基于“深度學(xué)習(xí)理論”的高中物理教學(xué)實(shí)施策略
——以《機(jī)械能守恒定律》為例

王 磊

(江蘇省常熟市中學(xué) 215500)

新課標(biāo)明確要求在物理教育教學(xué)過程中要把學(xué)科核心素養(yǎng)貫穿始終，使學(xué)生在接受教育的過程中，逐步形成適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展所需要的必備品格和關(guān)鍵能力.而“深度學(xué)習(xí)”，不同于“淺層學(xué)習(xí)”，它是基于理解的學(xué)習(xí)，深度學(xué)習(xí)者能夠批判地學(xué)習(xí)新的思想和事實(shí)，將其融入原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，并能將已有的知識遷移到新的學(xué)習(xí)情境中，從而做出決策并解決學(xué)習(xí)中的問題.這種逐步“內(nèi)化”的過程正是學(xué)生必備品格和關(guān)鍵能力的形成過程.本文基于深度學(xué)習(xí)理論，以人教版高中物理必修二第八章第四節(jié)《機(jī)械能守恒定律》為例，探索如何高質(zhì)高效地開展深度學(xué)習(xí).

1 通過實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)物理情境，引導(dǎo)學(xué)生深入思考

深度學(xué)習(xí)是一種具有主動性和批判性的學(xué)習(xí)方式，它要求學(xué)習(xí)者在激活先前知識的基礎(chǔ)上，對于所獲得的新知識進(jìn)行有效的深度加工.是基于一定的理論基礎(chǔ)，再到情境認(rèn)知，繼而過渡到元認(rèn)知的過程.所以課堂上可以通過趣味實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)與所學(xué)知識相關(guān)的物理情境，更好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主體性、能動性和發(fā)展性.因此，本節(jié)課新課導(dǎo)入部分，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)1：裝有小鋼球的藥丸殼沿杯壁下翻越來越快，猜想:過程中重力勢能轉(zhuǎn)化為動能.(圖1)

圖1 圖2

實(shí)驗(yàn)2：懸掛著的小球從緊貼杯壁處釋放，擺回時，看還能不能碰到杯壁？(圖2)

問題：為什么每次小球擺到杯壁處都碰不到杯壁？

猜想：小球過來時的動能太小了，如果小球的動能沒有減為零，它就會碰到杯壁.

問題：為什么小球到來時的動能總為零呢？有什么規(guī)律嗎？

猜想：由于空氣阻力的影響，小球的機(jī)械能有損耗，所以總不能碰到杯壁；若忽略空氣阻力，小球擺動過程中動能與勢能相互轉(zhuǎn)化，總的機(jī)械能恒定不變，小球就能碰到杯壁了.

問題：既然總的機(jī)械能保持不變(守恒)，那么你知道哪些情況下機(jī)械能守恒嗎？

通過以上兩個小實(shí)驗(yàn)，一方面幫助學(xué)生回憶動能與勢能相關(guān)知識，建立一定理論基礎(chǔ)，同時，創(chuàng)設(shè)新的物理情境，引發(fā)學(xué)生對動能和勢能之間的相互轉(zhuǎn)化進(jìn)行思考，激發(fā)學(xué)生的探究欲望和學(xué)習(xí)興趣，為后面的深入學(xué)習(xí)做鋪墊.

2 問題鏈引導(dǎo)思維，注重知識的保持與遷移

問題能夠引發(fā)思考，而層層遞進(jìn)的問題鏈能夠促進(jìn)學(xué)生更深入地進(jìn)行高階思維，引發(fā)深度學(xué)習(xí).所以教學(xué)過程中教師要善于設(shè)問，巧于設(shè)問，且所設(shè)問題要具有引導(dǎo)性、階梯性和驅(qū)動性，幫助學(xué)生進(jìn)行知識的保持與遷移.因此，在本節(jié)課的理論分析部分，通過二個過渡性的問題加上三個典型模型對機(jī)械能守恒定律進(jìn)行定量分析：

模型1：物體只受重力時的機(jī)械能

質(zhì)量為m的物體自由下落過程中，經(jīng)過高度h1時速度為v1，下落至高度h2處時速度為v2，不計(jì)空氣阻力，分析物體由h1下落到h2過程中機(jī)械能的變化(教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考分析).

