论深度学习是初中物理教学的“刚需”和应然

曾淑煌 肖永琴

（1.福州教育学院附属中学，福建 福州 350001；2.福州教育研究院，福建 福州 350001）

近年来，以5G 为基础的人工智能、大数据、区块链、云计算、移动互联网、物联网等一系列新技术，人类的许多常规性思维活动，如记忆、复述，甚至一些基于逻辑推理的分析与判断，人工智能已经完全胜任。因此，人类思维重心位置高移已在所难免，浅层学习已不适应时代的要求，深度学习正是培养高阶思维和能力的摇篮，是培育核心素养的基本途径。2018 年9月召开的全国教育大会，提出立德树人的培养目标，教育过程实施“五育并举”，发展学生核心素养，国家使命使深度学习成了基础教育的“刚需”。

一、物理学科核心素养培育的导向，使深度学习成为初中物理教学的应然

（一）学科核心素养培育为导向的课程目标要求

《普通高中物理课程标准（2017 年版）》，以“学科核心素养”培育为导向的“课程目标”，取代了原来的“三维目标”，在概念界定、意义、结构与内涵上，都形成了对人工智能时代人才五种必备高阶思维能力［1］的紧密对接（图1）。这是国家面对新一轮技术革命浪潮的冲击，为中学物理教学领域做好的顶层设计。

图1 物理学科核心素养与现代职业人现代化智能结构的关联

因此，我们探索“深度学习”的实践，并不仅仅是对一种教学方法的学术性探讨，而是基础教育对当下社会需求出现重大变化的一种主动与积极的反应，这不是赶时髦的“应景”，而是加快发展新产业亟需的高素质人才培养的“应急”举措。

（二）物理学科核心素养的内涵要求对于“深度学习”的依赖

“学科核心素养”源于学科知识又超然于学科知识，它形成后能够脱离学科而单独存在，即使学科知识记忆残缺甚至消失后仍然能够保留下来，最终成为一种跨学科甚至超学科的思维智慧。从这个意义上说，“物理观念”已经不再只是浮在记忆表层的物理现象、名词、定律等，“物理思维”也不只是应用物理概念与定律解答物理习题的思考过程，而是固化于习得者心灵深处的理解方式与思维存在。例如，看到道路上行驶的车辆，人们就明白它们与太空中的星星，无论是能量转换还是受力系统，都遵循着同样的科学规律；我们谈论两个城市之间距离时，潜意识中总是将两个偌大的城市默认成两个“点”；站在潮涨潮落的海滩上，我们知道，人类尽管与潮水是完全不同的存在，但一样都受到万有引力的作用。

物理学科核心素养是一种完全开放的思维系统，它在学习过程中，能够自动地与中学其他学科的核心素养相互叠加、相互融合、相互强化，在学习过程中，能够奠定下学生应对人工智能时代各种新技术的能力基础。显然，传统的以知识记忆、机械性重复训练为特征的“浅层次”学习，或者说，“应试式”的教与学，无法让大多数学生获得科学思维能力的真正提升，深度学习是中学物理教学价值有效的“变现”路径。

二、形成新认知，提升初中物理深度学习的推进自觉

（一）“初高一体，以高领初”的新认知

初高中物理教学的台阶大，是不可否认的事实，本身这两学段的能力要求差异就较大。当下全国高中阶段毛入学率已达到89.5%，高中教育趋向普及，而初高中是基础教育人才培养的上下游关系，夯实义务教育学段的知识能力基础，才能提升教育全局质量。因此，初中教育不能只把培养视野局限于本学段内部，应当建立初高中一体化的培养思维。那么，如何让学生在初中形成必备的物理能力和素养，较好地实现高初中教学的衔接，为高中学习打下良好的基础，是初中物理教师必须研究的课题。

《义务教育物理课程标准（2011 年版）》虽未提出“学科核心素养”概念，但是我们看其课程目标的要求：通过“知识与技能”的学习，“过程与方法”的体验，“情感态度价值观”的培养，让学生“养成良好的思维习惯，在分析问题与解决问题时尝试运用科学知识与科学研究方法”；“具有初步的科学探究能力，……有运用研究方法的意识”；“能独立思考、敢于质疑、尊重事实、勇于创新”；“具有环境保护与可持续发展的意识，树立正确的世界观，有振兴中华，将科学服务于人类的使命感与责任感”。这些描述，实际上就是一种“基于学科，但又超越了学科”的核心素养，而且是核心素养中最为基本也最为精粹的内核。

应当看到，物理学科核心素养的培育，实际上是启动于义务教育，完成于高中的一个完整过程。所以，在深度学习的目标定位上，需要初高中一体化，以高中牵引义务教育，而在具体行动的阶段化设计与实施中，则以初中对接高中，以初中促进高中，良性互动，提高站位，加深理解，形成“深度学习”的真实践。

