基于深度学习的高中物理习题教学研究

李青 徐平川 李勇强 赵丽雪

摘   要：文章以学生出错率较高的一道滑块-木板模型的习题为例，提出了基于深度学习的课堂习题教学策略，以促进学生高阶思维发展的理解性学习，发展学生的物理学科核心素养。

关键词：滑块-木板模型;习题教学;深度学习

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）6-0007-5

1    引  言

随着《普通高中物理课程标准（2017年版）》的制定与实施，“促进学生物理学科核心素养的养成与发展”成为新一轮的课程目标。深度学习作为一种高度沉浸、持续深化、不断扩展延伸的学习方式，一种在教师的引领下，学生围绕具有挑战性的问题，全身心参与、体验成功、获得发展的学习过程[1]，以其注重批判理解、强调内容整合、促进知识建构、着意迁移运用等特征[2]，成为培养学生核心素养发展的有效教学手段。本文以滑块-木板的习题教学为例，提供了让深度学习在习题课教学中真实发生的教学案例。

2    问题的提出

在学习牛顿第二定律的应用时，有一道关于滑块-木板模型的选择题，学生出错率高达83.7%[3]，习题内容如下：

如图1（甲）所示，质量为M的足够长木板静止在光滑水平面上，其上放一质量为m的滑块，t=0时刻起，给滑块施加一水平恒力F，分别用aM、am和vM、vm表示木板、滑块的加速度和速度大小，图1（乙）中这两个量分别可能符合运动情况的是（    ）

根据运动和力的关系，如果已知物体的受力情况，可以由牛顿第二定律求出物体的加速度，再通过运动学的规律确定物体的运动情况。其难点在于以下三个判断：（1）判断滑块与木板之间的摩擦力为静摩擦力还是滑动摩擦力;（2）大小不同的力F作用时，判断滑块和木板的运动状态;（3）判断滑块和木板之间是否发生相对滑动。

3    基于深度学习的习题教学策略

3.1    创设真实情境，形成初步感知

滑块-木板模型是高中学生耳熟能详的物理模型之一，其具有涉及考点多、情境丰富、变化多端、设问灵活、解法多样、思维张力大、综合程度高等特点[4]，因此，该模型所涉及的相关问题对学生有很大的挑战性。根据抽象思维的发展路径，感觉和知觉是抽象思维形成的起点，也是深度学习的起点。教师通过创设真实的情境，使学生形成初步感知，有利于他们进一步解决相关物理问题。

为了让学生感知摩擦力作用下物体的运动状况，针对这一具体模型的特点，可利用实验室相关器材，学生亲自动手操作体验。该习题的具体情境是：滑块、木板、光滑水平面、大小未知的水平拉力F。由于现实生活中不存在光滑水平面，可用实验室的气垫导轨来近似替代，相应的滑块和木板采用与气垫导轨配套的滑块经改装后来替代。学生观察不同力F作用下滑块、木板运动情况的不同，为深度学习做好铺垫。

在知识与事物的分离中，学生直接与知识的外壳和形式发生关系，获得了大量缺乏实际内容的空洞知识和惰性观念[5]。通过体验真实的情境，降低了学生的思维障碍，增加了学生对运动全过程的整体感知，同时也避免了教师一味“先整体后隔离”的机械灌输式教学。学生能直观地观察到，当滑块和木板叠放在光滑水平面上，对滑块依次施加大小不同的力F时，滑块和木板对应的运动状态如下：（1）当恒力F小于某一值时，滑块和木板一起向右做匀加速直线运动，无相对滑动;（2）当恒力F大于某一值时，滑块和木板发生相对滑动，且滑块运动得比木板快。

3.2    立足基础知识，深化思维加工

结合实验现象，学生便可从选项中选出正确的答案，但实验现象只回答了 “是什么”的问题，至于现象背后的本质原因，即“为什么”的问题，却需要结合已有知识进行思维加工。为什么不同恒力F作用时，滑块和木板的运动状态不同？水平恒力F取何值时，滑塊和木板会发生相对滑动？鉴于学生已经具备牛顿运动定律和匀变速直线运动的基础知识，教师可以留给学生充足的时间进行自主思考、合作交流，通过集思广益，促进其有意义的知识建构和批判性逻辑思维能力的提高。

