深度學(xué)習(xí)視角下“物理模型”的教學(xué)實(shí)踐

［摘 要］“物理模型”教學(xué)是中學(xué)物理教學(xué)的一個(gè)重要內(nèi)容，其目的在于提高學(xué)生的分析推理能力和模型建構(gòu)能力。在深度學(xué)習(xí)的視角下，“物理模型”教學(xué)可以圍繞五個(gè)核心要素展開，即主動(dòng)性學(xué)習(xí)、目標(biāo)化導(dǎo)向、深度性學(xué)習(xí)、批判性思維以及應(yīng)用性評(píng)價(jià)。文章以“板塊模型的臨界問題”為例，結(jié)合這五個(gè)核心要素，探討在深度學(xué)習(xí)視角下如何進(jìn)行“物理模型”的教學(xué)實(shí)踐。

［關(guān)鍵詞］深度學(xué)習(xí)；物理模型；教學(xué)實(shí)踐；板塊模型；臨界問題

［中圖分類號(hào)］ G633.7 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-6058（2024）26-0048-04

在物理學(xué)中，通常會(huì)將實(shí)際的研究對(duì)象或物理過程提煉為“物理模型”。通過分析“物理模型”中的物理量及其相互關(guān)系，不僅有助于學(xué)生加深對(duì)物理基本概念的理解，還能培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，并讓他們深刻體會(huì)物理學(xué)科的基本思想，從而促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的發(fā)生。

然而，在常規(guī)的教學(xué)實(shí)踐中，教師容易就題論題，忽視對(duì)學(xué)生知識(shí)遷移與應(yīng)用能力的培養(yǎng)，且對(duì)學(xué)生的知識(shí)建構(gòu)過程缺乏有效的引導(dǎo)，導(dǎo)致學(xué)生缺乏對(duì)關(guān)鍵問題的批判性思考，進(jìn)而使得學(xué)生的關(guān)鍵能力得不到有效提升。因此，在深度學(xué)習(xí)的視角下，開展“物理模型”教學(xué)的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

一、深度學(xué)習(xí)視角下的“物理模型”教學(xué)

“深度學(xué)習(xí)”是一種以提升學(xué)生高階思維能力為目標(biāo)的教學(xué)方法，它旨在引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮主觀能動(dòng)性，結(jié)合已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)與探究。這種教學(xué)方法鼓勵(lì)學(xué)生將知識(shí)遷移到新的物理情境中，以解決問題。在深度學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生會(huì)對(duì)問題進(jìn)行深度思考，并運(yùn)用批判性思維去反思“物理模型”與實(shí)際問題之間的沖突與差異。通過深度學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠體會(huì)物理學(xué)科的基本思想，挖掘所學(xué)知識(shí)所蘊(yùn)含的意義，進(jìn)而提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

如果能夠遵循深度學(xué)習(xí)的原則來開展“物理模型”教學(xué)，那么可以將知識(shí)的應(yīng)用具象化，從而加深學(xué)生對(duì)物理觀念的理解；可以將知識(shí)的內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)建構(gòu)能力；可以將知識(shí)的關(guān)聯(lián)體系化，有效提高學(xué)生的知識(shí)遷移水平；可以將知識(shí)的發(fā)展思維化，充分發(fā)揮物理學(xué)科的育人功能。

二、深度學(xué)習(xí)視角下“物理模型”教學(xué)的五個(gè)核心要素

深度學(xué)習(xí)的視角下，“物理模型”教學(xué)的五個(gè)核心要素為主動(dòng)性學(xué)習(xí)、目標(biāo)化導(dǎo)向、深度性學(xué)習(xí)、批判性思維以及應(yīng)用性評(píng)價(jià)（如圖1）。

