基于深度学习的高中物理问题驱动型教学探讨——以“超重和失重”教学为例

刘振雄 全 艺

(广东省广州市第一一三中学陶育实验学校,广东 广州 510630)

为全面贯彻党的教育方针，落实立德树人根本任务，教师要改变学生消极被动的学习方式，探索学生深度学习的途径。深度学习强调以问题为核心，通过真实的情境形成有价值的问题，学生在问题生成和问题解决过程中体验成功，沉浸于物理学习过程，形成物理观念，认识科学本质，树立正确的价值观。基于真实情境的问题及其问题解决是深度学习的核心，问题驱动是促进深度学习的关键。

1 基于深度学习的课堂问题

1.1 课堂问题的分类

问题驱动型课堂教学的核心是“提出问题和解决问题”，按照布鲁姆的教育目标分类理论，可以根据认知水平的高低把课堂问题分为记忆型、理解型、应用型、分析型、评价型、创造型问题。

记忆型问题指向学生对已经学过的物理概念和物理规律的记忆，对常见物理现象和生活经验的描述，以及对整堂课学习内容的回忆。理解型问题要求学生理解物理概念和规律的本质，通过实验操作和实验观察，进行相关的解释和推理。应用型问题要求学生运用学过的物理概念、规律和方法解决物理问题。分析型问题要求学生将一个问题分解成若干个子问题，再判断子问题间的关系，该类问题常出现在探究活动环节和实验数据分析环节。评价型问题最大的特点就是在评价的过程中运用相应的标准进行检验和评判，评价的对象是学生的观点、方案或结论。创造型问题要求学生在解决问题的过程中收集资料，再与已有的物理概念和规律建立联系，并进行整合与再创造，是所有问题类型中水平最高的一种。

1.2 课堂问题的设计与解决策略

(1)兼顾层次，关注深度

基于物理学科核心素养培养的要求，针对教学重难点设计问题串，在兼顾层次性的同时，更要重视问题深度的设计，这样才能更有利于学生物理观念的形成和物理思维能力的提升。

(2)给学生留足解答时间

对于思维水平较高的问题，要充分描述物理情境，使学生有明确的思考方向，并要留给学生足够的思考、讨论和交流的时间，给学生对自己观点进行表述、辩护的机会，这样才更利于学生进行深度学习。

(3)鼓励学生积极表达观点

鼓励学生表达不同的观点，即使是错误的或者不科学的观点也是有意义的，因为这些错误或者不科学的观点有时也是许多学生的共性问题，这样的问题解决往往更具有教学价值。

2 问题驱动型课堂的流程

2.1 明确物理问题

明确物理问题是发现、辨认和表征物理信息的过程。当遇到一个真实物理问题时，学生首先要对物理情境进行考察，明确物理情境的意义，然后通过思考，分析、判断物理问题所描述的对象、现象、过程及联系，全面掌握有关信息，抓住问题的外部特征，理清解决问题的已知条件。

2.2 探求问题解决方法

解决问题时运用抽象思维、形象思维和直觉思维等方法，充分调动已有的认知结构，对物理问题进行深入的分析，确定问题的种类，探求解决问题的方法和途径。

2.3 进行问题解决

问题解决的实施是问题解决的中心环节，在明确物理情境后，要理清解决问题的具体方法和步骤，明确物理研究对象，建构物理模型，合理利用物理规律进行解答，从而得出结论。有的问题还可以从不同角度、不同路径寻找不同的解决方法，再通过不同方法的选择，有效培养学生的思维能力和问题解决能力。

2.4 总结与反思

问题解决后的总结与反思首先是对所解决问题的过程进行反思，深入思考问题情境中所隐含的物理概念和规律，拓展自己的物理认知结构，提高问题解决的效率；其次是回顾问题解决的思路，评价问题解决的过程，提高对问题解决的认识水平。