在与学生交流时，有学生提出了这样的困惑：假设滑块和木板之间的最大静摩擦力fmax=5 N，那么只要作用在滑块上的水平恒力F>5 N，就可以使滑块和木板发生相对滑动。比如当F=6 N时，滑块所受合外力为1 N，方向水平向右，木板所受合外力为5 N，方向水平向右。假设此时滑块和木板的质量相等，滑块的加速度就小于木板的加速度，那不是说木板比滑块运动得更快吗？

学生此类困惑的提出，是通过结合头脑中已有的知识基础自主建构认知框架，是积极主动、批判性地思考问题。此时，教师应充分发挥主导作用，对学生的困惑指点一二，便可产生醍醐灌顶之效，以实现学生高度沉浸的课堂氛围，促进学习的持续深化。比如，提问学生：当木板比滑块运动得更快时，此时木板所受摩擦力指向什么方向？学生根据滑块与木板之间的相对运动，容易判断出此时滑块所受摩擦力方向向右，显然与假设不符。这是利用了反证法来证明以上分析的错误，为什么会有这样的错误认知呢？根据元认知理论，教学中强调使学生对自己的知识和思维多一些意识与责任，以促进学习的持续深化。探寻错误的原因并形成正确的认知，学生才能体验成功的喜悦。在教师的引导下，学生通过交流反思，意识到错误的原因：当尚未判定滑块和木板之间是否发生相对运动时，就默认了两者间的摩擦力为滑动摩擦力。这一认识是后面进一步推理得到错误结论的根源，找到此错误根源，有助于学生将错误认知连根拔起。

接下来，教师要引导学生经历如下正确的认识过程：当滑块和木板之间的相对运动还无法判定时，先假定滑块和木板相对静止，根据牛顿第二定律，可确定整体的加速度;再对滑块进行受力分析，求得木板对滑块的摩擦力，并与最大静摩擦力（一般近似等于滑动摩擦力）进行比较，以此确定滑块与木板之间是否发生相对运动。通过总结归纳，最终可得出：当滑块与木板之间发生相对运动的条件是滑块的加速度比木板的加速度大才成立[6]。

以上的思维加工过程，在帮助学生学会发现问题的同时，强调对学生分析和解決问题能力的培养，注重对学生错误认知的反思和正确认知的合理建构。2001年，安德森在率众完成的布卢姆教育目标分类体系修订版中，将元认知知识概括为策略性知识、关于认知任务的知识以及关于自我的知识[7]。在教学中，教师要注重对学生元认知能力的培养，以帮助学生积累元认知知识，提高认知能力。

3.3    重视迁移运用，做到举一反三

对图1习题的条件稍做变化，可延伸出更多相似或相关的新问题，不仅能迁移、巩固之前所学习的解题思路与方法，而且有利于培养学生的质疑创新能力[8]。教师可以把改题的权利下放给学生，让学生开动脑筋，自己成为命题者。

学生成为命题者，是建立在对现有题目的深入分析与挖掘基础之上的。教师要引导学生理清题目已知条件，摸清出题者的意图，为进一步迁移运用打好知识基础。学生通过读题，可知：已知条件为滑块和木板的质量、初始状态以及它们之间的长度关系;滑块与木板之间有摩擦，木板与水平面间无摩擦;力F为作用在滑块上的大小未知的恒力。求解的是滑块和木板的加速度和速度随时间变化的关系。在教师的引导下，学生能够摸清出题者旨在考查学生由物体受力情况根据牛顿第二定律确定物体运动情况的命题意图，认识到对物体进行正确的受力分析是解题的关键，物体受力情况的改变直接影响其运动情况。因此，对滑块和木板的受力情况稍作改变，即可得到不同的结果。接下来，教师可进一步引导学生思考：什么条件可以改变滑块和木板的受力情况？学生通过思考交流，很容易想到，力F大小的不同、力F作用对象的不同以及滑块与木板之间、木板与水平面之间有无摩擦力等，均会改变滑块和木板的受力情况，引导学生不断进行拓展延伸，促进深度学习的发生。改编后的题目如下：

【变式举例】 如图2（甲）所示，质量为M的足够长木板静止在光滑水平面上，其上放一质量为m的滑块，t=0时刻起，给滑块施加一随时间t均匀增大的水平力F=kt（k是常数），分别用aM、am表示木板、滑块的加速度大小，图2（乙）中这两个量分别可能符合运动情况的是（     ）