下面以“板塊模型的臨界問題”為例進(jìn)行說明。通過情境化的引入，激發(fā)課堂活力，提高學(xué)生對(duì)“板塊模型的臨界問題”的學(xué)習(xí)興趣，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)生的“主動(dòng)性學(xué)習(xí)”。采用探究式教學(xué)策略，引導(dǎo)學(xué)生深入思考，并從動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度進(jìn)行分析，最終掌握板塊模型的臨界分析方法，在此過程中以“目標(biāo)化導(dǎo)向”代替單一的問題分析，使學(xué)生能夠更加明確學(xué)習(xí)目標(biāo)。針對(duì)板塊模型，設(shè)計(jì)遞進(jìn)式問題，通過不同的例題和變式題，引導(dǎo)學(xué)生從“地面光滑”到“地面粗糙”，從“拉力作用在長木板上”到“拉力作用在小木塊上”逐步進(jìn)行探究，幫助學(xué)生突破難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)“深度性學(xué)習(xí)”。在例題的設(shè)計(jì)中，通過調(diào)整動(dòng)摩擦因數(shù)的大小，展示兩種不同運(yùn)動(dòng)的差異，為學(xué)生創(chuàng)造明確的沖突式體驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的“批判性思維”。將“物理模型”應(yīng)用到實(shí)際生活中，鼓勵(lì)學(xué)生嘗試解決實(shí)際問題，讓學(xué)生自主參與“應(yīng)用性評(píng)價(jià)”。

三、深度學(xué)習(xí)視角下的“物理模型”教學(xué)實(shí)踐——以“板塊模型的臨界問題”為例

結(jié)合深度學(xué)習(xí)和上述五個(gè)核心要素，“板塊模型的臨界問題”的教學(xué)流程設(shè)計(jì)如圖2所示。

（一）情境化引入激發(fā)“主動(dòng)性學(xué)習(xí)”

教師先通過創(chuàng)設(shè)生活情境，讓學(xué)生直觀感受到物體在不同拉力下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化，隨后組織學(xué)生討論：在實(shí)際生活中，有哪些物體是疊放在一起的？當(dāng)這些物體受到不同的推力作用時(shí)，它們會(huì)呈現(xiàn)什么樣的狀態(tài)？引導(dǎo)學(xué)生從生活中提煉出板塊模型的概念。最后，教師創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生思考板塊模型的特點(diǎn)，以及在不同外力作用下板塊模型展現(xiàn)出的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。

1.從生活情境中提煉“物理模型”

【新課引入】

教師以運(yùn)動(dòng)會(huì)期間搬運(yùn)物資（如圖3）為背景，提前錄制了一段視頻。視頻內(nèi)容真實(shí)還原了運(yùn)動(dòng)會(huì)中推箱子的過程，旨在引導(dǎo)學(xué)生觀察：力[F]較小、[F]大小適中以及[F]較大這三種情況下，兩個(gè)箱子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分別有何不同。

設(shè)計(jì)意圖：創(chuàng)設(shè)生活情境，讓學(xué)生觀察實(shí)際生活中推箱子的過程，引導(dǎo)學(xué)生復(fù)述所觀察到的現(xiàn)象并總結(jié)規(guī)律，從而使學(xué)生感受到物理與生活的緊密聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為課堂注入更多的活力。

【動(dòng)手實(shí)驗(yàn)】

利用事先準(zhǔn)備好的長木板、小木塊和彈簧測力計(jì)模擬推箱子過程。具體做法是，將小木塊放在長木板上，然后用彈簧測力計(jì)拉動(dòng)長木板，以此讓學(xué)生感受在不同拉力作用下，長木板和小木塊各自的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生利用長木板和小木塊，親自體驗(yàn)推箱子的過程；通過實(shí)際操作，讓學(xué)生身臨其境地感受在不同拉力的作用下長木板和小木塊的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化。這樣將生活情境中的問題抽象化，用長木板和小木塊來模擬，實(shí)現(xiàn)了“從生活走向物理”。

2.創(chuàng)設(shè)問題情境引導(dǎo)學(xué)生思考

【問題情境】

問題1：小木塊和長木板受到哪些力？

問題2：小木塊和長木板產(chǎn)生加速度的動(dòng)力來源是什么？

問題3：長木板和地面之間是否要存在摩擦力？

問題4：小木塊和長木板之間的摩擦力的類型和方向如何？

問題5：不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，小木塊和長木板的加速度關(guān)系如何？

