在深度學(xué)習(xí)中感悟“簡(jiǎn)約之美”

馮蘭 張丹彤

【摘要】文章通過物理課堂教學(xué)實(shí)例的剖析和展示，探討如何在課堂教學(xué)中以科學(xué)思維為先導(dǎo)，鼓勵(lì)學(xué)生提煉和升華所學(xué)知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、探索問題，促使深度學(xué)習(xí)的有效發(fā)生。以此為基點(diǎn)積極探索在日常物理課堂教學(xué)中創(chuàng)設(shè)既有趣味性又有思維深度的情景探究活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生從歸納、演繹思維的角度研究問題、拓展視角，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的提升、物理觀念的形成，同時(shí)滲透“美”的教育并達(dá)到領(lǐng)略物理學(xué)“簡(jiǎn)約之美”的效果。

【關(guān)鍵詞】物理課堂教學(xué)? 科學(xué)思維? 深度學(xué)習(xí)? 簡(jiǎn)約之美

【基金項(xiàng)目】本文系江蘇省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題《以科學(xué)思維為先導(dǎo)的“非主流”課堂教學(xué)研究》（課題編號(hào)：D/2018/02/14/）的階段性研究成果。

【中圖分類號(hào)】G633.7 ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2023）08-0127-03

物理學(xué)是一門研究自然界物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)、相互作用和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)科學(xué)[1]。在物理學(xué)的建立和發(fā)展過程中，人們積累了豐富的科學(xué)研究方法和思維方式，樹立了求真、求善、求美的科學(xué)態(tài)度和人文精神，從而讓物理學(xué)擁有了豐富的知識(shí)體系、人文品性和美學(xué)特質(zhì)。作為一門探究性學(xué)科，物理學(xué)特別注重運(yùn)用科學(xué)思維方法認(rèn)識(shí)客觀事物、解決實(shí)際問題。從個(gè)別到一般的歸納思維、再從一般到個(gè)別的演繹思維是科學(xué)思維的重要組成部分。這其中把復(fù)雜的問題抽絲剝繭簡(jiǎn)單化，體現(xiàn)的就是一種本領(lǐng)和智慧。大道至簡(jiǎn)，用簡(jiǎn)去繁，實(shí)際上也是物理學(xué)在發(fā)展統(tǒng)一路上一直追求的簡(jiǎn)約之美。

在物理課堂教學(xué)中，如果“用記憶替代思考，用背誦替代對(duì)現(xiàn)象本質(zhì)的清晰理解和觀察，用簡(jiǎn)單重復(fù)練習(xí)代替對(duì)本質(zhì)理解后的舉一反三”，這樣的教學(xué)，有做法、有手段、有短期效果，但卻不能觸及學(xué)生的心靈，不能使學(xué)生“心動(dòng)”。教學(xué)若不能打動(dòng)人（心），學(xué)生的思想、意識(shí)、情感就不能活躍，就不可能有作為主體的深度學(xué)習(xí)[2]。若為了幫助學(xué)生探尋現(xiàn)象、問題的本質(zhì)，一味地牽著學(xué)生往“深度”探究問題，只注重引導(dǎo)學(xué)生探究物理學(xué)的思維之縝密、探究之有序，又常常會(huì)讓學(xué)生產(chǎn)生畏難的情緒。所以課堂深度學(xué)習(xí)的發(fā)生需要教師根據(jù)學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”創(chuàng)設(shè)既有趣味性又有思維深度的情景探究活動(dòng)，讓學(xué)生感到自己是活動(dòng)的主體，發(fā)生積極主動(dòng)的學(xué)習(xí)活動(dòng)。深度學(xué)習(xí)的課堂教學(xué)不僅提升了學(xué)生的歸納演繹思維、批判性思維等科學(xué)思維，而且能讓學(xué)生體會(huì)到物理規(guī)律的簡(jiǎn)約之美，達(dá)到以美啟智、以美啟真、以美創(chuàng)新的課堂教學(xué)效果。

筆者以《光的折射》《簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)》這兩課教學(xué)為實(shí)踐案例，著力在課堂中以“深”入本質(zhì)的發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)和由“深”至“遠(yuǎn)”的探索學(xué)習(xí)引導(dǎo)學(xué)生從科學(xué)思維的角度發(fā)現(xiàn)、感悟物理學(xué)的“大道至簡(jiǎn)”之美。