結(jié)論：物體只受重力時機(jī)械能守恒.

問題1：物體除受重力還受其他力時，機(jī)械能守恒嗎？猜想：應(yīng)該也守恒.

模型2：物體除受重力之外還受其他力，但其他力不做功

光滑曲面下滑的小球，經(jīng)過高度h1時速度為v1，下滑至高度h2處時速度為v2，不計(jì)空氣阻力，分析物體由h1下滑到h2過程中機(jī)械能的變化(學(xué)生自主進(jìn)行推導(dǎo)).

結(jié)論：在只有重力做功的情況下，物體動能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化，而機(jī)械能總量保持不變.

問題2：勢能包括重力勢能和彈性勢能，只有重力做功時機(jī)械能守恒，那么只有彈力做功時機(jī)械能是否也守恒呢？猜想：一定也是守恒的.

模型3：系統(tǒng)內(nèi)彈力做功時物體的機(jī)械能

水平面內(nèi)的彈簧振子，簡要分析系統(tǒng)彈性勢能與動能的相互轉(zhuǎn)化，注意動能和彈性勢能之間的轉(zhuǎn)化是通過彈力做功實(shí)現(xiàn)的.

結(jié)論：在只有彈簧彈力做功條件下，物體系統(tǒng)的動能與勢能可以相互轉(zhuǎn)化，總的機(jī)械能保持不變.

上述過程是本節(jié)課的重心，為了更好地推進(jìn)學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，筆者以層層推進(jìn)的問題鏈為導(dǎo)向，由淺入深，由簡及繁，讓學(xué)生從已學(xué)知識更好地遷移到新知識的學(xué)習(xí).三個模型看似條件越發(fā)苛刻，其實(shí)是對機(jī)械能守恒定律從特殊到一般的推廣，促進(jìn)學(xué)生的高階思維，幫助學(xué)生利用一定的線索把相關(guān)體系有機(jī)聯(lián)系在一起.這樣一方面大大提升學(xué)生對于宏觀知識的把握，另一方面也培養(yǎng)了學(xué)生的邏輯思維能力.

3 啟發(fā)學(xué)生自主總結(jié)和歸納，推進(jìn)知識的再建構(gòu)

深度學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)者必須對所學(xué)內(nèi)容具有較強(qiáng)的宏觀把握能力.而當(dāng)前的教育教學(xué)過程中，教師往往追求知識的細(xì)枝末節(jié)，生怕遺漏一個考點(diǎn)，過于關(guān)注考什么，而忽略了學(xué)生學(xué)什么.學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中也由于缺少自主消化和吸收新知識的時間，很少對所學(xué)知識進(jìn)行歸類總結(jié).這也是很多學(xué)生在當(dāng)前新高考模式下不能舉一反三，繼而畏懼創(chuàng)新題型的原因.所以在平時的教學(xué)過程中，教師要有意識地啟發(fā)學(xué)生及時總結(jié)和歸納，推進(jìn)知識的再建構(gòu).因此，在上述模型1的推導(dǎo)過程中，筆者通過以下兩種方程表示，引導(dǎo)學(xué)生推出機(jī)械能守恒定律的表達(dá)式：

(1)

表達(dá)式(1)△Ek=-△EP， 這是從能量轉(zhuǎn)化的角度，認(rèn)為過程中物體動能的增加等于勢能減小量，反之亦然.

(2)

表達(dá)式(2)Ek1+Ep1=Ek2+Ep2，這是從能量守恒的角度，認(rèn)為物體運(yùn)動過程中，初狀態(tài)和末狀態(tài)機(jī)械能相等.

同時，總結(jié)出機(jī)械能守恒定律的適用條件：只有重力或彈力做功(自由落體，光滑曲面下滑小球，彈簧振子等).

