深度学习视域下 高中物理教学改进策略

石瀚松

[摘要] 深度学习视域下的高中物理教学是落实培养学生核心素养的重要途径，而物理学科的特点与深度学习特征的契合进一步表明将深度学习用于高中物理教学的必要性。本文以高中物理为例，在阐释高中物理学习特点的基础上，提出了基于深度学习的高中物理教学策略，希望为一线物理教师提供新的教学视角与实践参考。

[关键词] 深度学习;高中物理;教学设计;改进策略

新旧世纪交替之际，基础教育迎来了一轮改革。就高中物理教育教学来说，经过20年的沉淀，无论是在课程结构、课程标准、教学过程还是教学评价等方面的调整，都积极体现出人的全面发展理论在教育教学中的实践。然而，我们同样发现，高中物理教师教学虽然一直努力在向培养学生“核心素养”的目标靠拢，但教学设计仍然存在桎梏。一方面，我国是一个应试底蕴浓厚的国家，“唯分数论”很大程度决定了教学内容必须围绕考试内容而展开，学生对物理概念及其本质的理解、公式技巧的应用仍局限于如何考取高分，缺少主动建构物理观念、物理思维，掌握物理探究方法，因而容易造成学生机械化学习，学习与生活脱节，学生面对情景问题反应迟缓，难以运用学科知识进行主动分析;另一方面，如何让学科知识服务于自然生活，如何科学整合非结构化知识，如何在教学中提升学生迁移解决问题能力，如何引导学生塑造批判性思维等，都是教学策略制定中需要重点把握的难题。物理学科学习的严谨性、逻辑性与强应用性都决定了教师在教学设计上务必精雕细琢，才能事半功倍。于此，相关研究指出，引导学生进入物理学习的深度学习是解决以上问题，培养学生核心素养的关键途径和有效方式。

一、深度学习的内涵

“深度学习”这一概念，是由马顿和赛尔乔在布鲁姆认知目标分类理论的基础上提出的[1]，而后在计算机机器学习领域广为发展，最为著名的是以深度学习为技术支持的AlphaGo，在2016年3月以4：1的比分战胜围棋冠军李世石。而在教育界，学者们也围绕“深度学习”展开了长时间的讨论，黎加厚等在《促进学生深度学习》一文中认为深度学习是指在理解学习的基础上，学习者能够批判性地学习新的思想和事实，并将其融入原有认知结构中，能将众多思想进行联系，并将已有的知识迁移到新的情境中，作出决策和解决问题的学习[2];张浩认为深度学习是一种主动的、批判性的学习方式，也是实现有意义学习的有效方式[3];郭华则从教师引导、学习内容、学生情感等方面总结深度学习的特点[4]。目前，虽然对“深度学习”并没有统一的概念界定，但结合学者的研究不难总结，相比于浅层学习，深度学习是一种具备高阶思维、高意志情绪投入并且注重学习内容的整合关联，注重学习内容的迁移应用的学习方式（如表1）。

如果把学生接收到的信息比作河流，把信息中重要的知识比作河流中的鱼，那么学生的学习过程就是用渔网捕鱼的过程，学生的学习方式、思维层次、学习状态决定了学生能在湍急、庞大的信息流中捕获多少有用的知识作为自己的营养来源。而基于深度学习进行教学设计，则能让这张渔网更加结实，撒网面积更大，帮助学生以更高效的方式去主动捕获信息。

二、深度学习与物理教学的契合

物理学是一门实验科学，也是一门崇尚理性、重视逻辑推理的科学，它用数学作为自己的工作语言，是当今最精密的一门自然科学学科[5]。虽然高中物理教学内容因其受众群体的平均发展认知规律与相对应试的教学目标的限定，仅仅保留了物理学中少部分的内容，但不影响这部分内容的经典性、综合性及教学价值。整理高中物理教材发现以下特点：