3 问题驱动型课堂教学案例分析

笔者以“超重和失重”的教学为例，运用问题驱动型教学模式，引领学生进行深度学习。

3.1 创设问题情境，导入新课

(1)情境设置

将体重计的表盘通过摄像头投屏，先让质量较大的同学站到体重计上，读出体重计示数并用贴纸标记，再让质量较小的同学站到体重计上，并尝试让体重计示数超过前者。

(2)问题驱动

① 这位同学的体重是多少？体重计示数的单位是什么？

② 体重计测量的是哪个物理量？

③ 为了确保体重计反映的是真实的体重，测量时有什么要求？

④ 在双手不接触其他物体，双脚不离开体重计的条件下，你能让体重计的示数超过刚才那位同学吗？

⑤ 在下蹲或站起的过程中，在某一时刻的体重计示数超过了第一位同学，是自身所受重力变大了吗？如果不是的话，是哪个量变大了？

(3)设计意图

问题①和②强调了读数需要包含单位的规范，引导学生回溯体重计的测量原理，即体重计测量的是它的台面受到的压力，然后在刻度盘上转化为相应的质量。问题③强调了测量体重的平衡条件，问题④提出挑战要求，让挑战的学生自然想到通过改变自身运动状态，来改变体重计的示数，问题⑤意在引发学生思考，在介绍实重和视重后，自然引出本节课的课题。

(4)深度体验

通过游戏的形式，增加趣味性，激发学生的好奇心，引发认知冲突，促使学生深度思考，将学生的思维聚焦于课堂问题，让学生带着问题开始本节课的学习。

3.2 结合问题情境，建构物理概念

(1)问题驱动

结合刚才的游戏，请说明：什么是超重现象？什么是失重现象？

(2)设计意图

通过前面设置的情境，超重和失重的概念已呼之欲出，此时应大胆放手，给学生提供自主思考、描述的机会。

(3)深度体验

物理概念本身比较抽象，教师可以通过各种教学方式加强形象性和直观性，使抽象的概念建构具体化、生活化，当学生的认识和体验达到了相应的水平时，概念的建构会水到渠成，所以教师要创设良好的问题情境，发展学生的深度思维。

3.3 提出问题，驱动学生自主探究

探究实验一：弹簧测力计实验

问题驱动：利用弹簧测力计和重物进行分组实验，探究以下问题：什么情况下会出现超重现象？什么情况下会出现失重现象？

设计意图：利用弹簧测力计做实验发现规律有一定难度，因为在操作过程中，弹簧测力计的示数变化太快，学生很难准确、及时地捕捉到示数的变化情况，往往不同的小组会得到不同的结果，有些同学认为向上运动的过程中会出现超重现象，向下运动的过程中会出现失重现象；而有些学生得出的结论则完全相反，导致实验“失败”，但是，这个“失败”，却又是课堂教学的重要资源。因为在学习过程中，学生不仅仅是获得知识，更重要的是体验科学探究过程，领悟科学探究的方法，当面对困难和挫折时能有勇气和毅力去找到出现困难的原因，并提出解决方案。

深度体验：通过亲身经历实验探究，学生在面对不同实验结果时，敢于坚持和表达自己的实验结论，培养了学生实事求是的科学精神；学生在面对困难时，不轻言放弃，想方设法找到解决问题的途径，逐渐养成科学态度和责任。

探究实验二：力传感器实验

实验情境：教师介绍了数字化实验系统(DIS)的实验器材后，学生开始分组实验，利用力传感器，在电脑屏上呈现重物上升和下降过程中拉力随时间变化的图像。

问题驱动：(1)在重物上升过程中出现的是哪一部分图像？哪一部分图像是在重物下降过程中出现的？

(2)从图像中你能观察到超重和失重现象吗？请总结重物在上升和下降的过程中的超重现象和失重现象。

(3)你能得到超重和失重的条件吗？

(4)既然超重和失重现象的出现与物体的运动方向无关，那么跟什么有关呢？请说出你的依据。

(5)重物在上升和下降的过程中参与了哪些运动？加速度是怎样的？

(6)你能总结物体在什么条件下会出现超重和失重现象吗？

表格设计：引导学生设计实验表格，记录实验结果(表1)。

表1

设计意图：若直接给出所有选项让学生完成，虽然课堂教学轻松、顺利，但缺少了对学生思维能力的培养。通过问题解决和表格填写，可以让学生体验真正意义上的科学探究。问题(1)和(2)是让学生认识和发现实验中出现的超重和失重现象，明确物体向上运动和向下运动的过程中都有可能出现超重和失重现象；问题(3)是为了引导学生观察和总结表格内容，理解物体的运动方向与超重和失重的条件无关；问题(4)是本节课的重点，也是难点，超重和失重条件与物体的运动方向无关，这个结论既是对前面实验的总结，也是为后续研究铺设台阶，它能点燃学生思维的火花点燃，在这个环节设置小组讨论活动，让学生进行思维碰撞，使学生的科学思维品质得到提升，达成更加全面的学习目标；问题(5)是为了更好地推进课堂教学的展开，如果学生在探究实验中遇到困难，教师可以进行适时的指导；问题(6)是学生在认识到超重和失重现象与加速度方向有关之后，进一步明确超重和失重的产生与加速度方向的关系：当物体的加速度方向向上时处于超重状态，当物体的加速度方向向下时处于失重状态。

