(gè)判斷：（1）判斷滑塊與木板之間的摩擦力為靜摩擦力還是滑動(dòng)摩擦力;（2）大小不同的力F作用時(shí)，判斷滑塊和木板的運(yùn)動(dòng)狀態(tài);（3）判斷滑塊和木板之間是否發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。

3? ? 基于深度學(xué)習(xí)的習(xí)題教學(xué)策略

3.1? ? 創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，形成初步感知

滑塊-木板模型是高中學(xué)生耳熟能詳?shù)奈锢砟Ｐ椭?，其具有涉及考點(diǎn)多、情境豐富、變化多端、設(shè)問(wèn)靈活、解法多樣、思維張力大、綜合程度高等特點(diǎn)[4]，因此，該模型所涉及的相關(guān)問(wèn)題對(duì)學(xué)生有很大的挑戰(zhàn)性。根據(jù)抽象思維的發(fā)展路徑，感覺(jué)和知覺(jué)是抽象思維形成的起點(diǎn)，也是深度學(xué)習(xí)的起點(diǎn)。教師通過(guò)創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，使學(xué)生形成初步感知，有利于他們進(jìn)一步解決相關(guān)物理問(wèn)題。

為了讓學(xué)生感知摩擦力作用下物體的運(yùn)動(dòng)狀況，針對(duì)這一具體模型的特點(diǎn)，可利用實(shí)驗(yàn)室相關(guān)器材，學(xué)生親自動(dòng)手操作體驗(yàn)。該習(xí)題的具體情境是：滑塊、木板、光滑水平面、大小未知的水平拉力F。由于現(xiàn)實(shí)生活中不存在光滑水平面，可用實(shí)驗(yàn)室的氣墊導(dǎo)軌來(lái)近似替代，相應(yīng)的滑塊和木板采用與氣墊導(dǎo)軌配套的滑塊經(jīng)改裝后來(lái)替代。學(xué)生觀察不同力F作用下滑塊、木板運(yùn)動(dòng)情況的不同，為深度學(xué)習(xí)做好鋪墊。

在知識(shí)與事物的分離中，學(xué)生直接與知識(shí)的外殼和形式發(fā)生關(guān)系，獲得了大量缺乏實(shí)際內(nèi)容的空洞知識(shí)和惰性觀念[5]。通過(guò)體驗(yàn)真實(shí)的情境，降低了學(xué)生的思維障礙，增加了學(xué)生對(duì)運(yùn)動(dòng)全過(guò)程的整體感知，同時(shí)也避免了教師一味“先整體后隔離”的機(jī)械灌輸式教學(xué)。學(xué)生能直觀地觀察到，當(dāng)滑塊和木板疊放在光滑水平面上，對(duì)滑塊依次施加大小不同的力F時(shí)，滑塊和木板對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如下：（1）當(dāng)恒力F小于某一值時(shí)，滑塊和木板一起向右做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，無(wú)相對(duì)滑動(dòng);（2）當(dāng)恒力F大于某一值時(shí)，滑塊和木板發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，且滑塊運(yùn)動(dòng)得比木板快。

3.2? ? 立足基礎(chǔ)知識(shí)，深化思維加工

結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生便可從選項(xiàng)中選出正確的答案，但實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象只回答了 “是什么”的問(wèn)題，至于現(xiàn)象背后的本質(zhì)原因，即“為什么”的問(wèn)題，卻需要結(jié)合已有知識(shí)進(jìn)行思維加工。為什么不同恒力F作用時(shí)，滑塊和木板的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同？水平恒力F取何值時(shí)，滑塊和木板會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)？鑒于學(xué)生已經(jīng)具備牛頓運(yùn)動(dòng)定律和勻變速直線運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)知識(shí)，教師可以留給學(xué)生充足的時(shí)間進(jìn)行自主思考、合作交流，通過(guò)集思廣益，促進(jìn)其有意義的知識(shí)建構(gòu)和批判性邏輯思維能力的提高。

在與學(xué)生交流時(shí)，有學(xué)生提出了這樣的困惑：假設(shè)滑塊和木板之間的最大靜摩擦力fmax=5 N，那么只要作用在滑塊上的水平恒力F>5 N，就可以使滑塊和木板發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。比如當(dāng)F=6 N時(shí)，滑塊所受合外力為1 N，方向水平向右，木板所受合外力為5 N，方向水平向右。假設(shè)此時(shí)滑塊和木板的質(zhì)量相等，滑塊的加速度就小于木板的加速度，那不是說(shuō)木板比滑塊運(yùn)動(dòng)得更快嗎？

