促進深度學(xué)習(xí)的高中物理教學(xué)設(shè)計

侯新杰 張玉瑩

摘 要：深度學(xué)習(xí)是提升學(xué)科核心素養(yǎng)的有效途徑.以“光的偏振”教學(xué)為例探索促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)的教學(xué)路徑.教學(xué)設(shè)計通過創(chuàng)設(shè)情境，設(shè)疑激趣;通過類比架橋，促進知識整合;通過層層遞進的挑戰(zhàn)性活動實現(xiàn)學(xué)習(xí)進階，引導(dǎo)學(xué)生在深度學(xué)習(xí)中提升物理核心素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí);物理核心素養(yǎng);光的偏振 ;教學(xué)設(shè)計;高中物理

中圖分類號：G633.7???? 文獻標(biāo)識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）21-0030-05

基金項目：河南省教師教育課程改革研究立項重點項目“基于‘課例研究培養(yǎng)師范生教學(xué)技能的理論與實踐”（項目編號：2020-JSJYZD-024）.

作者簡介：侯新杰（1963-），男，河南長葛人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：物理課程與教學(xué);

張玉瑩（1998-），女，河南西峽人，本科在讀，研究方向：物理教學(xué).

1 問題提出

物理課堂教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的重要陣地.目前物理課堂教學(xué)還存在著一些不太令人滿意的現(xiàn)象：教師偏重知識講授，學(xué)生習(xí)慣被動記憶;師生簡單問答，思維深度膚淺;課堂活動表面化，實施已有方案等同科學(xué)探究.知識的形成過程被扭曲，使得學(xué)生局限于“識記、領(lǐng)會、解題”的低層次學(xué)習(xí)，不利于培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng).

深度學(xué)習(xí)指的是在教師的引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發(fā)展等有意義的學(xué)習(xí)過程.“挑戰(zhàn)性主題”明確學(xué)習(xí)內(nèi)容須是學(xué)科核心知識，承載著學(xué)科核心素養(yǎng).“全身心積極參與、體驗成功”明確學(xué)習(xí)要在活動中進行，重視學(xué)生的投入度、思維深度及情感體驗;“獲得發(fā)展”明確學(xué)習(xí)結(jié)果，要求學(xué)生深度理解學(xué)科概念，領(lǐng)會學(xué)科思維方法，發(fā)展核心素養(yǎng).總的來說，“深度學(xué)習(xí)”強調(diào)學(xué)生“探索”知識“發(fā)現(xiàn)”過程，結(jié)合已有知識經(jīng)驗融會貫通地建構(gòu)新知，并且能舉一反三，遷移運用，最終形成積極的學(xué)習(xí)動機與情感態(tài)度.可見深度學(xué)習(xí)可以有效挖掘知識背后的思維方法與價值取向，有效提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng).

本文嘗試以“光的偏振”教學(xué)設(shè)計為例，探討如何創(chuàng)設(shè)情境激發(fā)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，如何設(shè)置活動保證學(xué)生學(xué)習(xí)不僅“深”而且有“度”，如何在促進學(xué)生深度思維的同時培養(yǎng)其科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，希望能給廣大教師提供啟發(fā)和參考.

2 教學(xué)目標(biāo)設(shè)計

2.1 教材分析

“光的偏振”是《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》選擇性必修1模塊第三主題“光及其應(yīng)用”的內(nèi)容，課標(biāo)的基本要求是：“觀察光的偏振現(xiàn)象，了解該現(xiàn)象產(chǎn)生條件，知道其在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用;知道光是橫波[1].”本文選用的是2010年人教版選修3-4第十三章第6節(jié)，是光與機械波的交匯點，既是對波的擴充也是對光的深入研究.主要內(nèi)容包括橫波與縱波特點及判斷方法、自然光與偏振光概念、光的偏振現(xiàn)象及其在生活和技術(shù)方面的應(yīng)用.

2.2 教學(xué)目標(biāo)

依據(jù)普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)，分析高中物理教材，制定本節(jié)課如下教學(xué)目標(biāo).

物理觀念：掌握橫波與縱波的特點和判定方法;理解自然光和偏振光的概念、光的偏振現(xiàn)象，光是橫波的性質(zhì).