問題6：如何分析不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下物體所受到的臨界拉力？

問題7：不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的臨界拉力應(yīng)如何計(jì)算？

問題8：當(dāng)外力作用在長木板和小木塊上時(shí)，分析方法有何不同？

設(shè)計(jì)意圖：創(chuàng)設(shè)富有啟發(fā)性的問題情境來激發(fā)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)提高學(xué)生探索物理知識(shí)的熱情。通過層層設(shè)疑，引導(dǎo)學(xué)生逐步深入思考，特別是關(guān)于板塊模型的臨界問題，從而進(jìn)入深度學(xué)習(xí)的狀態(tài)。

（二）探究式教學(xué)突出“目標(biāo)化導(dǎo)向”

本環(huán)節(jié)將討論板塊模型的臨界問題，深入分析在不同拉力的作用下物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并算出不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的臨界拉力大小。以此為教學(xué)目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生探究影響臨界拉力的因素。

【實(shí)驗(yàn)前分析】

存在兩個(gè)關(guān)鍵的臨界拉力：一是恰好使物體開始運(yùn)動(dòng)的臨界拉力[F1]，二是恰好使物體間開始相對(duì)滑動(dòng)的臨界拉力[F2]。本次探究是找到影響這兩個(gè)臨界拉力的因素。

【探究實(shí)驗(yàn)】

猜想：兩個(gè)臨界拉力可能與接觸面的粗糙程度、小木塊的質(zhì)量、長木板的質(zhì)量有關(guān)。

驗(yàn)證：采用控制變量法，分別驗(yàn)證接觸面的粗糙程度、小木塊的質(zhì)量以及長木板的質(zhì)量對(duì)臨界拉力大小的影響。

設(shè)計(jì)意圖：通過探究式教學(xué)，讓學(xué)生親身體驗(yàn)物理過程，強(qiáng)化他們的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，讓他們能夠在探究過程中找到臨界拉力的影響因素。通過探究式學(xué)習(xí)，有效啟發(fā)學(xué)生思考，為學(xué)生的知識(shí)建構(gòu)打好基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生迅速進(jìn)入深度學(xué)習(xí)狀態(tài)。

（三）遞進(jìn)式問題促進(jìn)“深度性學(xué)習(xí)”

【遞進(jìn)式問題】

［例題］如圖4所示，質(zhì)量為[m=1 kg]的木塊[A]和質(zhì)量為[M=4 kg]的木板[B]，靜止疊放在光滑的水平地面上，已知[A]與[B]之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為[μAB=0.3]，最大靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力相等，[g=10 m/s2]。現(xiàn)將外力[F]作用在長木板[B]的右端，求：（1）當(dāng)[F=8 N]時(shí)，[A]、[B]的加速度大??；（2）當(dāng)[F=24 N]時(shí)，[A]、[B]的加速度大小。

［變式1］若將例題中的“外力[F]作用在長木板[B]的右端”改為“外力[F]作用在木塊[A]的右端”，其他條件不變，問：加速度的大小為多少？

［變式2］若將例題中的“靜止疊放在光滑的水平地面上”改為“木板[B]與地面之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為[μB地=0.1]”，其他條件不變，問：加速度的大小為多少？

［變式3］若將例題中的“外力[F]作用在長木板[B]的右端”改為“外力[F]作用在木塊[A]的右端”，靜止疊放在“光滑的水平地面上”改為“木板[B]與地面之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為[μB地=0.1]”，其他條件不變，問：加速度的大小為多少？