學(xué)生此類困惑的提出，是通過(guò)結(jié)合頭腦中已有的知識(shí)基礎(chǔ)自主建構(gòu)認(rèn)知框架，是積極主動(dòng)、批判性地思考問(wèn)題。此時(shí)，教師應(yīng)充分發(fā)揮主導(dǎo)作用，對(duì)學(xué)生的困惑指點(diǎn)一二，便可產(chǎn)生醍醐灌頂之效，以實(shí)現(xiàn)學(xué)生高度沉浸的課堂氛圍，促進(jìn)學(xué)習(xí)的持續(xù)深化。比如，提問(wèn)學(xué)生：當(dāng)木板比滑塊運(yùn)動(dòng)得更快時(shí)，此時(shí)木板所受摩擦力指向什么方向？學(xué)生根據(jù)滑塊與木板之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，容易判斷出此時(shí)滑塊所受摩擦力方向向右，顯然與假設(shè)不符。這是利用了反證法來(lái)證明以上分析的錯(cuò)誤，為什么會(huì)有這樣的錯(cuò)誤認(rèn)知呢？根據(jù)元認(rèn)知理論，教學(xué)中強(qiáng)調(diào)使學(xué)生對(duì)自己的知識(shí)和思維多一些意識(shí)與責(zé)任，以促進(jìn)學(xué)習(xí)的持續(xù)深化。探尋錯(cuò)誤的原因并形成正確的認(rèn)知，學(xué)生才能體驗(yàn)成功的喜悅。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生通過(guò)交流反思，意識(shí)到錯(cuò)誤的原因：當(dāng)尚未判定滑塊和木板之間是否發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，就默認(rèn)了兩者間的摩擦力為滑動(dòng)摩擦力。這一認(rèn)識(shí)是后面進(jìn)一步推理得到錯(cuò)誤結(jié)論的根源，找到此錯(cuò)誤根源，有助于學(xué)生將錯(cuò)誤認(rèn)知連根拔起。

接下來(lái)，教師要引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷如下正確的認(rèn)識(shí)過(guò)程：當(dāng)滑塊和木板之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)還無(wú)法判定時(shí)，先假定滑塊和木板相對(duì)靜止，根據(jù)牛頓第二定律，可確定整體的加速度;再對(duì)滑塊進(jìn)行受力分析，求得木板對(duì)滑塊的摩擦力，并與最大靜摩擦力（一般近似等于滑動(dòng)摩擦力）進(jìn)行比較，以此確定滑塊與木板之間是否發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)總結(jié)歸納，最終可得出：當(dāng)滑塊與木板之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的條件是滑塊的加速度比木板的加速度大才成立[6]。

以上的思維加工過(guò)程，在幫助學(xué)生學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的同時(shí)，強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生分析和解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)，注重對(duì)學(xué)生錯(cuò)誤認(rèn)知的反思和正確認(rèn)知的合理建構(gòu)。2001年，安德森在率眾完成的布盧姆教育目標(biāo)分類體系修訂版中，將元認(rèn)知知識(shí)概括為策略性知識(shí)、關(guān)于認(rèn)知任務(wù)的知識(shí)以及關(guān)于自我的知識(shí)[7]。在教學(xué)中，教師要注重對(duì)學(xué)生元認(rèn)知能力的培養(yǎng)，以幫助學(xué)生積累元認(rèn)知知識(shí)，提高認(rèn)知能力。

3.3? ? 重視遷移運(yùn)用，做到舉一反三

對(duì)圖1習(xí)題的條件稍做變化，可延伸出更多相似或相關(guān)的新問(wèn)題，不僅能遷移、鞏固之前所學(xué)習(xí)的解題思路與方法，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力[8]。教師可以把改題的權(quán)利下放給學(xué)生，讓學(xué)生開(kāi)動(dòng)腦筋，自己成為命題者。

學(xué)生成為命題者，是建立在對(duì)現(xiàn)有題目的深入分析與挖掘基礎(chǔ)之上的。教師要引導(dǎo)學(xué)生理清題目已知條件，摸清出題者的意圖，為進(jìn)一步遷移運(yùn)用打好知識(shí)基礎(chǔ)。學(xué)生通過(guò)讀題，可知：已知條件為滑塊和木板的質(zhì)量、初始狀態(tài)以及它們之間的長(zhǎng)度關(guān)系;滑塊與木板之間有摩擦，木板與水平面間無(wú)摩擦;力F為作用在滑塊上的大小未知的恒力。求解的是滑塊和木板的加速度和速度隨時(shí)間變化的關(guān)系。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生能夠摸清出題者旨在考查學(xué)生由物體受力情況根據(jù)牛頓第二定律確定物體運(yùn)動(dòng)情況的命題意圖，認(rèn)識(shí)到對(duì)物體進(jìn)行正確的受力分析是解題的關(guān)鍵，物體受力情況的改變直接影響其運(yùn)動(dòng)情況。因此，對(duì)滑塊和木板的受力情況稍作改變，即可得到不同的結(jié)果。接下來(lái)，教師可進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考：什么條件可以改變滑塊和木板的受力情況？學(xué)生通過(guò)思考交流，很容易想到，力F大小的不同、力F作用對(duì)象的不同以及滑塊與木板之間、木板與水平面之間有無(wú)摩擦力等，均會(huì)改變滑塊和木板的受力情況，引導(dǎo)學(xué)生不斷進(jìn)行拓展延伸，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的發(fā)生。改編后的題目如下：