科學(xué)思維：通過類比機械波通過相互垂直的狹縫，實驗探究光的偏振現(xiàn)象，掌握將宏觀現(xiàn)象規(guī)律遷移到微觀領(lǐng)域中相似現(xiàn)象的科學(xué)方法，提高科學(xué)推理、論證的能力;通過分析光的偏振應(yīng)用實例，增強運用知識解決問題的能力.

科學(xué)探究：經(jīng)歷問題、類比、猜想、實驗、解釋交流，探究光的偏振現(xiàn)象，理解光是橫波.

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：了解偏振光在生活中的應(yīng)用，深切體會“科學(xué)改變生活”，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，樹立用科學(xué)造福人類的理想.

3 教學(xué)活動設(shè)計

3.1 以往教材與教學(xué)中的不足

結(jié)合教材分析與教學(xué)實踐，筆者認(rèn)為“光的偏振”一節(jié)課在以往教學(xué)中有以下不足：第一，人教版高中物理教材中“光的偏振”一節(jié)“偏振現(xiàn)象”部分內(nèi)容順序混亂，圖13.6-1圖注與內(nèi)容不符[2]，沒有明確給出“偏振”的概念，容易使學(xué)生學(xué)完仍不清楚什么是“偏振現(xiàn)象”;第二，以往課堂對于機械波與光波之間聯(lián)系的建立太過唐突[3]，僅通過舉例說明或圖片展示橫波的偏振現(xiàn)象雖然可以“承上”卻很難“啟下”;第三，缺少問題情境，忽視學(xué)生體驗.教師講授多，學(xué)生探究少，學(xué)生探究能力與思維發(fā)展受到限制.

3.2 教學(xué)活動設(shè)計

基于以上分析，筆者依據(jù)學(xué)生概念形成過程中的思維特點進行教學(xué)設(shè)計.以學(xué)生原有知識經(jīng)驗和體驗作為切入點，教學(xué)過程重視創(chuàng)設(shè)情境強化學(xué)生已有的知識基礎(chǔ)，重視在類比基礎(chǔ)上進行實驗探究促進學(xué)生思維發(fā)展.因此本節(jié)采用架橋類比策略與問題情境探究教學(xué)法，設(shè)計層層遞進的教學(xué)活動（如圖1），展開教學(xué)過程.

4 組織教學(xué)過程

依據(jù)教學(xué)活動設(shè)計，教學(xué)過程按六步組織如下.

4.1 創(chuàng)設(shè)情境 提出問題

教師拿出兩張偏振片，告知同學(xué)們這是兩張神奇的塑料片，準(zhǔn)備現(xiàn)場魔術(shù)表演.學(xué)生們充滿好奇，反應(yīng)熱烈.教師隨機邀請一位同學(xué)上臺，將兩張偏振片放到演示同學(xué)的面前，問：大家可以看到這位同學(xué)的鼻子嗎？學(xué)生異口同聲：可以！師：那下面我要將這位同學(xué)的鼻子變“沒有了”，不要眨眼睛哦.學(xué)生們屏氣，目不轉(zhuǎn)睛地盯著那位同學(xué)的鼻子看.教師對著偏振片吹一口氣，晃動偏振片的同時快速將一張偏振片旋轉(zhuǎn)90°，對于這一細(xì)節(jié)操作，學(xué)生毫無思想準(zhǔn)備，突然就看不見演示同學(xué)的鼻子了（如圖2）！教室里響起陣陣驚呼.

教師趁熱打鐵提出問題：這個神奇的塑料片是什么？為什么會有這么神奇的現(xiàn)象？看來魔術(shù)真奧秘，只因不識偏振光.今天，讓我們一起走進光的偏振世界，來一探究竟.

設(shè)計意圖：問題是思維活動的起點，而問題的產(chǎn)生需要通過情境的激發(fā).利用“光不能通過兩塊透振方向垂直的偏振片”表演魔術(shù)，設(shè)疑激趣，誘發(fā)思維活動;其次，該魔術(shù)相對 “穿墻而過”的表演更直觀，為后面探究光的偏振現(xiàn)象做鋪墊，更容易使學(xué)生抓住本質(zhì).

