“深度学习”用于“动态电路问题”复习的案例研究

周辰华

摘   要：动态电路问题既是初中物理教学的难点，又是初中物理学业水平考试的高频考点。按照“做—讲—练”的模式进行复习，很难真正厘清动态电路中各物理量的内在联系，特别是面对含有真实情境的应用类动态电路问题时，学生更是一头雾水。在教师的引导下，运用深度学习方式，经历“学习理解”“应用实践”“迁移创新”三个步骤，使学生思维不断进阶。通过聚焦主题、整合情境族、模型建构、诊断评估、推理论证、生成作品六个环节，引领学生由易到难，循序渐进地学会分析、判断、推理、抽象等思维方法。提炼出解答动态电路问题的策略，实现从解题到解决问题、从建模到实际应用的质的飞跃。很好地突破了这一教学难点，取得事半功倍的效果;也为落实物理课程标准理念、促进教和学方式的转变、推动高质量课堂教学的实施，提供了操作步骤、实施策略等技术层面的支撑。

关键词：情境族;动态电路;深度学习;模型建构;迁移创新

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2022）5-0015-6

1    现状分析

“动态电路问题”是初中物理教学的重点，学生学习的难点，也是初中物理学业水平考试必考内容之一。涉及到的知识点有欧姆定律的应用、串联电路电流与电压的规律和电功率的变化，主要以选择题、填空题、实验题和计算题的形式考查。动态电路一般包括三个类别：第一类是滑动变阻器类动态电路;第二类是实际应用类动态电路;第三类是多开关类动态电路。在传统的动态电路专题复习中，复习时间紧，很多教师采用往年初中物理学业水平考试真题或模拟题为例题，通过“做—讲—练”的模式进行复习。在一定程度上有效缩短了复习时间，学生往往学会了该题型的解答，甚至是记住答案，但没有真正厘清动态电路中各物理量的内在联系，当遇到新题型、新情境时就无从下手。

2    六环节深度学习操作流程

“深度学习”是一种面向真实社会情境和复杂技术环境的学习方式和学习理念，倡导通过深度加工知识信息、深度理解复杂概念、深度掌握内在含义，主动建构个人知识体系，迁移并应用到真实情境中解决复杂问题，最终促进全面学习目标的达成和高阶思维能力的发展[1]。它是一种主动的、批判性的学习方式，能提高学生的学习效率，发展学生的核心素养。

“深度学习”所提倡的教学路径是由“学习理解”“应用实践”“迁移创新”这三个逐步进阶的过程构成，这既符合课堂教学的内在逻辑，又符合学生认知发展规律[2]。具体到初中物理学业水平考试复习的教学，如何有效设计深度学习的每一个过程呢？在长期的教学实践和教学研究中，总结出了“六环节深度学习操作流程”（图1）。“学习理解”包括“聚焦主题”“整合情境族”“模型建构”三个环节。在这样的学习过程中，达到“建构知识结构、解答物理习题”的教学效果，可以提高学生完成课后作业的效率。“应用实践”过程包括“诊断评估”“推理论证”两个环节。在学习过程中，教师需进行持续性评价，鼓励并引导学生对模型应用的优缺点进行评价和改进，养成“质疑反思”的学习品质。“迁移创新”主要包括“生成作品”的环节。学生在面对新的情境或者具有挑战性的学习任务时，能有好奇心，提出新颖的、有价值的想法。质疑创新是批判性思维与创造性思维的体现，最终将创新思想付诸实践生成作品。

下面就以“实际应用类动态电路问题”为例，依据六环节深度学习操作流程，抽丝剥茧，建构模型，引导学生深度学习，将多变的情境转化为基础模型进行分析，有效突破教学难点，提高学生物理思维能力，从而减轻学生的课业负担。

2.1    聚焦主题

课前，教师需要从课程标准、初中物理学业水平考试高频考点和学生学习难点出发，整合已有学习资源，聚焦学习主题。第一，《义务教育物理课程标准（2011年版）》对本节内容的要求是：①会看、会画简单的电路图;②了解串、并联电路的特点，说出生产、生活中采用简单串联或并联电路的实例; ③理解欧姆定律; ④理解电功率;⑤探究并了解焦耳定律，用焦耳定律说明生产、生活中的一些现象[3]。由此可见，课标对这部分内容的要求不仅是知识、技能层面，还有解决实际生活问题等方面的能力层面。第二，近年来S省基于真实情境的电路动态变化问题在初中物理学业水平考试中的分值占比约百分之十，已经成为历年来的高频考点。其试题情境是源于生活、真实的应用情境;考查内容及电路是复杂多变的、综合性较强的难点问题;从它们的原理图发现都是有感受外界变化或控制变化的器件，它们与电路元件构成了具有不同功能的测量仪器。第三，“动态电路问题”是学生学习的难点和教师教学的难点。每年学生的答题情况都不能令人满意，困扰着每一届物理教师和学生。从纵向看，历年来此类考题的难度几乎都不达0.60;从近几年的数据分析可知，此类试题的难度在0.55左右。从横向看，每年全卷试题的难度均排名榜首;近几年全卷试题难度系数显示，选择题第20题的难度为0.52，动态电路计算题第42题的难度为0.42，是全卷最难的两道题。可见，复杂、多变、真实的生活情境，以及考查内容的综合性、科学思维的灵活性都对学生的学习能力提出了较高的要求。