1.“深”入本質(zhì)，發(fā)現(xiàn)物理學(xué)簡(jiǎn)約之美

物理的“真”告訴學(xué)生要透過現(xiàn)象尋找共性、探尋本質(zhì)，從而領(lǐng)會(huì)本質(zhì)不僅是規(guī)律更是成因。引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)地通過“質(zhì)疑”“探究”“歸納”“演繹”等過程主動(dòng)對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行深度加工，去除非本質(zhì)屬性的干擾，把握知識(shí)的內(nèi)在聯(lián)系，是深度學(xué)習(xí)發(fā)生的一種有效方式。在《光的折射》教學(xué)中，常見的教學(xué)設(shè)計(jì)是“觀察現(xiàn)象→探究規(guī)律→回顧歷史→總結(jié)結(jié)論”，但由于探究的結(jié)果仍停留在對(duì)單一現(xiàn)象的規(guī)律總結(jié)，在對(duì)學(xué)生歸納演繹思維的培養(yǎng)上略顯不足，缺少深度思考的過程，在引領(lǐng)學(xué)生感悟物理學(xué)之美、形成物理觀念的層面也有欠缺?；谶@樣的思考，筆者在原有的教學(xué)設(shè)計(jì)中加入了對(duì)反射、折射規(guī)律的對(duì)比探索，引導(dǎo)學(xué)生思考“在反射、折射等光學(xué)現(xiàn)象中有沒有一個(gè)更有一般性、統(tǒng)一性的規(guī)律？”，鼓勵(lì)學(xué)生提出自己的觀點(diǎn)并通過定量計(jì)算證明自己的觀點(diǎn)。通過質(zhì)疑、思考、討論、表達(dá)、論證，學(xué)生由接受知識(shí)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾魈綄ぶR(shí)的狀態(tài)，強(qiáng)化了溝通和批判性思維能力，在提升科學(xué)思維的深度學(xué)習(xí)中切身感悟到物理學(xué)中的簡(jiǎn)約之美。

1.1教學(xué)實(shí)錄

教師引導(dǎo)：在剛才的探究學(xué)習(xí)中，我們理解了光的折射遵循折射定律，同時(shí)也理解了書本上關(guān)于折射的兩個(gè)公式：

請(qǐng)同學(xué)們回想一下初中學(xué)的光的反射定律，畫出光路圖，尋找一下光的“行為特征”。

學(xué)生繪制光的反射光路圖（如圖1所示），并闡述了反射定律。

教師引導(dǎo)：光為什么一定要這樣走呢？對(duì)比一下a、b路徑和光實(shí)際走的路徑，思考為什么不能是圖2中的a或b的光路呢？

學(xué)生：光按實(shí)際光路傳播的路程最短！

教師引導(dǎo)：在反射現(xiàn)象中，光總能準(zhǔn)確地找到最短路徑。在光的折射現(xiàn)象中，是不是也有這樣的規(guī)律呢？如圖3所示，光從真空中的A點(diǎn)射到界面的O點(diǎn)，折射后射到了介質(zhì)中的B點(diǎn)，請(qǐng)同學(xué)們思考一下在折射中光從A點(diǎn)到B點(diǎn)為什么要彎著走呢？?jī)牲c(diǎn)間不是直線最近嗎？為什么不沿圖4中A至B的直線路徑走呢？

學(xué)生思考討論：若沿著AB直線路徑，光走的路程是短了，但是在介質(zhì)中走的路程變長(zhǎng)了，光在介質(zhì)中的傳播速度比真空中小，所以是不是光選擇路徑時(shí)會(huì)考慮時(shí)間因素？

教師引導(dǎo)：根據(jù)同學(xué)的猜想，請(qǐng)同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)情境來具體算一下“直線路徑”和“實(shí)際光路”這兩條路徑的用時(shí)。

學(xué)生設(shè)計(jì)情境并給出數(shù)據(jù)：設(shè)α=53°，β=37°，光速c和A、B到界面的距離h。

學(xué)生分組計(jì)算：1、3、5組計(jì)算圖3中的時(shí)間，2、4、6組計(jì)算圖4中的直線路徑的時(shí)間。

1、3、5組同學(xué)計(jì)算過程和結(jié)果：n==，n=，ν==c

2、4、6組同學(xué)計(jì)算過程和結(jié)果：L=h·tanα+h·tanβ=h

若寫成t′=則可以更直觀地比較得t′>t.