4.2 聯(lián)系舊知 架橋類比

問題1：光的干涉與衍射現(xiàn)象說明光是一種波，那么光是橫波還是縱波？

面對這一問題，學(xué)生自然會聯(lián)想到利用機械波中的橫波、縱波的概念來解釋，但又因為光波振動方向不可見而產(chǎn)生困惑.

問題2：橫波與縱波還有哪些特點？請觀察繩波與彈簧通過不同方向的狹縫的演示動畫，歸納總結(jié)出區(qū)別橫波、縱波的新方法？

設(shè)計意圖：面對一個陌生的現(xiàn)象，學(xué)生往往會借助頭腦中原有的知識經(jīng)驗來理解新事物，根據(jù)這一思維特點，教學(xué)重溫機械波，利用動畫演示橫波和縱波分別通過不同取向狹縫的現(xiàn)象，由學(xué)生對比分析得出區(qū)別橫波、縱波的新方法（見表1）.通過新舊知識的整合，偏振現(xiàn)象這一概念不再是碎片化知識，而是溝通機械波與光波的橋梁，是判斷光是橫波還是縱波的實驗工具.學(xué)生在原有知識基礎(chǔ)上領(lǐng)悟到新知識的意義，在學(xué)習(xí)新知識的過程中發(fā)展聯(lián)想、比較、歸納的思維能力，這樣的學(xué)習(xí)才是深度學(xué)習(xí).

4.3 合作探究 同化新知

探究一：光是橫波還是縱波？

受上述實驗的啟發(fā)，可不可以用類似的實驗來判斷光是橫波還是縱波？我們把機械波換成光波，狹縫換成偏振片，讓光通過透振方向不同的偏振片，又會觀察到怎樣的實驗現(xiàn)象？我們把上述方法稱之為“架橋類比[4]”，如圖3所示.

教師將表演魔術(shù)用的偏振片（已標(biāo)明透振方向）發(fā)放給學(xué)生，同時向?qū)W生介紹偏振片的特性.引導(dǎo)學(xué)生舉起一張偏振片對頭頂?shù)臒艄膺M行觀察，再將偏振片旋轉(zhuǎn)一周，觀察亮度變化（如圖4）.

教師提出問題：每張偏振片只有一個透振方向，在旋轉(zhuǎn)偏振片的過程中為什么沒有亮度變化？這說明了光在通過偏振片以前具有怎樣的特性？同學(xué)們由此猜測：光在通過偏振片以前，包含垂直于傳播方向上沿一切方向振動的光，且沿各個方向振動強度相同.

教師再次引導(dǎo)學(xué)生拿起第二張偏振片，讓兩張偏振片的透振方向先平行再垂直，觀察亮度變化（如圖5）.

學(xué)生明顯看到由明變暗再變黑的實驗現(xiàn)象，先由學(xué)生小組討論解釋實驗現(xiàn)象，最后由教師概括自然光、偏振光、光的偏振現(xiàn)象等概念.與前面繩波通過狹縫的現(xiàn)象進行對比，學(xué)生可以得出光有偏振現(xiàn)象、光是橫波的結(jié)論.

設(shè)計意圖：通過環(huán)節(jié)2的探究，已經(jīng)在光波與機械波間建起了橋梁——只有橫波有偏振現(xiàn)象.學(xué)生由此建立類比，作出猜想，尋找規(guī)律，在探究光波與繩波本質(zhì)聯(lián)系的過程中提高科學(xué)推理與論證的思維能力.其次將教材上光的偏振演示實驗改為師生合作探究實驗，重視學(xué)生的感受與體驗，使學(xué)生進入深度學(xué)習(xí)，邊體驗、邊建構(gòu)起光的偏振的概念.

魔術(shù)揭秘：“神奇的塑料片”其實就是偏振片.告知同學(xué)們“轉(zhuǎn)動偏振片同時將其旋轉(zhuǎn)90°”的操作，請同學(xué)們解釋魔術(shù)的奧秘，同桌之間互相表演.