2.2    整合情境族

“深度學习”需要凸显“学习活动”的挑战性、“学习评价”的持续性，强调以大概念引领，使学习内容进一步结构化。按照学习进阶，把学习活动系列化、情境化，并使其具有挑战性，因此学生获得的物理知识应源于复杂的生活情境[2]。在实际教学实践中，选择多个相互平行、递进、包容甚至冲突的学习资源整合成情境族，设计有挑战性的学习任务与活动，让学生从情境中抽象与复习相关主题的物理学科的知识与方法。当学生面临复杂多变的情境，想认清本质并解决生活实际问题时，常常会产生一定的认知障碍和冲突。要解决这个问题就要整合资源，将有利于比较、分类的多个情境组成情境族，突破学习难点。下面就根据课程标准、教学内容、学生情况，精选六幅实际应用的动态电路原理图，组成系列化的“情境族”（图2）。F4F08248-0E0F-4B38-B8D9-7E01818D9B84

教学中首先引导学生通过思考这些原理图有什么共同特征，解决了哪些实际问题，并说出它应用的物理知识，弄懂每一幅原理图的实际应用。学生完成这一任务的困难是对复杂电路图的识别，简化情境就是解决这一层级问题的关键。这需要教师通过设计分解学习任务或活动，引领学生逐步具备识别情境、抽象概括的思维能力和学会思考的必备品格。

2.3    模型建构

“深度学习”要对学科知识进行深度加工，把单一知识点转化为结构性知识[2]。可采用化繁为简的方法，抽取事物的本质，建构模型，以提升学生在复杂情境中的认知能力和解决问题的能力。通过对情境简化处理，如“去情境、去电表”后，六幅电路图呈现出典型的电路特征。再比较其中蕴含的异同点，将各情境依据不同的物理规律进行多样化的分类和归纳，实现对主题个性化的模型建构。如何引导学生进一步分析这些动态电路呢？主要采取以下方法：

（1）忽略次要因素，突出主要因素，分类抽象，建立模型

“模型建构”是在对客观事物进行抽象和概括的基础上，抓住其关键因素，构建能反映本质特征的理想模型的科学抽象过程[4]。真实情境是有效建构物理模型的前提，引导学生通过观察以上真实情境的六幅原理图，寻找工作时的共同特征和不同特点。可以有多种不同的分类方法：第一，按照电路的特点，可分为①⑤、②③④⑥两类;第二，按照应用的物理知识或可显示的电路元件，可分为①⑤、②③、④⑥三类;第三，按照解题方法的不同，可分为①⑤、②③④、⑥三类。在学生按照抽象概括出的物理模型进行分类后，将这些内容填入表1中。通过分类进一步回顾已学知识、深入理解物理规律、有效激活学生的深度思考、训练学生的发散性思维。在不断生成新信息、形成新思路的过程中，发展学生的建模能力。

（2）将动态的变化转化为静态不变的电路模型，分解外化，建构模型

设计符合学生思维进阶的学习任务，逐步深入建构模型。任务是：以图2的第⑥幅图为例展示本题的解题思路。策略为：将生活中应用的复杂电路经历“去情境—简化—分解—归位—比较—应用”的六步分解操作过程（图3）。由于形象直观地凸显出电路连接情况，可迅速判断出电表的变化。在此过程中，把一个动态的问题转化为静态的问题，将隐性的解题思路显性化。这样的思维导图可外化连续性思考的隐性的思维路径，学生按照图示呈现的信息，很容易厘清解题的思维路径，降低了思维陡度，是一种快速解决问题的巧妙思维方法。这样的呈现方式给学生提供了思维模板，学生从形象思维逐步上升到抽象思维，明确解题思路，学会思维方法。

2.4    诊断评估

“深度学习”目标的达成要求学生从学会解题到学会解决问题，尤其是解决生活实际中的真实问题。由于人类在不断追求高效便捷的生活方式，就要不断地更新设备、改良结构，才能让生活更美好。教师引导学生通过诊断评估已有设计，发现需要解决的问题，再从辩证的、发展性的角度观察并思考问题，提出优化改良的方案和措施，不断提高学生解决实际问题的能力。