該部分通過總結(jié)歸納，旨在幫助學(xué)生在掌握定律內(nèi)容的同時形成所學(xué)知識的框架和體系，從而完成自我構(gòu)建的過程，也為學(xué)生初步應(yīng)用定律提供了科學(xué)的方法.

4 轉(zhuǎn)變教學(xué)評價方式，讓學(xué)生所學(xué)內(nèi)容真正“內(nèi)化”

深度學(xué)習(xí)是以學(xué)習(xí)者為中心的，是自我導(dǎo)向的，是學(xué)生在已掌握知識的基礎(chǔ)上，不斷地深入理解，加上批判性思維，繼而不斷的反思，最后將所學(xué)知識應(yīng)用于實(shí)踐的過程.而教學(xué)評價是教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，深度學(xué)習(xí)理論下的教學(xué)評價不能僅僅停留在做題、解題，應(yīng)該更多地關(guān)注過程性評價，貫穿整個學(xué)習(xí)過程，同時關(guān)注學(xué)生的自我反思，讓學(xué)生所學(xué)內(nèi)容真正“內(nèi)化”.

例如，本節(jié)課理論分析第一個實(shí)例結(jié)束后，筆者給學(xué)生布置了分組實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生利用已有器材(鐵架臺、打點(diǎn)計(jì)時器<附紙帶>、刻度尺、重錘)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒.這樣就從理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩個方面對自由落體運(yùn)動機(jī)械能守恒的結(jié)論進(jìn)行了深入而嚴(yán)密的分析.一方面把實(shí)驗(yàn)探究貫穿到理論推導(dǎo)中，讓課堂教學(xué)“活”起來；另一方面，在實(shí)驗(yàn)探究過程中的數(shù)據(jù)處理、誤差分析等也能幫助學(xué)生更好地理解機(jī)械能守恒的條件，以便后續(xù)更好地應(yīng)用于實(shí)踐.

再如，當(dāng)學(xué)生得出機(jī)械能守恒成立條件時，筆者讓學(xué)生舉例說出生活中有哪些情況下物體機(jī)械能守恒，而沒有直接展示生活情境讓學(xué)生判斷.這樣可以充分發(fā)揮學(xué)生作為學(xué)習(xí)者的能動性，也能關(guān)注到更多真實(shí)場景下的實(shí)際結(jié)論，使后續(xù)教師教學(xué)更具有針對性.同時，學(xué)生在思考討論的過程中，發(fā)散性思維也可以提升自我反思和自我評估的能力.

最后，針對學(xué)生舉出的生活實(shí)例，我又布置了兩個小任務(wù)留待學(xué)生課后自行解決，鞏固學(xué)生對機(jī)械能守恒定律的理解和掌握.

任務(wù)一：新課開始時演示的小球碰杯實(shí)驗(yàn)，請大家想出一個辦法使小球總能碰到杯壁，并且聽到敲擊的聲響？

任務(wù)二：質(zhì)量為m的運(yùn)動員從一定高處自由下落到蹦床上，試分析該過程中的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系.

(1)系統(tǒng)涉及幾種形式的能量？

(2)哪些力對運(yùn)動員做了功？

(3)機(jī)械能是否守恒?

(4)運(yùn)動員運(yùn)動過程中的能量轉(zhuǎn)化情況？

這樣，讓學(xué)生充分體會到物理來源于生活，又回歸于生活、服務(wù)于生活.讓物理學(xué)習(xí)從“外界灌輸式”變成“自我要求式”，促進(jìn)以自我為需求的深度學(xué)習(xí).

本節(jié)課以深度學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)，開展高中物理《機(jī)械能守恒定律》的教學(xué)活動.過程中通過四種方式推進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，從典型的物理情境出發(fā)，總結(jié)出科學(xué)的結(jié)論.這只是深度學(xué)習(xí)理論用于高中物理教學(xué)的一個案例，而深度學(xué)習(xí)作為高中生學(xué)習(xí)物理行之有效的方式，值得我們更進(jìn)一步地研究和推廣.