促进深度学习的高中物理教学设计

侯新杰 张玉莹

摘 要：深度学习是提升学科核心素养的有效途径.以“光的偏振”教学为例探索促进学生深度学习的教学路径.教学设计通过创设情境，設疑激趣;通过类比架桥，促进知识整合;通过层层递进的挑战性活动实现学习进阶，引导学生在深度学习中提升物理核心素养.

关键词：深度学习;物理核心素养;光的偏振 ;教学设计;高中物理

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）21-0030-05

基金项目：河南省教师教育课程改革研究立项重点项目“基于‘课例研究培养师范生教学技能的理论与实践”（项目编号：2020-JSJYZD-024）.

作者简介：侯新杰（1963-），男，河南长葛人，博士，教授，硕士生导师，研究方向：物理课程与教学;

张玉莹（1998-），女，河南西峡人，本科在读，研究方向：物理教学.

1 问题提出

物理课堂教学是培养学生物理核心素养的重要阵地.目前物理课堂教学还存在着一些不太令人满意的现象：教师偏重知识讲授，学生习惯被动记忆;师生简单问答，思维深度肤浅;课堂活动表面化，实施已有方案等同科学探究.知识的形成过程被扭曲，使得学生局限于“识记、领会、解题”的低层次学习，不利于培养学生物理核心素养.

深度学习指的是在教师的引领下，学生围绕具有挑战性的学习主题，全身心积极参与、体验成功、获得发展等有意义的学习过程.“挑战性主题”明确学习内容须是学科核心知识，承载着学科核心素养.“全身心积极参与、体验成功”明确学习要在活动中进行，重视学生的投入度、思维深度及情感体验;“获得发展”明确学习结果，要求学生深度理解学科概念，领会学科思维方法，发展核心素养.总的来说，“深度学习”强调学生“探索”知识“发现”过程，结合已有知识经验融会贯通地建构新知，并且能举一反三，迁移运用，最终形成积极的学习动机与情感态度.可见深度学习可以有效挖掘知识背后的思维方法与价值取向，有效提升学生的物理核心素养.

本文尝试以“光的偏振”教学设计为例，探讨如何创设情境激发学生的深度学习，如何设置活动保证学生学习不仅“深”而且有“度”，如何在促进学生深度思维的同时培养其科学态度与责任，希望能给广大教师提供启发和参考.

2 教学目标设计

2.1 教材分析

“光的偏振”是《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》选择性必修1模块第三主题“光及其应用”的内容，课标的基本要求是：“观察光的偏振现象，了解该现象产生条件，知道其在生产生活中的应用;知道光是横波[1].”本文选用的是2010年人教版选修3-4第十三章第6节，是光与机械波的交汇点，既是对波的扩充也是对光的深入研究.主要内容包括横波与纵波特点及判断方法、自然光与偏振光概念、光的偏振现象及其在生活和技术方面的应用.

2.2 教学目标

依据普通高中物理课程标准，分析高中物理教材，制定本节课如下教学目标.

物理观念：掌握横波与纵波的特点和判定方法;理解自然光和偏振光的概念、光的偏振现象，光是横波的性质.

科学思维：通过类比机械波通过相互垂直的狭缝，实验探究光的偏振现象，掌握将宏观现象规律迁移到微观领域中相似现象的科学方法，提高科学推理、论证的能力;通过分析光的偏振应用实例，增强运用知识解决问题的能力.

科学探究：经历问题、类比、猜想、实验、解释交流，探究光的偏振现象，理解光是横波.

科学态度与责任：了解偏振光在生活中的应用，深切体会“科学改变生活”，激发学习热情，树立用科学造福人类的理想.