設(shè)計(jì)意圖：通過遞進(jìn)式問題，逐步增加難度。例題呈現(xiàn)的是在光滑水平面上、外力作用在長木板上的板塊模型，只需考慮小木塊與長木板之間的摩擦力，并分析使小木塊和長木板恰好開始相對(duì)滑動(dòng)的臨界拉力。變式1改變了作用對(duì)象，外力作用于小木塊上而模型仍置于光滑水平面上。此變式的目的是引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)選擇合適的研究對(duì)象。變式2將模型置于粗糙水平面上，并且外力仍然作用在長木板，此時(shí)不僅要考慮小木塊與長木板之間的摩擦力，還要討論地面與長木板之間的摩擦力。這種情況下存在兩個(gè)不同的臨界拉力：一是使系統(tǒng)恰好開始運(yùn)動(dòng)的臨界拉力，二是使系統(tǒng)恰好開始相對(duì)滑動(dòng)的臨界拉力。變式3同樣是在粗糙水平面上進(jìn)行，但外力作用于小木塊上，除了存在與變式2相似的臨界拉力，還需單獨(dú)討論長木板在給定條件下能否運(yùn)動(dòng)的問題。通過四個(gè)問題的設(shè)置，教學(xué)內(nèi)容層層遞進(jìn)，促使學(xué)生對(duì)板塊模型的臨界問題進(jìn)行更加深入的思考，從而提升學(xué)生的綜合分析能力。

（四）沖突式體驗(yàn)培養(yǎng)“批判性思維”

【沖突式體驗(yàn)】

學(xué)生在對(duì)變式3進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，容易認(rèn)為長木板的加速度是由兩個(gè)力的合力產(chǎn)生的，這兩個(gè)力分別是小木塊對(duì)長木板的摩擦力和地面對(duì)長木板的摩擦力。在變式2中，當(dāng)外力[F]足夠大時(shí)，長木板會(huì)開始運(yùn)動(dòng)，但在變式3中，情況有所不同。如果小木塊對(duì)長木板的滑動(dòng)摩擦力小于地面對(duì)長木板的最大靜摩擦力，那么無論外力[F]有多大，長木板將保持靜止，這與變式2的分析存在沖突。

設(shè)計(jì)意圖：通過引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，促使學(xué)生迅速聚焦于關(guān)鍵問題，進(jìn)而在解構(gòu)過程中深入思考沖突產(chǎn)生的原因，從而培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維。

（五）生活化應(yīng)用實(shí)現(xiàn)“應(yīng)用性評(píng)價(jià)”

【生活化應(yīng)用】

在學(xué)習(xí)完板塊模型的臨界問題的基本分析方法后，給學(xué)生布置兩項(xiàng)作業(yè)：一是分析“新課引入”環(huán)節(jié)所提及的推箱子問題，二是從實(shí)際生活中尋找一個(gè)板塊模型的實(shí)例，通過實(shí)地測量相關(guān)物理量，來計(jì)算對(duì)應(yīng)的臨界拉力值。

設(shè)計(jì)意圖：在“物理模型”的課堂評(píng)價(jià)中結(jié)合生活情境，檢驗(yàn)學(xué)生分析情境中關(guān)鍵物理量的能力以及解釋相關(guān)物理現(xiàn)象的能力。采用生活化應(yīng)用作為學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)的方式，不僅可以有效反饋學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，還能增強(qiáng)學(xué)生的信息整合意識(shí)，促使學(xué)生“從物理走向生活”，為深度學(xué)習(xí)提供積極的正面激勵(lì)。

本節(jié)課以“情境化引入”、“探究式教學(xué)”、“遞進(jìn)式問題”、“沖突式體驗(yàn)”和“生活化應(yīng)用”為教學(xué)主線，深入探討了板塊模型在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的臨界問題。通過將深度學(xué)習(xí)視角下的“物理模型”教學(xué)的五個(gè)核心要素有機(jī)融入這些教學(xué)環(huán)節(jié)，本節(jié)課在激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、明確學(xué)習(xí)目標(biāo)、提升問題難度、培養(yǎng)批判性思維以及實(shí)施有效的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)等方面取得了顯著成效。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2] 葉嘉妮.物理學(xué)科核心素養(yǎng)導(dǎo)向的深度學(xué)習(xí)教學(xué)研究：以“勢能”教學(xué)為例[J].中學(xué)物理，2023（8）：18-21.

[3] 陸茵.高中物理習(xí)題教學(xué)中滲透科學(xué)思維方法培養(yǎng)的實(shí)踐研究[D].南京：南京師范大學(xué)，2011.

[4] 任虎虎.基于深度學(xué)習(xí)的中學(xué)物理教學(xué)改進(jìn)研究[J].中小學(xué)教材教學(xué)，2021（12）：51-55.

（責(zé)任編輯 黃春香）