（二）初中学段的主要着力方向

在初高中一体化培育体系中，初中物理主要着力方向有以下三方面。

1.养成持续的科学兴趣。部分学生对于物理学科的“恐惧感”甚至于“厌学”情绪，主要来源于不当的教学策略，如教师错把学生当成“零起点”的“知识容器”，无视学生“是带着日常经验和在其他情境中获得的先前知识、信念等走进教室的”［2］，前期不注意定位学生已知与未知的“最近发展区”，不设法寻找学生可能的认知障碍，事先不做足“功课”，在课堂上一味按照自己先前设计的“脚本”单向灌输知识，教师的“叙述线”与学生的“认知线”始终不能同频共振，抑制了学生的求知欲望。“深度学习”的理念正是对症下药，教师引导学生自主地把日常生活情境中形成的“前概念”与当下的知识学习进行整合，促进学生的旧知领悟升华，建构新知，从而掌握物理核心知识。“深度学习”的课堂，就是依靠一系列的具有积极意义的学生活动，让他们能够获得亲历亲为的成就，从而铲除了让其生成“恐惧”与“厌学”的土壤。

2.培养基本的科学思维。科学的思维方法是人们思考问题、认识问题的方法，包括比较和归类、分析和综合、抽象和概括、演绎和归纳、合理想象和创造性思维等。高中物理的“科学思维”素养的培育，以模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新这四个要素为切入点，初中有足够的材料引导学生打开思路打下基础。例如，物理模型在高中有点状的质点和电荷、线状的电流、立体的电场磁场等，初中有光线、磁感线等，其中磁感线模型为高中磁场模型建构奠定了基础；初中的真空不能传声、伽利略理想实验，以至牛顿第一定律的得出，让学生领会了科学推理的方法；欧姆定律等多个探究实验，提供了基于证据的推理、科学论证的基础等。其次，老师需要经常让学生关注现象后面的本质、过程后面的方法、数据后面的规律、生活后面的科学、概念后面的推理、结论后面的论证、行动后面的反思、事实后面的判断。最后，让学生形成意识自觉，即当自己日常的学习行为可以用诸如判断、解释、分析、概括、交流、反思、运用等动词来描述时，自己的思维正在操作进行时。

3.夯实科学探究基本功。科学探究是学生能力生成的必由之路，是未来职业的“模拟预演”，也是高阶思维培养的摇篮。初中课标提出科学探究的七要素：提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与搜集数据、分析与论证、评估、交流与合作，高中课标与之对应的是“问题、证据、解释、交流”四个要素，都有相应的能力要求。因此在初中物理课堂上，教师要善于引导学生，运用科学方法，一次又一次的体验、感悟，形成对学生科学探究实践规范操作的正面强化，直至领悟，最终形成“自动化”习惯，为学生留下受益终生的探究意识、探究能力和良好的思维品质。

（三）融合多种学习方式于物理教学中

STAM 教育引进我国基础教育领域之后，作为跨学科综合教育的有效形态，STEM 元素目前已经进入到我国国家课程标准之内，包括《普通高中物理课程标准（2017 年版）》。STEM 教育是包含科学、技术、工程、数学多学科的综合教育，它“以整合的教学方式培养学生掌握知识和技能，并能进行灵活迁移应用解决真实世界的问题。融合的STEM 教育具备新的核心特征：跨学科、趣味性、体验性、情境性、协作性、设计性、艺术性、实证性和技术增强性等。”［3］显然，STEM 教育与深度学习之间，存在着天然的相互依存关系。

初中物理教学推进“深度学习”，要像STEM 教育那样，设计“真实情境的沉浸，激发深度学习”，注重“跨学科知识的融合，促进深度学习”，提供“项目式学习，支持深度学习”，促进“评价迁移，达成深度学习。”［4］鉴于初中学生的心理与认知特点，在这些活动中，我们可以突出趣味性、体验性、情境性、艺术性。

三、践行深度学习，使思维型教学成为常态

学习的本质就是要重塑大脑结构和思维模式。不论学生发展核心素养还是学科核心素养，最核心的都是思维。［5］学物理，关键在学习物理思维。在物理教学实施深度学习，教师须以知识为载体，启发引导学生，从知识的建构过程中体验科学方法，从知识的体系脉络中领悟科学本质，从知识的应用中感受科学价值，大师思维与工匠精神兼收并蓄，让学生获得全面和长远发展。