3 教学活动设计

3.1 以往教材与教学中的不足

结合教材分析与教学实践，笔者认为“光的偏振”一节课在以往教学中有以下不足：第一，人教版高中物理教材中“光的偏振”一节“偏振现象”部分内容顺序混乱，图13.6-1图注与内容不符[2]，没有明确给出“偏振”的概念，容易使学生学完仍不清楚什么是“偏振现象”;第二，以往课堂对于机械波与光波之间联系的建立太过唐突[3]，仅通过举例说明或图片展示横波的偏振现象虽然可以“承上”却很难“启下”;第三，缺少问题情境，忽视学生体验.教师讲授多，学生探究少，学生探究能力与思维发展受到限制.

3.2 教学活动设计

基于以上分析，笔者依据学生概念形成过程中的思维特点进行教学设计.以学生原有知识经验和体验作为切入点，教学过程重视创设情境强化学生已有的知识基础，重视在类比基础上进行实验探究促进学生思维发展.因此本节采用架桥类比策略与问题情境探究教学法，设计层层递进的教学活动（如图1），展开教学过程.

4 组织教学过程

依据教学活动设计，教学过程按六步组织如下.

4.1 创设情境 提出问题

教师拿出两张偏振片，告知同学们这是两张神奇的塑料片，准备现场魔术表演.学生们充满好奇，反应热烈.教师随机邀请一位同学上台，将两张偏振片放到演示同学的面前，问：大家可以看到这位同学的鼻子吗？学生异口同声：可以！师：那下面我要将这位同学的鼻子变“没有了”，不要眨眼睛哦.学生们屏气，目不转睛地盯着那位同学的鼻子看.教师对着偏振片吹一口气，晃动偏振片的同时快速将一张偏振片旋转90°，对于这一细节操作，学生毫无思想准备，突然就看不见演示同学的鼻子了（如图2）！教室里响起阵阵惊呼.

教师趁热打铁提出问题：这个神奇的塑料片是什么？为什么会有这么神奇的现象？看来魔术真奥秘，只因不识偏振光.今天，让我们一起走进光的偏振世界，来一探究竟.

设计意图：问题是思维活动的起点，而问题的产生需要通过情境的激发.利用“光不能通过两块透振方向垂直的偏振片”表演魔术，设疑激趣，诱发思维活动;其次，该魔术相对 “穿墙而过”的表演更直观，为后面探究光的偏振现象做铺垫，更容易使学生抓住本质.

4.2 联系旧知 架桥类比

问题1：光的干涉与衍射现象说明光是一种波，那么光是横波还是纵波？

面对这一问题，学生自然会联想到利用机械波中的横波、纵波的概念来解释，但又因为光波振动方向不可见而产生困惑.

问题2：横波与纵波还有哪些特点？请观察绳波与弹簧通过不同方向的狭缝的演示动画，归纳总结出区别横波、纵波的新方法？

设计意图：面对一个陌生的现象，学生往往会借助头脑中原有的知识经验来理解新事物，根据这一思维特点，教学重温机械波，利用动画演示横波和纵波分别通过不同取向狭缝的现象，由学生对比分析得出区别横波、纵波的新方法（见表1）.通过新旧知识的整合，偏振现象这一概念不再是碎片化知识，而是沟通机械波与光波的桥梁，是判断光是横波还是纵波的实验工具.学生在原有知识基础上领悟到新知识的意义，在学习新知识的过程中发展联想、比较、归纳的思维能力，这样的学习才是深度学习.

4.3 合作探究 同化新知

探究一：光是横波还是纵波？

受上述实验的启发，可不可以用类似的实验来判断光是横波还是纵波？我们把机械波换成光波，狭缝换成偏振片，让光通过透振方向不同的偏振片，又会观察到怎样的实验现象？我们把上述方法称之为“架桥类比[4]”，如图3所示.

教师将表演魔术用的偏振片（已标明透振方向）发放给学生，同时向学生介绍偏振片的特性.引导学生举起一张偏振片对头顶的灯光进行观察，再将偏振片旋转一周，观察亮度变化（如图4）.

教师提出问题：每张偏振片只有一个透振方向，在旋转偏振片的过程中为什么没有亮度变化？这说明了光在通过偏振片以前具有怎样的特性？同学们由此猜测：光在通过偏振片以前，包含垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，且沿各个方向振动强度相同.

