高中物理深度学习的设计和实践——以“受力分析中弹力和摩擦力关系”为例

黄 晶|浙江省杭州学军中学

深度学习是以内在学习需求为动力、以理解性学习为基础，运用高阶思维批判性地学习新的思想和事实，能够在知识之间进行整体性联通并将它们融入原有的认知体系进行建构，能够在不同的情境中创造性地解决问题，能够运用元认知策略对学习进行调控并达到专家学习程度的学习[1]。指向深度学习的物理教学，要求教师精心设计突出“体验性、参与性与生成性”的具身教学环节，借助师生、生生的多维深度对话和问题驱动，促使学生的思维认知结构从单点、多点水平进阶到关联水平，甚至质变到拓展抽象水平。下面，笔者以“受力分析中弹力和摩擦力关系”这一教学难点为例，谈谈促进高中物理深度学习的策略。

一、悬念冲突 认知建构

受力分析是解决力学问题的基础，在新授课和单元学习课中，教师不仅要让学生掌握如何从力的产生条件、平衡知识、力和运动关系方面进行分析，并能画出受力图，更重要的是让学生掌握受力分析的常规顺序，养成良好、规范的受力分析习惯。

【案例1】新课教学

“分析摩擦力之前没有先判断是否有弹力”和“没有按重力、弹力、摩擦力常规顺序作受力分析”，这两个问题是新授课后学生常见的认知缺陷。例如在受力分析作业中，很多学生对图1（见下页）中墙和物体B之间是否有摩擦力存在疑问。此时，教师应“以终为始、逆向设计”，创设真实的情境，诱发学生的认知冲突，激活其强烈的学习动机，促使深度学习持续发生，使学生形成相关物理观念。

图1 墙和物体之间摩擦力分析

创设情境：出示教师本人徒手爬平面墙的照片（图略）。

提问：大家有何感想？

学生讨论：凭直觉感到这情境不符合真实的生活经历和物理事实，怀疑照片真伪。

追问：如何证伪？

提出方案：受力分析和实验验证。

设计依据：深度学习倡导在实际问题的解决过程中完成知识的建构和生成，这需要教师创造使学习真实发生并持续的条件。动机是维持学生学习活动的心理动因，生动、有趣，尤其是能诱发认知冲突的物理情境，是深度学习的基础，它能让学生进入情绪高昂和智力振奋的内心状态，激发学生的探究兴趣。

【案例2】单元学习课教学

教师应认识到需要经过多次训练，学生才能在受力分析上达到教学要求。因此，教师需要设计结构有序且层进的物理情境和问题，促使深度学习持续推进。

再创情境：出示小明徒手攀爬直角墙面的照片（图略）。

原始问题：为什么小明能爬上墙壁？

表征问题：假设某时小明只靠双手静止支撑在墙面上，请分析他的受力情况。

成果呈现：出示学生的受力分析图。

整个教学过程如图2所示。

图2 “徒手攀墙”问题教学过程

设计依据：原始问题是指在自然界及社会生活、生产中客观存在，能够反映科学概念、规律本质且未被加工的典型科学现象和事实，具有生态性、开放性等特点。学生需要在建模之前认识问题、表征问题。因此，教师必须重视将物理事实、物理现象转换成相应的物理问题，进行符合高中生认知能力的探究活动。教师设计活动环节，并和学生一起分析主要、次要因素，将“双手双脚动态攀爬的人体”抽象成“只具有两个接触面的静态平衡物体”，让受力分析具有可操作性，逐步培养学生模型建构的科学素养。案例1情境突出“有弹力是摩擦力的产生条件”，案例2再创情境进一步突出“弹力和摩擦力方向相互垂直”的关系。

二、互动磋商 社会建构

学习不是简单的传递和接收，而是知识的建构和生成，是新旧经验的相互作用。学习不但强调个体心智活动的主动性，更应兼及社群与集体之间的互动、磋商、讨论，直至形成共识。教师要在“创设情境引发思考”的基础上，组织和引导师生、生生进行多维对话，推进深度学习。

例如，在案例1中，笔者设计对话建构，即师生、生生之间充分沟通合作、讨论交流，得出照片是在游乐园“倒置屋”中拍摄的，并且转过90°。在积极的参与过程中，学生形成了“接触面粗糙，之间有弹力，有相对运动趋势”是静摩擦力存在的必备条件的物理观念，习得了按“重力、弹力和摩擦力的顺序”进行受力分析的程序和规范。其教学过程如图3所示。

图3 案例1“受力分析”教学过程

又如，在案例2中，笔者先出示典型错误受力图，让学生讨论交流。有学生觉得还有其他可能，提出对称的两种情况。又有学生受到启发，画出不对称的四种情况。在对比鉴别后，突然有学生产生质疑，认为“摩擦力分解后的水平分量不能相互平衡”，继而重新审视这几种不对称的情况，发现都不合理，讨论由此陷入僵局。直至有学生自我反思批判后，大家意识到“又忘了画弹力”，问题才得到解决。最终，学生逐一分析，得到正确的受力分析图。