4.4 實驗再探 深化理解

經(jīng)過光的偏振的探究過程，學(xué)生已經(jīng)在頭腦中建立起自然光與偏振光的模型，為了深化學(xué)生對于光的偏振的理解，設(shè)置了從物理走向生活的探究活動.

探究二：尋找區(qū)分生活中的自然光與偏振光.

教師鼓勵學(xué)生拿起偏振片，尋找身邊的自然光與偏振光.比如，多媒體屏幕發(fā)出的光、透過玻璃的陽光、地板上的反射光、玻璃上的影子等等.引導(dǎo)學(xué)生歸納：自然光在木質(zhì)桌面、水面、玻璃表面等的反射光、折射光都是偏振光（如圖6）.

然后引導(dǎo)學(xué)生起立和蹲下，感受明暗變化的不同.即入射的角度不同，反射光線偏振程度也有所不同.只有沿某一角（布儒斯特角） 入射的反射光是完全偏振光.

設(shè)計意圖：探究與體驗是深度學(xué)習(xí)發(fā)生的催化劑.通過“問題—探究—歸納”的過程，讓學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)體會我們身邊的反射光就是偏振光，寓教于樂，比起課本上直接告訴學(xué)生“反射光、折射光是偏振光”更能發(fā)展學(xué)生的思維，深化認(rèn)知.

4.5 聯(lián)系實際 學(xué)以致用

4.5.1 偏振太陽鏡與攝影

生活中怎樣解決反射光刺眼的問題？該如何利用“反射光是偏振光”解決？請同學(xué)們小組討論，互相質(zhì)疑補充（如圖7和圖8）.

設(shè)計意圖：生活實際問題的解決不僅是加深學(xué)生理解概念的環(huán)節(jié)，也是深度學(xué)習(xí)發(fā)生的判斷標(biāo)準(zhǔn).通過創(chuàng)設(shè)反射光刺眼的生活情境，引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系生活，學(xué)以致用，比起直接展示攝影消光的圖片，問題情境更能引導(dǎo)學(xué)生的行為和情感投入的學(xué)習(xí)活動.

4.5.2 液晶顯示

引導(dǎo)學(xué)生通過偏振片觀察空調(diào)遙控器的屏幕，獲得液晶屏幕發(fā)出的光是偏振光的感性認(rèn)識.接著給同學(xué)們展示液晶顯示屏的結(jié)構(gòu)，再借助PPT動畫講解液晶顯示的原理（如圖9和圖10）.

4.5.3 3D電影

2019年國產(chǎn)3D電影“流浪地球”震撼上映，因為精彩的劇情與身臨其境的視覺效果吸引了大批的觀眾，那么3D電影為什么會有立體效果？教師播放視頻并分四步講解：人眼的立體感、拍攝時、放映時、觀看時（如圖11和圖12）.

設(shè)計意圖：借助實驗與動畫，簡化偏振現(xiàn)象在液晶顯示、3D電影等的應(yīng)用，讓學(xué)生“跳一跳，就能摘到桃子”，體會到解決實際問題的真實與喜悅.將與概念相關(guān)的新技術(shù)成果內(nèi)容融入物理課堂教學(xué)，不僅能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，也能讓其深切體會到物理與科學(xué)、技術(shù)、社會的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.

4.6 課外制作 能力進階

（1）完成教材課后作業(yè)1和2.

（2）教師表演魔術(shù)“穿墻而過”，要求學(xué)生課后探究魔術(shù)“穿墻而過”的奧秘，并嘗試?yán)闷衿瑒邮种谱鞯谰撸ㄈ鐖D13）.

設(shè)計意圖：探究魔術(shù)奧秘并動手制作是對知識的活化與再創(chuàng)造，不僅加深了學(xué)生對偏振的理解，更培養(yǎng)學(xué)生的動手能力.讓物理小制作成為學(xué)生珍藏的科學(xué)藝術(shù)品，讓物理活動成為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的平臺.