教师再次引导学生拿起第二张偏振片，让两张偏振片的透振方向先平行再垂直，观察亮度变化（如图5）.

学生明显看到由明变暗再变黑的实验现象，先由学生小组讨论解释实验现象，最后由教师概括自然光、偏振光、光的偏振现象等概念.与前面绳波通过狭缝的现象进行对比，学生可以得出光有偏振现象、光是横波的结论.

設计意图：通过环节2的探究，已经在光波与机械波间建起了桥梁——只有横波有偏振现象.学生由此建立类比，作出猜想，寻找规律，在探究光波与绳波本质联系的过程中提高科学推理与论证的思维能力.其次将教材上光的偏振演示实验改为师生合作探究实验，重视学生的感受与体验，使学生进入深度学习，边体验、边建构起光的偏振的概念.

魔术揭秘：“神奇的塑料片”其实就是偏振片.告知同学们“转动偏振片同时将其旋转90°”的操作，请同学们解释魔术的奥秘，同桌之间互相表演.

4.4 实验再探 深化理解

经过光的偏振的探究过程，学生已经在头脑中建立起自然光与偏振光的模型，为了深化学生对于光的偏振的理解，设置了从物理走向生活的探究活动.

探究二：寻找区分生活中的自然光与偏振光.

教师鼓励学生拿起偏振片，寻找身边的自然光与偏振光.比如，多媒体屏幕发出的光、透过玻璃的阳光、地板上的反射光、玻璃上的影子等等.引导学生归纳：自然光在木质桌面、水面、玻璃表面等的反射光、折射光都是偏振光（如图6）.

然后引导学生起立和蹲下，感受明暗变化的不同.即入射的角度不同，反射光线偏振程度也有所不同.只有沿某一角（布儒斯特角） 入射的反射光是完全偏振光.

设计意图：探究与体验是深度学习发生的催化剂.通过“问题—探究—归纳”的过程，让学生自己发现体会我们身边的反射光就是偏振光，寓教于乐，比起课本上直接告诉学生“反射光、折射光是偏振光”更能发展学生的思维，深化认知.

4.5 联系实际 学以致用

4.5.1 偏振太阳镜与摄影

生活中怎样解决反射光刺眼的问题？该如何利用“反射光是偏振光”解决？请同学们小组讨论，互相质疑补充（如图7和图8）.

设计意图：生活实际问题的解决不仅是加深学生理解概念的环节，也是深度学习发生的判断标准.通过创设反射光刺眼的生活情境，引导学生联系生活，学以致用，比起直接展示摄影消光的图片，问题情境更能引导学生的行为和情感投入的学习活动.

4.5.2 液晶显示

引导学生通过偏振片观察空调遥控器的屏幕，获得液晶屏幕发出的光是偏振光的感性认识.接着给同学们展示液晶显示屏的结构，再借助PPT动画讲解液晶显示的原理（如图9和图10）.

4.5.3 3D电影

2019年国产3D电影“流浪地球”震撼上映，因为精彩的剧情与身临其境的视觉效果吸引了大批的观众，那么3D电影为什么会有立体效果？教师播放视频并分四步讲解：人眼的立体感、拍摄时、放映时、观看时（如图11和图12）.

设计意图：借助实验与动画，简化偏振现象在液晶显示、3D电影等的应用，让学生“跳一跳，就能摘到桃子”，体会到解决实际问题的真实与喜悦.将与概念相关的新技术成果内容融入物理课堂教学，不仅能激发学生学习兴趣，也能让其深切体会到物理与科学、技术、社会的联系，培养学生的科学态度与责任.

4.6 课外制作 能力进阶

（1）完成教材课后作业1和2.

（2）教师表演魔术“穿墙而过”，要求学生课后探究魔术“穿墙而过”的奥秘，并尝试利用偏振片动手制作道具（如图13）.