设计依据：认知建构强调“学习是学习者积极主动建构的过程”；社会建构强调“师生互动、生生互动是课堂教学中最基本、最重要的人际关系”。让学生展示成果、互动交流，可促使不同观念对立、交锋，教师再设计垂直互动的师生对话和水平互动的生生对话，就可引发学生进行论证、批判、质疑等高阶思维活动。学生经历高端思维活动和科学探究体验的问题解决过程，能锻炼科学思维，培养科学态度与责任。

三、具身体验 激发情感

具身认知理论指出教学过程是对认知、身体、环境三者的整合与运用，具身学习强调“体验性、参与性与生成性”。在物理教学中，教师应让学生积极参与实验设计和实验探究过程，让学生切身经历视觉、听觉或触觉的活动体验。

在案例1中，笔者让学生设计实验方案并分组演示体验。有学生提出用深色书本和粉笔擦演示斜面和竖直面的比较；有学生提出需要用力按粉笔擦才能擦去黑板上的字迹，并上台体验让粉笔擦贴竖直黑板自由下落能否达到擦拭效果的实验。此外，教师可在保证安全的情况下，组织学生在课外活动中参加一步蹬墙活动，体验摩擦力和弹力的关系。教师也可播放《碟中谍4》中汤姆·克鲁斯扮演的角色攀爬迪拜哈利法塔玻璃幕墙的视频，将画面定格在他单手悬挂在玻璃墙上的场景，让学生将之与上述爬墙情境对比体验。

在案例2中，教师可设计体验活动，如用白纸模拟折成直角墙面，让学生模拟双手的摆放姿势，再适时播放“7岁男孩徒手爬墙”新闻视频，让学生观察对比男孩手、脚的爬行方向，增加具身体验。

设计依据：深度学习的核心特征是“活动与体验”，教师需要精心设计有序的学习活动，注重学生全身心的体验，以学生活动的“身体介入度、主动参与性、知识生成性”为核心指标，对物理教学过程及时进行评估，并适时改进。“情境化”的认知建构强调培养学生的具身认知和直观的形象思维，而“去情境化”的社会建构可让学生获得一般化的抽象认知和抽象思维，“再情境化”的具身体验则通过同化顺应强调新旧知识的内在逻辑关联，进一步丰富学生的认知结构，引导其形成系统的知识体系，促使其科学思维发生质的变化。

四、关联整合 优化结构

反思是一种高层次的认知活动，是形成良好悟性与内省力的有效学习策略。自我反思是以自己的学习现状为思考对象，对自己的学习计划、完成情况以及学习成效进行过程监控与结果评价。教师应引导学生对自己和他人的学习内容、方式、过程、结果进行反思、评价、批判、总结。

例如，在案例1中，笔者组织学生总结、归纳、整合实验设计和探究过程。其过程如图4所示。

图4 “受力分析”总结、归纳、整合和探究过程

又如，在案例2中，笔者利用相关错误资源，追问“这样的受力情况在什么情况下出现”。学生讨论、整合了“内凹、外凸直角墙面”，并提出更为复杂的攀爬“凵形墙柱”问题，笔者再适时播放“女孩爬凵形墙柱”视频，以增加学生的具身体验。

设计依据：学习是一个对各种信息源与节点进行连接的过程，学生在各种知识和现象之间建立联通关系，就可逐渐建构起关联的知识体系。教师应设计促使学生把新情境的刺激纳入到原有图式的学习任务，引导学生进行深度加工并掌握合理的元认知策略，促使学生形成“关联结构水平”的知识结构，并进一步整理与提升[2]。同时，教师还要教会学生认识、调节和监控自我的内部认知过程，最终促进教学和评价的融合。

五、问题驱动 迁移创新

深度学习的目标是：学生不仅能将知识相互关联，还要把问题迁移到相关的不同情境中，并创造性地在新情境中对问题进行归纳和演绎，或者能抽象并概括出新的物理模型，使之适用于新的问题情境。物理与生活联系密切，教师应设计待解决的实际学习任务或问题，引导学生认识“科学、技术、社会和环境（STSE）”间的关系。

例如，在案例1中，笔者播放“汤姆·克鲁斯扮演的角色攀爬玻璃墙”后，继续提问“生活实际中有没有类似的应用”，学生联想到“自动擦玻璃机器人”，笔者于是布置课后研究性作业：机器人吸附原理探究及制作模拟装置。

又如，在案例2中，有学生在总结“内凹外凸直角墙面以及凵形墙柱”的受力分析后，提出更为复杂和实际的电工攀爬“圆柱形电线杆”的受力问题，笔者于是布置课后研究性作业：探究脚扣式登杆器的原理。

设计依据：学生在知识积累、技能发展和问题解决方面发生的质变结果或学习迁移，是学习目标达成、学习增值的具体体现。教师应有意识地培养学生的迁移创新能力，促使学生的思维认知结构在真实且层进的学习过程中，从关联水平逐步质变到拓展抽象水平。