第一，教学强调知识的整合。高中物理内容主要以力学和电磁学为核心延伸打造知识体系，概念与概念之间逐步发展，单元与单元内容之间层层递进，难度上呈螺旋上升。以新课标高中物理教材必修1和必修2内容为例，在研究物体“运动”主题上，教材以分析质点运动的基本要素（速度、位移）为起点，逐步引入力与运动之间的关系，揭示质点运动规律，再代入经典的质点运动场景，如曲线运动、圆周运动、天体运动等，最后通过分析此类经典的质点运动，重新巩固质点运动的基本要素，可见教材中各知识点要素呈现的顺序关系紧密，整体性强。

第二，实验是物理教学的特色。高中物理教学主要以传授间接经验为主，而知识是对事物普遍规律的抽象概括，缺乏教学的直观性，所以，物理现象虽然在生活中随处可见，但是学生从生活中去发现、解释且实践物理规律的敏感度比较低。物理实验教学作为物理教学的重要组织形式，能充分体现教学的直观性原则。教师通过科学组织实验，能直观地显化物理现象，引导学生感受“提出问题—猜想假设—设计实验—实验操作—分析数据现象—得出结论”的科学研究方法，并且提升学生观察事物的主動意识，是物理这门学科独具特色的教学资源。笔者整理人教版高中物理全册，统计出20个物理实验，覆盖范围包括速度、力、电磁、光等主题，内容丰富且生动有趣，可见教材所具备的资源还是足够足量的。但遗憾的是，实际教学过程中，多数教师并没有组织实际的操作实验，仍以口头讲述为主，没有充分利用好这一优势资源。

第三，考验学生解决问题能力。高中物理应用题复杂程度高，知识点范围广同时内容与数学关联密切，如数学中极限法、几何思想等在解题中都有应用，因而物理学科要求学生具备一定的综合能力。以2021年四川高考理综第25题为例，如图1所示，长度均为l的两块挡板竖直相对放置，间距也为l，两挡板上边缘P和M处于同一水平线上，在该水平线的上方区域有方向竖直向下的匀强电场，电场强度大小为E;两挡板间有垂直纸面向外、磁感应强度大小可调节的匀强磁场。一质量为m，电荷量为q（q>0）的粒子自电场中某处以大小为v0的速度水平向右发射，恰好从P点处射入磁场，从两挡板下边缘Q和N之间射出磁场，运动过程中粒子未与挡板碰撞。已知粒子射入磁场时的速度方向与PQ的夹角为60°，不计重力，求粒子发射位置到P点的距离，磁感应强度大小的取值范围。

要解答此题，学生需要具备分解带电粒子速度与位移的能力，具备分析带电粒子在磁场电场受力情况的能力，掌握平抛运动的规律，具备通过数学几何关系寻求粒子运动半径的能力，只有充分掌握这些知识技能，加上精确的计算才能完成作答，可见其对学生解决问题的综合能力要求之高。

需要说明的是，虽然物理学科具备以上特点，但并不代表任意物理教学活动的组织都能激活这些特点，而深度学习所强调的高阶思维、迁移整合能力、主动持续的学习品质及引导学生建构知识、学会解决问题等特性决定了其在物理教学设计中应用的适配性，因此，将深度学习的理念用于高中物理教学设计中势在必行。

三、基于深度学习的物理教学设计的改进策略

新课改背景下，高中物理教学设计一直在不断迭代优化，但仍存在一些问题，比如教学形式单一、物理实验浅尝辄止，这些流于形式、知识体系缺乏有意义建构等问题[6]极大地限制了物理这门学科的育人价值，不利于学生有意义学习。而基于深度学习的高中物理教学设计，是在教师充分把握教材内容，了解学生学习活动规律并且对深度学习理论理解到位的情况下展开的教学设计，对于提升教学品质，提升学生学习效率，提升学生学科核心素养，可谓一剂妙方。