设计意图：探究魔术奥秘并动手制作是对知识的活化与再创造，不仅加深了学生对偏振的理解，更培养学生的动手能力.让物理小制作成为学生珍藏的科学艺术品，让物理活动成为培养学生创新能力的平台.

5 促进深度学习的教学策略

5.1 创设问题情境

无论是概念的建立、规律的探究还是实际问题的解决都离不开问题情境，情境的设置可以从教学内容与方式两方面进行.首先，在教学内容方面：（1）增添与学生生活紧密相关的问题、现代科技成果、前沿热点问题等;（2）可以用生活中的器具做物理实验，培养学生的创造精神;（3）采用原始物理问题，养成学生估量生活中物理量的习惯.其次，在教学方式方面，提倡采用“举实例、放视频、进行演示实验与学生实验、解决实际问题、动手制作”等多样化的教学方式.

5.2 类比架桥

学生已有的知识经验、认知水平是深度学习发生的基础与前提[5].故教师要充分了解并利用学生的已有经验，在学生理解困难的地方“架桥”，促进知识迁移，正确建构概念.学生在类比、猜想、推理、探索的同时发展联想思维、灵感思维、逻辑与创造思维等.例如在环节二中利用问题启发和动画演示机械波通过不同狭缝的现象，类比架桥，帮助学生发现“只有横波有偏振现象，可以据此来探究光是横波还是纵波.”从而突破学生思维难点和“机械波与光波的联系建立唐突”的教学难点.

5.3 设置挑战性学习活动

物理知识只是形成素养的载体，具有“挑战性”的学习活动才是形成素养的渠道.因此要将知识转变为学生探究与实践的对象，转变学生的学习方式，倡导深度学习与合作学习.这里应注意“挑战性”并不是指问题越难越好，而是学生能够“跳一跳”摘到桃子.教师可参考游戏关卡的设置，既不会让学生丧失信心也不会感到无趣，逐级克服难点.比如本节课让学生进行了“探究光是横波还是纵波”“寻找生活中的偏振光”“解决刺眼的反射光”“自制穿墙而过道具”等层层递进且有挑战性的活动，学生高度参与，反响热烈.

6 结束语

在深度学习理念的指导下，学生不再是知识的被动接受者，而是意义的建构者，教师不仅仅是知识的传递者更是思维的引领者.教师在进行教学设计时应思考以下三个问题：第一，如何促进学生深度学习的发生？这就要求教师要把握知识内在的逻辑结构并按照学生的思维发展进行教学.以情境引问题，以问题导探究，在探究中理解知识本质，在解决实际问题中活学活用，在学习迁移中培养创新.第二，如何保证学生学习“深”又有“度”？“深”要求教师要充分了解学生的知识基础与能力基础，设计联系学生经验、面向真实问题解决、具有挑战性的学习任务，激发学生高度参与、深度思维;“度”则要求学习任务必须在学生最近发展区之内，需要“跳一跳”才“能够到”.教师可以把核心问题分解成一系列的子问题，给学生搭建起思维的阶梯，逐步达到深度思维.第三，如何在促进学生深度思维的同时又培养学生科学态度和责任？教师要关注物理概念原理的实际应用，通过概念原理在实际生活和技术中应用的实例分析，让学生理解物理学与技术和社会的关系，潜移默化地培养学生的科学态度和责任.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.物理（选修3-4）[M].北京：人民教育出版社，2010.

[3]周佳宁，张军朋.优化物理课堂教学，引导学生自主探究——以“光的偏振”教学为例[J].物理通报，2019（S1）：40-42.

[4]申亚琴，贾泽皓，张萍.物理概念教学的有效方法——架桥类比策略[J].物理通报，2020（01）：11-13.

[5]蔡麗.丰富学生经验 优化“浮力”教学—指向“深度学习”的教学片段的评析[J].中学物理，2020，38（04）：10-13.

（收稿日期：2021-06-20）