學(xué)生總結(jié)：比較兩組數(shù)據(jù)可知，路徑最短用時(shí)不一定最短，光選擇了用時(shí)更短的路徑，光還是“很會(huì)節(jié)約時(shí)間的”。

教師引導(dǎo)：通過同學(xué)們自己的努力，大家發(fā)現(xiàn)反射定律、折射定律表達(dá)方式不同，但在其背后都遵循著共同的原理——費(fèi)馬原理。（法國(guó)科學(xué)家皮埃爾·德·費(fèi)馬在1662年提出著名的費(fèi)馬原理（Fermats principle）：光傳播的路徑是光程取極值的路徑。最初提出時(shí)，又名“最短時(shí)間原理”：光線傳播的路徑是需時(shí)最少的路徑。）

在我們的生活中，光的行為由于介質(zhì)不同、物質(zhì)表面情況不同，呈現(xiàn)出很多復(fù)雜的光路，在這些復(fù)雜現(xiàn)象的背后都遵循著一個(gè)簡(jiǎn)單的原理。應(yīng)用歸納法從個(gè)別規(guī)律中取其共性和精華推廣到一般現(xiàn)象，這是物理學(xué)中常用的歸納思維。物理學(xué)家們用歸納法將很多看似不同的規(guī)律總結(jié)成一條條具有普適性的經(jīng)典規(guī)律，這就是物理學(xué)一直在追求的極簡(jiǎn)之美。

1.2教學(xué)反思

這部分內(nèi)容的教學(xué)時(shí)間約8分鐘，在這8分鐘的思考和討論后，學(xué)生表現(xiàn)出了對(duì)自己探究結(jié)果的驚喜和對(duì)物理學(xué)大道至簡(jiǎn)的感慨。在該教學(xué)環(huán)節(jié)中，通過老師引導(dǎo)質(zhì)疑，讓學(xué)生自由猜想、自主推理驗(yàn)證、自由表述，完成了對(duì)知識(shí)的提煉和升華。這樣的教學(xué)過程，不僅幫助學(xué)生在知識(shí)層面對(duì)光的折射有了更深入的理解，而且在科學(xué)思維的提升和物理觀念的形成方面都有了很大的收獲，是一個(gè)有效的深度學(xué)習(xí)過程。

2.由“深”至“遠(yuǎn)”，品味物理學(xué)簡(jiǎn)約之美

我們身處在一個(gè)運(yùn)動(dòng)的世界，讓學(xué)生學(xué)會(huì)從物理學(xué)視角看物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量，是高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)的要求之一。黎加厚教授指出“深度學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)是理解”，在《簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)》這一節(jié)的學(xué)習(xí)前，學(xué)生對(duì)牛頓力學(xué)、能量守恒的理解已基本到位，學(xué)生已基本掌握分析運(yùn)動(dòng)的基本知識(shí)和能力，這就具備了在這一節(jié)中將良構(gòu)問題劣構(gòu)化的深入探究的基礎(chǔ)，也是深度學(xué)習(xí)發(fā)生的良機(jī)?；谶@樣的思考，筆者設(shè)計(jì)了拓展探索環(huán)節(jié)，讓學(xué)生用歸納演繹思維分析問題，體會(huì)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)中的簡(jiǎn)約之美。

2.1教學(xué)實(shí)錄

教師引導(dǎo)：在簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)探究中，我們得知，當(dāng)小球的位移—時(shí)間關(guān)系是正弦函數(shù)關(guān)系時(shí)，小球做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)是最基本的振動(dòng)。

同學(xué)們觀察視頻（視頻截圖如圖5所示），分析了繞O點(diǎn)做（逆時(shí)針方向）圓周運(yùn)動(dòng)的小球在x方向上的分運(yùn)動(dòng)和y方向上的分運(yùn)動(dòng)都是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。

教師引導(dǎo)：通過同學(xué)們的推理分析，發(fā)現(xiàn)勻速圓周運(yùn)動(dòng)是相互垂直的兩個(gè)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的疊加。請(qǐng)同學(xué)們思考，橢圓運(yùn)動(dòng)是不是也能這么分解呢？大家可以結(jié)合老師給的圖片信息思考（如圖6所示）。