深度体验：科学探究是人类认识自然、探索自然规律的重要方法，也是学生学习物理的重要方法，通过探究实验，可以逐步培养学生收集和处理实验数据的能力、分析和解决问题的能力、合作与交流的能力，在此过程中学生还可以养成尊重事实、善于质疑、勇于创新的科学态度。物理教学要为学生开展探究式学习创造机会，俗话说：授人以鱼不如授人以渔，课堂不仅仅是教师向学生传授科学知识，更重要的是让学生经历科学探究的过程，领悟科学探究的方法。教师要创造机会让学生经历科学探究的基本环节：提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集数据、分析与论证、评估、交流与合作，让学生的知识与能力、科学思维与探究能力、科学态度与责任都得到全面培养和发展。

3.4 应用物理规律，解释实验和生活现象

3.4.1 解释课堂实验现象

问题驱动：(1)在弹簧测力计实验中，同学们观察到的现象为什么不同？在重物上升时，是在哪个运动过程观察到了弹簧测力计示数的减小？

(2)在用体重计进行实验时，在同学下蹲的过程中，我们能观察到哪些实验现象？为什么？

设计意图：该组问题引导学生利用前面实验所得出的结论，对实验中出现的不同现象作出解释，以加深对超重和失重条件的理解，学生能应用超重和失重条件解释一些相关的物理现象，也体现了“从物理走向社会”的理念。

深度体验：物理来源于生活，又应用于生活，与日常生产、生活和科学技术的发展联系紧密，所以物理学习强调将学到的物理理论应用于生活，要体现学以致用，体现“从生活走向物理，从物理走向社会”的理念。

3.4.2 推导拉力表达式

问题驱动：(1)为什么物体的加速度向上就会出现超重现象，而加速度向下就会出现失重现象？

(2)你能求出重物在加速上升过程和减速上升的过程中，力传感器受到的拉力吗？

设计意图：给学生提供自主推导拉力表达式的机会，教师在学生推导时进行适时点评，并在此过程中适时强调应用牛顿第二定律的规范性问题和牛顿第三定律的应用细节问题。

深度体验：理论推导的结果揭示了超重和失重现象的本质，让学生认识到人类探索自然、追求真理的不易，珍惜现有的生活，也认识到科学所肩负的使命。

3.4.3 解释实验现象

情境设置：在透明塑料瓶侧面和瓶盖处开孔，并倒入牛奶，然后让一位同学从高处释放装有牛奶的瓶子，其他同学观察牛奶是否流出。

问题驱动：(1)为什么手松开小孔后瓶中的牛奶是喷出来而不是流出来？

(2)将瓶从高处自由释放，下落过程中出现什么现象？

(3)瓶子下落过程中牛奶为什么没有喷出来？

(4)如果将瓶子竖直向上抛出，牛奶会喷出来吗?你的依据是什么？

设计意图：用白色不透明的牛奶，相比用水可以提高实验的可视性。问题(1)为理解小孔上方的牛奶产生的压强是牛奶喷出来的原因做铺垫；问题(2)和(3)则是利用完全失重的条件解释完全失重而引起的物理现象；问题(4)针对部分学生的易错点，有不少学生因为受到惯性思维影响，会认为瓶子向上运动时牛奶会喷出，为了让学生更好地观察和理解，可用通过视频慢放的方法，强化学生对“超重和失重与物体的运动方向无关，而与物体的加速度方向有关”这个结论的理解。

深度体验：惯性思维是在之前一系列重复活动的体验中形成的一种的思维定势和倾向性。在环境不变的条件下，思维定势能够让人用已有的方法迅速解决问题，但也容易走进思维误区，所以在教学中要培养学生改变思维定势的能力。

3.4.4 解释微重力环境下的实验现象

情境设置：播放王亚平空间站授课视频。

引导学生指出其中与失重相关的实验项目，运用物理规律解释微重力环境下的实验现象。

设计意图：认识空间站中的完全失重现象，让学生了解我们的国家在经过几代人不懈的努力后，使我国的航天技术处于世界领先地位，使学生意识到要努力学好科学知识，以便将来更好地投身于祖国建设，实现中国梦。

深度体验：培养学生的民族自豪感和爱国热情，培养学生的社会责任感，体现立德树人的教育本质。