（一）认识知识体系的建构逻辑，确定单元教学目标

以沪科版八年级《第七章力和运动》为例，本章包括牛顿第一定律、力的合成与力的平衡三节内容。在《小学科学课程标准（2017 年版）》中，就已要求通过观察和实验，感知常见的力，了解力对物体形状和运动状态的改变。八年级的学生在进一步学习了力、运动的基本概念后，进入了“力与运动的关系”这一核心知识领域。《义务教育物理课程标准（2011 年版）》虽要求“知道二力平衡的条件”“通过实验，认识牛顿第一定律”，使用的描述课程目标的行为动词“知道”与“认识”似乎要求不高。但是，这却是力学大厦中的一块奠基石，也是高中物理直接对应知识的进阶踏脚石。课标要求对不同学段是螺旋式上升，图2 是两个学段的知识关联。

图2 初高中两学段的知识对应

鉴于知识在体系中的核心地位，《普通高中物理课程标准（2017 年版）》中关于这一部分的学习要求是比较高的：“通过实验，了解力的合成与分解，……，能用共点力的平衡条件分析生产生活中的问题。”“通过实验，探究物体运动的加速度与物体受力、物体质量的关系。理解牛顿运动定律，能用牛顿运动定律解释生产生活中的有关现象、解决有关问题。”学生要达成标准设定的“分析”“探究”“理解”“解释”“解决”的高认知水平，需要较高的知识内化能力。也正如此，《义务教育物理课程标准（2011 年版）》要求能够“用物体的惯性解释自然界与生活中的有关现象”，能够“解释”其实已属于认知性目标中的“理解”层次，意在推进深度理解，为高中学习做好坚实的知识与能力铺垫。

因此，教师应针对不同学段课标的要求和学生的学情，进行单元教学设计，先确定单元教学的目标，再细化落实到每课时的教学目标。

（二）提供学习支架，把握知识教学的“度”

针对初高中物理的课标要求和两学段教学的衔接需求，教师需要给学生提供学习的支架，包括方法和工具，同时注意把握知识和能力要求的“度”。如：

1.深化“力是物体间的相互作用”认知，适当回顾《第六章熟悉而陌生的力》中的几种力而正向强化相关概念，为此后的物体受力分析、受力与物体运动状态之间量化关系分析建立思路。

2.经历动手探究阻力对运动的影响，深刻理解伽利略理想实验的构思创意与牛顿第一定律的科学推理，为牛顿第二定律的实验验证，以及解释现象解决问题搭建意境。

3.悟透二力平衡的原理，通过回溯、联想和迁移，为高中解决共点力平衡问题提供入门工具。

4.尤其要注意引导学生建立结构化知识的意识，整合自己大量的“前知识”，自主自觉融入新知识体系中，在不同阶段思维进阶，并应用所学解决实际问题。

（三）深度学习课堂教学探索实例

下面以第七章第三节《力的平衡》教学为例（福州教育研究院肖永琴主设计、福州教育学院附中赖晓嵋执教），来说明我们的实践探索。

1.创设玩一样的情境，以问驱动

创设“玩”一样的教学情境，激发学生学习的内在动机，促进积极思维，以“玩”推动学生主动学习。课前，教师布置了动手实践作业：两个矿泉水瓶内装质量不等的水，用绳系在小车上（如图3），小车就会动起来。如何通过增减水量实现让运动的小车停下来呢？上课时，将学生提出的解决方案作为引入，如有的学生是使两边瓶子里的水质量相等，这样绳子对小车左右两边的拉力相等。

图3

（2）设计认知冲突促进思考，建构知识

通过引导学生对小车进行受力分析，说明在一定条件下，物体即使在受到外力作用的时候也能保持静止状态或匀速直线运动状态。然后回顾牛顿第一定律，似乎这与一切物体在没有受到外力作用的时候，总保持匀速直线运动状态或静止状态有矛盾。由此引发了学生的认知冲突和深入思考。

图4

通过对平衡状态的认知，教师进一步引导学生通过实验设计，改变物体受到的两个力的三要素，探究需要什么样的条件才能满足二力平衡。利用如图4 所示装置，让学生学会应用控制变量等研究方法进行实验，并基于证据进行思考，进而总结出“二力平衡必须满足两个力大小相等、方向相反，作用在同一直线上的条件”的结论，同时强调表达观点的时候要有依据。

课后对此实验教具又做了进一步的改进，如图5所示。改进后的装置除了可以探究在水平线上的二力平衡外，还可利用电路演示板的小孔快速、方便地将两滑轮安装在不同的高低差位置，实现了对不同方向的同一直线二力平衡问题的深入探究（图6、7），板上画的不同颜色的虚、实线便于学生对二力方向和钩码所处位置的观察，使他们对二力平衡条件的理解更加深刻。