學(xué)生分組討論：我們組覺得是可以的，x方向的運(yùn)動(dòng)可以等效于以A1為半徑的圓周運(yùn)動(dòng)在x方向的分運(yùn)動(dòng)，y方向的運(yùn)動(dòng)可以等效于以A2為半徑的圓周運(yùn)動(dòng)在y方向的分運(yùn)動(dòng)，但具體的推導(dǎo)暫時(shí)做不到。

教師引導(dǎo)：這組同學(xué)結(jié)合圖片信息，有了對(duì)橢圓運(yùn)動(dòng)分解的思路，但是由于數(shù)學(xué)問題比較復(fù)雜，暫時(shí)無法證明，那我們不妨反證一下他們的結(jié)論。

所以+=1，這就是圖中橢圓對(duì)應(yīng)的方程。剛才那組同學(xué)對(duì)橢圓運(yùn)動(dòng)分解的思路是正確的。

學(xué)生總結(jié)：橢圓運(yùn)動(dòng)也是相互垂直的兩個(gè)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的疊加，只是這兩個(gè)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的位移最大值不同。

教師引導(dǎo)：在剛才的兩個(gè)實(shí)例分析中我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)x、y兩個(gè)方向上的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的相位差為時(shí)，振幅相等時(shí)合運(yùn)動(dòng)為圓周運(yùn)動(dòng)，振幅不等時(shí)合運(yùn)動(dòng)為橢圓運(yùn)動(dòng)。其實(shí)兩個(gè)相互垂直方向的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的疊加結(jié)果還有很多可能，比如我們可以將兩個(gè)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的相位差調(diào)整為、等其他值；將兩個(gè)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的振幅和頻率調(diào)整為其他不等的值，它們的合運(yùn)動(dòng)會(huì)是什么樣的呢？下面請(qǐng)同學(xué)們應(yīng)用電腦桌面上的動(dòng)畫小程序（如圖7），改變左上角的參數(shù)，自己進(jìn)行觀察探索。

2.2教學(xué)反思

在這個(gè)環(huán)節(jié)的教學(xué)中，通過動(dòng)畫程序的探索學(xué)習(xí)，化抽象為具體，讓學(xué)生模糊的想象變?yōu)榍逦梢姷漠嬅?，學(xué)生對(duì)自己的探索結(jié)果表現(xiàn)出了“驚奇”和“想要繼續(xù)研究“的熱情。通過將按兩個(gè)相互垂直的方向分解圓周運(yùn)動(dòng)、橢圓運(yùn)動(dòng)的良構(gòu)問題，提升至研究一般振動(dòng)的思維方式探討這一劣構(gòu)問題，問題的品質(zhì)和學(xué)生的思維品質(zhì)都得到了有效提升。通過從個(gè)別運(yùn)動(dòng)模式到簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)是振動(dòng)的基本因子這一一般性規(guī)律的“深”的學(xué)習(xí)，到將這一規(guī)律應(yīng)用到對(duì)生活中一般物體的振動(dòng)分析中的“遠(yuǎn)”的應(yīng)用，在由“深”至“遠(yuǎn)”的學(xué)習(xí)中學(xué)生的歸納演繹思維都得到了有效提升，也體會(huì)到了物理學(xué)的簡(jiǎn)約之美。

總之，高中物理知識(shí)的多元化、物理模型的多變性，給教師提供了很多可以挖掘的深度學(xué)習(xí)素材。物理課堂教學(xué)中若能結(jié)合這些素材巧妙設(shè)置情景幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，引導(dǎo)學(xué)生探索問題，進(jìn)而解析問題，形成問題意識(shí)，加強(qiáng)“學(xué)用合一”“知行結(jié)合”，就能有效實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。從教學(xué)實(shí)踐來看，高中物理教學(xué)課堂中有情景活動(dòng)的“趣”、有實(shí)驗(yàn)探究的“真”、有理論探究的“嚴(yán)”、有學(xué)以致用的“活”。如果在這些有效環(huán)節(jié)中結(jié)合科學(xué)思維方法，滲入探究“美”的元素，不僅能在情感角度上激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，更是在科學(xué)思維、物理觀念的角度改變著學(xué)生觀察世界的方式，讓學(xué)生處處領(lǐng)略物理學(xué)的思維之美、探究之美、簡(jiǎn)約之美。

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