（一）构建思维导图，整合知识体系

思维导图也叫作心智图，是一种上世纪便盛行于世界各国的教学方式，其重要理论基础就是脑科学[7]。思维导图因其表现形式与人脑思维方式有共同特征，能直观地表征知识，建立知识之间的关联，辅助学生进行思维搭建，因此在教学中使用具有重要意义。如图2所示“牛顿运动定律”思维导图，将思维导图融入物理教学的优势：（1）突出关键词，帮助学生迅速锁定核心概念，把握学习重点;（2）末端放开，教师教学和学生笔记可以随时进行补充，针对发散内容教师通过口述展开，学生主动参与讨论并补充;（3）提升教学和学习效率，舍弃逐字逐句的笔记方式，避免传统的直线式教学使学生把精力分配给机械记录，禁锢思维;（4）有效刺激大脑，既能在小单元内精细讲解知识点，又能引导学生宏观建立知识点之间的联系，让学生思维经历从浅层到深层的递进。使用思维导图的教学方式，需要物理教师对知识点的覆盖范围了如指掌，并且能够科学建立知识点之间的联系;而在思维导图的作用下，教师可以积极调动学生的思维活跃度，引导学生进行知识的有意义建构与整合，充分彰显深度学习的优势。

（二）打磨物理实验，展现物理本质

高中物理实验是在教师的指导下，以学生为主体，利用物理实验材料，对物理定律进行探究和验证的教学活动，其与公式、定理教学最大的区别就在于学生学习的直观性、可操作性，学生感受更加立体。学生在完整的物理实验流程中，对实验探究结果的渴望、质疑假设能力、方案设计能力、实验操作能力、归纳总结能力、团队协作能力，以及通过实验现象分析物理本质的能力都得到全面激活，这与深度学习所倡导的学生“感知觉、思维、情感、意志、价值观全面参与、全身心投入”[8]是高度一致的。因此，重视学生物理实验的组织，打磨好物理实验教学的设计，是实践深度学习的重要途径。

物理教师在组织学生实验中，首先在观念上要摒弃实验仅仅是对付应试内容的“旧思想”，注重实验教学的趣味性、丰富性，同时要以学生为实验参与的主体，充分调动学生学习的主动性。其次，要避免陷入追求“宽基础”，追求面面俱到，导致实验教学过程浮光掠影的误区，而要追求对少量主题的深度探究，精细打磨教学设计，真正地通过学生实践传递物理实验的价值精华，以最大功率进行教育教学，展示物理本质，展示物理学科的魅力，打造深度学习的实验课堂。

（三）巧用原始物理问题，强化解决问题能力

“念死书”是当前相当一部分中学生所处的学习境况，一方面是囿于唯分数决定升学的大环境，学生自己不得不把精力放到怎样拿取高分，另一方面还是教师在教学策略的制订上，忽视了培养学生实际解决物理问题的能力，导致学生只会在“题中做题”，面对结构不良问题，面对生活情景问题难以找到解决问题的切入口。这是不利于核心素养建立的，而利用原始物理问题则是强化学生解决问题能力行之有效的方式。

所谓原始问题，是指自然界及社会生活、生产中未被抽象加工的典型现象。这类问题是对现象的描述，通常来自生活情景，带有隐含的变量、常量，对学生来说是非常规的、不能靠简单模仿来解决的，是具有魅力和趣味的问题[9]。如图3所示的原始物理问题：为什么火车轨道在直线道路上设计成水平的，但是在转弯的部分要将轨道设计成内侧低、外侧高呢？原始物理问题并不会直接给出抽象的物理模型，所以要解决这个问题，学生首先就要思考这个问题的物理本质是什么，在脑海中搜寻能够匹配问题的知识点（圆周运动、受力分析等），然后自己建立火车过弯的物理模型，最后再通过分析火车过弯时的受力情况从而解决问题。在分析解决原始物理问题中，需要学生具备的信息检索能力、场景抽象能力和分析能力都比学生直接套用公式做题要求高很多，这恰恰是学习者在深度学习过程中调用的能力。显然，在教学中穿插原始物理问题，既能将知识与生活结合，帮助学生会用知识，又能提升学生综合解决问题的能力，是践行物理深度学习的重要方式。