学生的评价分析过程需要经历从理论到实践的飞跃，以上六个电路设计与飞速发展的科技新时代的要求还有差距，存在着很多有待更新的问题。因此，提出下列四个评估项目：①有哪些已应用的设计思想;②器件的灵敏度和便捷性能否优化;③研究对象的结构有待怎样的改进;④还有哪些有待整合的元素。让学生针对逐层深入的四个评估项目依次探索，提炼优化的思想方法，找到存在的问题。这是一个提高学生批判质疑、评估优化能力的好时机。

科学探究的评估环节一直都是初中物理学业水平考试中的高频考点。实验设计类试题考查物理思想方法（如转换法、控制变量法等）的频次也较高。例如，第一个评估项目，学生经过独立思考、合作交流，找到了以上六幅电路设计图共同的优点是能够借助电流表、电压表或电灯来显示我们不易观察或不易测量的物理量，设计的思想都是转换法，由此感受到设计的巧妙，领悟到科学技术是人类智慧的结晶。但是，在以上六幅设计图中也有一些元件有待更换为更现代、更灵敏的元件，提出更先进的方案和优化建议。这就需要教师设计生成的情境族、系列的问题串、经历推理论证等科学思维过程，展开深度的探究学习。

2.5    推理论证

“推理论证”是在已有证据的基础上，以科学知识为依据，对所获资料进行解释，提出自己的论点，通过分析与综合等思维方式、控制变量等推理形式得出结论的过程[4]。在以上评估的基础上，又提出具有挑战性的优化改良要求，引导学生深度思考并产生认知冲突，反思自己与他人观点的不同，激活质疑和批判思维，学生在质疑中产生有创意的新想法，激发创造思维。

（1）优化开关、变阻器，符合时代发展要求

现代科技使用的新器件可以提高准确性、精密度和反应速度。以汽车上的门碰开关（图2的①）为例，新型高端汽车开关都将机械门碰开关改为触碰感应开关。在一些设备中我们选用的压敏元件都可以使得电路中的电流变化更灵敏。这种元件实际在图2②④⑥的设计中也可以使用。这样的优化能使电路设计更符合我们现代生活的要求。优化了第二个评估项目。

（2）对电表表头的优化，体现从感性到理性的升华

组织学生评估优化第三个项目，在小组合作、组内交流的前提下，以图2的第④和第⑥幅图为例。这两幅图中的电压表可以显示拉力的大小（0～600 N）、人的身高（0～3 m），怎么對电表的表头标个刻度？学生会想当然地画出两表头上均分的刻度线。此时，教师再创设图4的情境族，师生根据欧姆定律和电路特点，当变阻器接入电路中的电阻成倍变化，经数学推导，电压表示数不是成相同倍数变化的，也就是说电压表示数的变化实际上与可变电阻的阻值变化不成正比，是非线性关系（图4），等分的方法不合理，所以表头刻度不均匀。再通过逻辑分析推导，发现电流表的变化与可变电阻的阻值变化也不是线性关系，所以即便是换上电流表，其刻度线也不均匀。最后利用公式U=IR推理可知，若让电压表的示数和电阻成正比，电流应保持不变，电流保持不变就要求变阻器接入电路的电阻不随滑片的移动而变化，而电压表示数却会随之发生变化，解决方案是把电压表安装在滑动变阻器的滑臂上，这样身高测量仪的刻度就均匀了。这是一个比较大的思维跳跃。F4F08248-0E0F-4B38-B8D9-7E01818D9B84

通过分析、推理和论证，发现对电路优化的过程就是模型转化的过程，电路优化后的本质不再是电路变化问题，而是滑动变阻器接入电路的电阻不变，导致电流不变。电压表示数变化的原因是测量电阻的范围变化导致的，根据U=IR可知，在I一定时，U与R成正比，达到均分刻度的目的，最终的改进电路如图5所示。

（3）从个体电路器件到整体电路设计的优化，符合高效快捷的生活理念

组织学生评估优化第四个项目，在小组合作、组内交流的前提下，教师再次生成新的情境族。以图2的第②幅图（汽车载重测量仪）、第⑥幅图（身高体重测量仪）为例，它们分别是单一测量功能的仪表;而实际生活应用要同时完成测身高和测体重。学生经历实践创新后，经过元件重组、优化结构，使一个仪器具备两项功能，图6即为两个电路整合而成的创新产品。所以，元件重组就是一种创新思维，结构优化达到了高效节能的目的。