【變式舉例】 如圖2（甲）所示，質(zhì)量為M的足夠長(zhǎng)木板靜止在光滑水平面上，其上放一質(zhì)量為m的滑塊，t=0時(shí)刻起，給滑塊施加一隨時(shí)間t均勻增大的水平力F=kt（k是常數(shù)），分別用aM、am表示木板、滑塊的加速度大小，圖2（乙）中這兩個(gè)量分別可能符合運(yùn)動(dòng)情況的是（? ? ?）

3.4? ? 整合知識(shí)框架，促進(jìn)持續(xù)反思

整合是深度學(xué)習(xí)發(fā)生的重要機(jī)制，無(wú)論是教師引導(dǎo)學(xué)生更具整合性地建構(gòu)知識(shí)，還是引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)更有整合性的知識(shí)，都需要對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行整合性設(shè)計(jì)[5]?；瑝K-木板模型作為中學(xué)物理重要模型之一，其靈活多樣性決定了對(duì)其進(jìn)行歸類整合的必要性和重要性，所以在學(xué)習(xí)過(guò)程中必須要不斷地反思和總結(jié)，從而促進(jìn)思維發(fā)展?；谝陨嫌懻摚匣瑝K-木板模型的常見(jiàn)問(wèn)題，融文字、符號(hào)、公式、圖像于一體，有利于新舊知識(shí)之間聯(lián)系的梳理與對(duì)比。

依據(jù)水平面是否光滑以及受力物體的不同，將滑塊-木板模型分為四類物理模型，如表1、表2、表3中的圖（a）、圖（b）、圖（c）、圖（d）所示：（1）如圖（a），水平面光滑，力F作用在木板M上;（2）如圖（b），水平面光滑，力F作用在滑塊m上;（3）如圖（c），水平面粗糙，力F作用在木板M上;（4）如圖（d），水平面粗糙，力F作用在滑塊m上。表1表示不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下力F的取值范圍，表2表示不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下加速度的取值;當(dāng)力F隨時(shí)間均勻變化，即F=kt（k是一常數(shù)）時(shí)，表3表示加速度a和摩擦力f隨時(shí)間t變化的圖像。

根據(jù)以上的表格和圖示，教學(xué)中先以縱向發(fā)展的脈絡(luò)展開(kāi)，然后進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，也可橫縱結(jié)合交替展開(kāi)。即可先提出四種模型，然后針對(duì)每一種模型的不同方面進(jìn)行對(duì)比研究;又因?yàn)榈谝环N模型最簡(jiǎn)單，也可以先對(duì)該模型展開(kāi)全方位的討論。無(wú)論是以何種方式展開(kāi)，都要注重對(duì)學(xué)生的思維引導(dǎo)，避免灌輸式教學(xué)，并加強(qiáng)對(duì)“分析”之后應(yīng)如影隨形的“整合”的重視。

以水平面是否光滑和受力物體的不同為依據(jù)，將復(fù)雜多變的滑塊-木板模型歸納為四種類型，此為“多歸四”。稍加留意，不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水平面光滑時(shí)，μ2=0，此時(shí)可看成水平面粗糙時(shí)的特殊情況，這樣就在 “多歸四”的基礎(chǔ)上，又取得了“四又歸二”的進(jìn)一步整合。這一步看似簡(jiǎn)單，但缺乏量變的日常積淀，是很難達(dá)成的。

在面對(duì)紛繁復(fù)雜的各種情境時(shí)，很多學(xué)生會(huì)望而卻步，從而形成思維障礙。教師通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生整合知識(shí)，化繁為簡(jiǎn)，不斷總結(jié)與反思，逐漸消除思維障礙，從而使學(xué)生進(jìn)入深度學(xué)習(xí)的高級(jí)階段。因此，教師在教學(xué)中，要激勵(lì)學(xué)生全身心參與并正確引導(dǎo)，才能幫助學(xué)生不斷反思自己的學(xué)習(xí)問(wèn)題并及時(shí)調(diào)整學(xué)習(xí)策略，從而促進(jìn)學(xué)生高階思維的發(fā)展。

4? ? 總? 結(jié)

本文針對(duì)滑塊-木板模型，提出了指導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的習(xí)題教學(xué)策略。課堂教學(xué)中創(chuàng)設(shè)學(xué)生能感知的真實(shí)情境，為思維加工的深化以及知識(shí)的遷移運(yùn)用奠定了基礎(chǔ)，基礎(chǔ)知識(shí)的回歸，為思維加工和遷移運(yùn)用做好了理論鋪墊，知識(shí)整合和學(xué)習(xí)反思又促進(jìn)了進(jìn)一步的思維加工。在中學(xué)物理階段的學(xué)習(xí)中，與滑塊-木板模型類似的模型還有相遇-追擊模型、傳送帶模型、彈簧模型、斜面模型等典型問(wèn)題，希望本文的教學(xué)策略對(duì)其他物理模型的教學(xué)具有一定的指導(dǎo)意義。

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（欄目編輯? ? 趙保鋼）