（四）建立“苏格拉底”课堂，提升批判性思维

柏拉图《理想国》中展现的苏格拉底式对话，即产婆术，被认为是西方教学传统的基础。“产婆术”教学法本质上是一种师生平等辩论以揭露矛盾、克服矛盾，最终获得知识并发展能力的教学方法，也是一种帮助学生纠正错误观念并产生新思想的艺术[10]，这种方式一般包括四个步骤：反诘、助产、归纳与定义[11]。“产婆术”之所以被推广，是因为教师通过这种对话教学方式，能够激发起学生主动思考、自我发掘的状态，在这种状态下，学生的情绪饱满、注意力集中，能进行批判性思考。在高中物理教学中，矫正学生“前概念”是概念教学中的重要环节，比如刚接触“加速度”概念的学生，极易把“加速度”理解成速度的增加，若教师能合理运用“产婆术”，便可从公式定义上与学生产生对话。例如，“你是怎么产生这样的想法的呢？”“公式中有可以表现出速度增加的部分吗？”当学生发现加速度定义式中的ΔV与自己认为的“速度增加”并不完全对应且存在矛盾的时候，教师便进一步引导学生从定义式来看待加速度的本质，最后进行归纳总结。可见，教师建立苏格拉底式的课堂，合理运用“产婆术”，既可以避免教学进入“一言堂”模式，更好地吸引学生注意力成为教学过程中的主体，又容易帮助学生进行自我反思，这与深度学习所强调的主动性、批判性思维是高度一致的。

宏观上讲，深度学习视域下的高中物理教学改进，其根本目的仍在于响应国家提出的“培养全面发展的人”“培养具备核心素养的人”“培养学会终身学习的人”等教育目标，是面对数字经济时代、生产智能化时代在基础教育层面践行的教学策略。微观上讲，物理教学的深度学习是为了帮助学生摆脱“死读书，读死书”的学习困境，是提高教学效率、促进学生思维发展、助力提升学习品质、增长学生综合能力的有效措施。当然，只有不断提升个人专业素养，充分理解深度学习的基本特点，教师才能更好地在教育教学中实现学生在知识、能力、情感态度等方面的协调发展，才能达成最终的教育目标。

[参考文献]

[1]戴歆紫，王祖浩.国外深度学习的分析视角及评价方法[J].外国教育研究，2017，44（10）：45-58.

[2]何玲，黎加厚.促进学生深度学习[J].现代教学，2005（05）：29-30.

[3]张浩，吴秀娟.深度学习的内涵及认知理论基础探析[J].中国电化教育，2012（10）：7-11，21.

[4]郭华.深度学习及其意义[J].课程·教材·教法，2016，36（11）：25-32.

[5]中国大百科全书总委员会《物理学》委员会.中国大百科全书：物理学1[M].北京：中国大百科全书出版社，1987.

[6]王利.新课改背景下高中物理课堂教学设计现状研究[D].昆明：云南師范大学，2016.

[7]孟祥东.思维导图在高中物理综合复习中的应用研究[D].石家庄：河北师范大学，2008.

[8]郭华.深度学习与课堂教学改进[J].基础教育课程，2019（Z1）：10-15.

[9]邢红军.原始问题教学：物理教育改革的新视域[J].课程·教材·教法，2007（05）：51-57.

[10]张树栋.古希腊著名哲学家苏格拉底[M].北京：商务印书馆，1986.

[11]杜永红.试析苏格拉底“产婆术”教学法及其实践价值[J].现代教育科学，2005（10）：33-34.