随着智能化水平的提高，这类仪器设备已经被传感器、集成电路所代替，能通过液晶显示器直接显示读数，排除了“等分刻度”等问题的困扰。但是，诊断评估、推理论证的学习过程对学生形成科学的思维方法、提升质疑反思能力，起到了不可替代的作用。

2.6    生成作品

在应用实践中，学生已经形成个性化的模型建构能力，可以促进学生生成创新作品。作品可以是创意发现、形成美感、确立观念、完成任务、制作产品、形成作品、编制方案等多种形式，这些作品最终为教师教学和学生学习提供了更丰富、更优化的资源库，以帮助学生更好地解决学科问题和生活问题[2]。

本节课的最后一个环节是从物理走向社会，体现学以致用、服务生活的课程理念，要求学生解决实际的生活问题，制作握力计。利用已有的器材设计一个实物电路图，并符合“握力越大，电表示数越大”的要求。这个设计类试题与之前的问题是相互关联的，是“动态电路问题”逆向思维的灵活应用。因此，解答此题需要迁移之前提炼的解题策略，关键还需要学生弄明白实物图各个符号的意义，区分机械部件和电路元件，甚至需要先设计再连接实际电路。解题技巧是去除复杂情境、建立电路模型（图7）， 之后再连接实物电路。解答：若用电流表去连接，需同时满足的条件是①电流的方向;②握力越大，电流表示数越大;③滑动变阻器应接下接线柱。若是电压表，需同时满足的条件是①电流的方向;②握力越大，电压表示数越大;③滑动变阻器应接三个接线柱。

在面临以上具有挑战性的、复杂又开放的学习任务时，不断实践探索，将新、旧知识建立联系，在深刻理解的基础上，又迁移创新到新的问题情境中，实现了从解题到解决问题的跨越，提升学生物理学科核心素养。

3    实施效果

3.1    落实物理课程标准的理念

《义务教育物理课程标准（2011年版）》提出“从生活走向物理，从物理走向社會”的理念[3]。六环节深度学习实施的过程中，学生解决物理问题的过程就是从生活到物理的建模，再从物理到社会的应用。师生通过“学习理解”“应用实践”“迁移创新”三个步骤，经历了思维不断进阶的过程。同时学会用辩证的思维看待客观事物、用科学的思维方法分析问题、用创新实践的态度解决问题。实施这样的课程理念促使广大师生更加重视物理思维方法的运用，学会分析、综合判断、推理、联想等思维方法，养成优良的思维品质，物理课堂才可以做到真正的减负，才能培养出具有核心素养、适应当今社会发展所需的人才。

3.2    促进教与学的方式发生根本性转变

六环节深度学习实施的目标立足学生核心素养发展，挖掘教学内容各要素之间内在的统一性和必然联系。师生共同对学科核心知识进行有深度、有宽度的加工，对学科核心知识的价值和意义有更深刻的理解，进而全面深入地体验学科本质，充分领悟学科的功能。学生在学习中对相互平行、包容、递进、整合化的情境族进行分析、比较、建构，发现设计亮点，经历不断发现问题、优化设计、改良结构、完善认知的过程。这样的学习方式给学生创造了批判质疑、自主解决问题、大胆创新的空间和时间，为学生未来的发展提供了不竭的动力和源泉。

3.3    获得显著的教育教学成果

通过十余年的教学实践、案例研究、课题研讨等实践探索，在国家、省、市等不同层面上进行了广泛的交流推广，得到了广大教师的充分认可，他们切身体会到应用该策略所产生的显著教学效果。“基于情境族的六环节深度学习”研究成果，获S省、市基础教育成果评比一等奖;连续多年在全国物理教学大赛中应用此理念设计的20余节教学课例，都取得了全国一等奖的好成绩;近几年在省市级教学大赛上有30余名物理教师获奖，培养了一支优秀的骨干教师团队。学生在课堂上思维活跃、见解独特、表现出良好的学习状态，课堂呈现出一种民主和谐、平等互助的学习氛围。在各种类型的学业考试测评中，不同层次的学生都有不同程度的提高，学业成绩显著提高。使用本策略的教师所带班级的平均分、优秀率皆名列前茅，有效提高了教育教学质量。可见，实施六环节深度学习流程产生了显著的教育教学成果，具有较好的推广价值。

参考文献：

[1]范叶蕾.深度学习：课堂教学新理念[J].教学管理与教育研究，2016，1（22）：4-7.

[2]李春密，马朝华.深度学习：走向核心素养（学科教学指南·初中物理）[M].北京：教育科学出版社，2020.

[3]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2011年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2012.

[4]廖伯琴，李洪俊，李晓岩.高中物理学科核心素养解读及教学建议[J].全球教育展望，2019，48（9）：77-88.

（栏目编辑    赵保钢）F4F08248-0E0F-4B38-B8D9-7E01818D9B84