图5

图6

图7

3.利用学生自主创新实验，提升思维的品质

探究实验结束后，教师播放一学生自主创新实验的过程视频，他给瓶中注入不同量的水时，桌面上的小车交替呈现“变速运动”“匀速运动”“静止”等状态，最后学生惊奇地发现“在两个矿泉水瓶内注入质量不等的水，小车也能停下来（图8、9）”。这与大部分学生的所想不同，究竟是怎么回事？实验把学生引入了摩擦力作用的情境，引发学生对系统的全局思考。进一步分析绳子除了受到矿泉水瓶对它的拉力外，还受到摩擦力，引导学生从力的作用效果出发对问题简化，先将同一方向的二力合成，然后再比较合成后不同方向的新二力，当整个系统受到的合力为0 时，小车就处于静止状态，进而教师提出对实验进一步改进和优化，培养学生深入寻找与分析隐性因素的能力，也为高中的共点力的平衡打下了良好的基础。学生通过分析和综合，由具体问题走向了系统思考，提升了思维的深刻性和全面性，同时也培养了创新意识、审辩思维和创新思维，提升了解决问题的能力。

图8

图9

4.溯源和联想，实现应用迁移

在真实的情境中解决复杂问题时核心素养才能表现出来，因此应用迁移有两个方面：

一是将所学的知识与方法应用迁移到实际情境中去，应用迁移到其他领域，解决实际问题［5］。如在这个环节，教师引导学生回溯第六章第四节“探究物重与物体质量的关系”和第五节“探究摩擦力大小的影响因素”两实验，分析其原理，说明二力平衡条件的应用，再通过起重机吊货物的工程应用的不同情况（静止、匀速、变速等）进行受力分析，进一步理解力与运动的关系，区分平衡力与相互作用力，解决实际问题。

二是将学习过程中形成的科学态度、科学精神以及一些行为规范和价值观，以不同形式迁移到日常生活中，实现能力、态度和方法的迁移。如，我们以击破“NASA立扫把挑战”所言“唯一一天可以让扫把独自站立的日子”出发，以实验说明只要找准重心，利用二力平衡条件，每天都可以把扫把立起来，不仅可以立扫把，也可以立剪刀、椅子、石头，还可以立人……等等，培养学生对事物的认识和判断要养成基于证据的习惯，不随意听信谣言，掌握了平衡，可以创造和谐之美。同时以福建东山的风动石、央视节目《挑战不可能》的“测绘工程师在4米高的悬空画框上立约2000N的摩托车”为例，来说明自然界与人创造的“平衡的力量”。

5.画龙点睛之悟理，以情致知，以文化人

课的尾声，教师展示68 岁的汪留成老人叠加32根木条图片，说明人可以活到老、学到老、做到老，形成终身学习的意识。最后让学生欣赏一小段《平衡之美》视频［6］，当表演者小心翼翼搭建出一个棕榈枝“棚”，并用最后一根枝条撑起棕榈枝“棚”，整个结构稳稳地矗立在舞台上，羽毛也始终轻盈地“躺”在第一根枝条末梢，观众屏住了呼吸，惊叹不已，平衡之美显出神奇的力量。可是，当表演者轻轻地抽走那羽毛（图10），整个棕榈枝“棚”瞬间崩塌。这段视频生动地说明了物理学平衡系统的生成与解体，同时教师借此引导学生“悟理”，其实每个人都有如那根羽毛，虽很轻、很小，但潜能很大，且都是社会的一分子，每个人做好自己就是对社会的一大贡献，否则“一旦雪崩来临，每个人都逃脱不了，都是罪恶的推手”。人生平衡、生态平衡莫不如此。这样，在视觉和认知上都达成了“触及学生心灵”的效果，将科学教育与人文教育有机地融合一体，实现深度学习最终是培养人的目标。

图10

课后的实践作业，再次将科学探究和实践与我国民俗文化结合起来。结合随后到来的春分节气，让学生完成实践作业：“春分竖蛋”的民俗起源于4000 年前的中国，人们以此来庆贺春天的到来。请你也动手试试。怎么立蛋容易成功？知道其中的原理吗？是生鸡蛋容易立起来还是熟鸡蛋容易立起来？或者再尝试一下你还能把什么东西立起来。

作为深度学习的积极实践者，我们深刻认识到“以学生为中心”核心的意义是以学生的“发展”为中心。这就是说，课堂上的学生活动必须能够引导学生进入“获得发展的有意义的学习过程”“在这个过程中，学生掌握学科的核心知识，理解学习的过程，把握学科的本质及思想方法，形成积极的内在学习动机、高级的社会情感、积极的态度、正确的价值观”［2］。可以确定的一点是，“动手”“思维”“思考”是把物理学习引向深度的关键，因此，认识需要深化梳理，实践需要主动推进，感悟需要精细总结，行稳致远，方可让“深度学习”成为教学常态。