3.4    整合知识框架，促进持续反思

整合是深度学习发生的重要机制，无论是教师引导学生更具整合性地建构知识，还是引导学生建构更有整合性的知识，都需要对学生的学习内容进行整合性设计[5]。滑块-木板模型作为中学物理重要模型之一，其灵活多样性决定了对其进行归类整合的必要性和重要性，所以在学习过程中必须要不断地反思和总结，从而促进思维发展。基于以上讨论，整合滑块-木板模型的常见问题，融文字、符号、公式、图像于一体，有利于新旧知识之间联系的梳理与对比。

依据水平面是否光滑以及受力物体的不同，将滑块-木板模型分为四类物理模型，如表1、表2、表3中的图（a）、图（b）、图（c）、图（d）所示：（1）如图（a），水平面光滑，力F作用在木板M上;（2）如图（b），水平面光滑，力F作用在滑块m上;（3）如图（c），水平面粗糙，力F作用在木板M上;（4）如图（d），水平面粗糙，力F作用在滑块m上。表1表示不同运动状态下力F的取值范围，表2表示不同运动状态下加速度的取值;当力F随时间均匀变化，即F=kt（k是一常数）时，表3表示加速度a和摩擦力f随时间t变化的图像。

根据以上的表格和图示，教学中先以纵向发展的脉络展开，然后进行横向对比，也可横纵结合交替展开。即可先提出四种模型，然后针对每一种模型的不同方面进行对比研究;又因为第一种模型最简单，也可以先对该模型展开全方位的讨论。无论是以何种方式展开，都要注重对学生的思维引导，避免灌输式教学，并加强对“分析”之后应如影随形的“整合”的重视。

以水平面是否光滑和受力物体的不同为依据，将复杂多变的滑块-木板模型归纳为四种类型，此为“多归四”。稍加留意，不难发现，当水平面光滑时，μ2=0，此时可看成水平面粗糙时的特殊情况，这样就在 “多归四”的基础上，又取得了“四又归二”的进一步整合。这一步看似简单，但缺乏量变的日常积淀，是很难达成的。

在面对纷繁复杂的各种情境时，很多学生会望而却步，从而形成思维障碍。教师通过引导学生整合知识，化繁为简，不断总结与反思，逐渐消除思维障碍，从而使学生进入深度学习的高级阶段。因此，教师在教学中，要激励学生全身心参与并正确引导，才能帮助学生不断反思自己的学习问题并及时调整学习策略，从而促进学生高阶思维的发展。

4    总  结

本文针对滑块-木板模型，提出了指导学生深度学习的习题教学策略。课堂教学中创设学生能感知的真实情境，为思维加工的深化以及知识的迁移运用奠定了基础，基础知识的回归，为思维加工和迁移运用做好了理论铺垫，知识整合和学习反思又促进了进一步的思维加工。在中学物理阶段的学习中，与滑块-木板模型类似的模型还有相遇-追击模型、传送带模型、弹簧模型、斜面模型等典型问题，希望本文的教学策略对其他物理模型的教学具有一定的指导意义。

参考文献：

[1]谷香玲.让深度学习真实发生[N].中国教师报，2020-1-22（004）.

[2]安富海.促进深度学习的课堂教学策略研究[J].课程·教材·教法，2014，34（11）：57-62.

[3]阿凡题题库[EB/OL].（2020-07-18）https：//tiku.afanti

100.com/web/questiondetail/c173e4cc768b518c3776ae463f747d7c.

[4]桑桂，曹文平.常见“滑块-木板”模型分析[J].物理教学探讨，2015，33（12）：24-27+31.

[5]李松林.走向整合的深度教学[N].中国教师报，2020-1-22（004）.

[6]孙林源.一道错解引发的大讨论——有关滑块-木板模型的习题[J].高中数理化，2011（13）：82-83.

[7]安德森等.布卢姆教育目标分类学修订版（完整版）[M].蒋小平，张琴美，罗晶晶，译.北京：外语教学与研究出版社，2009：42-46.

[8]章维辉.促进深度学习 提升核心素养——以“牛顿第二定律的应用”为例[J].物理通报，2019（06）：41-45.

（栏目编辑    赵保钢）