5 促進深度學(xué)習(xí)的教學(xué)策略

5.1 創(chuàng)設(shè)問題情境

無論是概念的建立、規(guī)律的探究還是實際問題的解決都離不開問題情境，情境的設(shè)置可以從教學(xué)內(nèi)容與方式兩方面進行.首先，在教學(xué)內(nèi)容方面：（1）增添與學(xué)生生活緊密相關(guān)的問題、現(xiàn)代科技成果、前沿?zé)狳c問題等;（2）可以用生活中的器具做物理實驗，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造精神;（3）采用原始物理問題，養(yǎng)成學(xué)生估量生活中物理量的習(xí)慣.其次，在教學(xué)方式方面，提倡采用“舉實例、放視頻、進行演示實驗與學(xué)生實驗、解決實際問題、動手制作”等多樣化的教學(xué)方式.

5.2 類比架橋

學(xué)生已有的知識經(jīng)驗、認(rèn)知水平是深度學(xué)習(xí)發(fā)生的基礎(chǔ)與前提[5].故教師要充分了解并利用學(xué)生的已有經(jīng)驗，在學(xué)生理解困難的地方“架橋”，促進知識遷移，正確建構(gòu)概念.學(xué)生在類比、猜想、推理、探索的同時發(fā)展聯(lián)想思維、靈感思維、邏輯與創(chuàng)造思維等.例如在環(huán)節(jié)二中利用問題啟發(fā)和動畫演示機械波通過不同狹縫的現(xiàn)象，類比架橋，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)“只有橫波有偏振現(xiàn)象，可以據(jù)此來探究光是橫波還是縱波.”從而突破學(xué)生思維難點和“機械波與光波的聯(lián)系建立唐突”的教學(xué)難點.

5.3 設(shè)置挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)活動

物理知識只是形成素養(yǎng)的載體，具有“挑戰(zhàn)性”的學(xué)習(xí)活動才是形成素養(yǎng)的渠道.因此要將知識轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生探究與實踐的對象，轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，倡導(dǎo)深度學(xué)習(xí)與合作學(xué)習(xí).這里應(yīng)注意“挑戰(zhàn)性”并不是指問題越難越好，而是學(xué)生能夠“跳一跳”摘到桃子.教師可參考游戲關(guān)卡的設(shè)置，既不會讓學(xué)生喪失信心也不會感到無趣，逐級克服難點.比如本節(jié)課讓學(xué)生進行了“探究光是橫波還是縱波”“尋找生活中的偏振光”“解決刺眼的反射光”“自制穿墻而過道具”等層層遞進且有挑戰(zhàn)性的活動，學(xué)生高度參與，反響熱烈.

6 結(jié)束語

在深度學(xué)習(xí)理念的指導(dǎo)下，學(xué)生不再是知識的被動接受者，而是意義的建構(gòu)者，教師不僅僅是知識的傳遞者更是思維的引領(lǐng)者.教師在進行教學(xué)設(shè)計時應(yīng)思考以下三個問題：第一，如何促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)的發(fā)生？這就要求教師要把握知識內(nèi)在的邏輯結(jié)構(gòu)并按照學(xué)生的思維發(fā)展進行教學(xué).以情境引問題，以問題導(dǎo)探究，在探究中理解知識本質(zhì)，在解決實際問題中活學(xué)活用，在學(xué)習(xí)遷移中培養(yǎng)創(chuàng)新.第二，如何保證學(xué)生學(xué)習(xí)“深”又有“度”？“深”要求教師要充分了解學(xué)生的知識基礎(chǔ)與能力基礎(chǔ)，設(shè)計聯(lián)系學(xué)生經(jīng)驗、面向真實問題解決、具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)任務(wù)，激發(fā)學(xué)生高度參與、深度思維;“度”則要求學(xué)習(xí)任務(wù)必須在學(xué)生最近發(fā)展區(qū)之內(nèi)，需要“跳一跳”才“能夠到”.教師可以把核心問題分解成一系列的子問題，給學(xué)生搭建起思維的階梯，逐步達到深度思維.第三，如何在促進學(xué)生深度思維的同時又培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度和責(zé)任？教師要關(guān)注物理概念原理的實際應(yīng)用，通過概念原理在實際生活和技術(shù)中應(yīng)用的實例分析，讓學(xué)生理解物理學(xué)與技術(shù)和社會的關(guān)系，潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任.

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（收稿日期：2021-06-20）