在深度学习中感悟“简约之美”

冯兰 张丹彤

【摘要】文章通过物理课堂教学实例的剖析和展示，探讨如何在课堂教学中以科学思维为先导，鼓励学生提炼和升华所学知识，引导学生发现问题、探索问题，促使深度学习的有效发生。以此为基点积极探索在日常物理课堂教学中创设既有趣味性又有思维深度的情景探究活动，引导学生从归纳、演绎思维的角度研究问题、拓展视角，促进学生科学思维的提升、物理观念的形成，同时渗透“美”的教育并达到领略物理学“简约之美”的效果。

【关键词】物理课堂教学  科学思维  深度学习  简约之美

【基金项目】本文系江苏省教育科学“十三五”规划课题《以科学思维为先导的“非主流”课堂教学研究》（课题编号：D/2018/02/14/）的阶段性研究成果。

【中图分类号】G633.7   【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2023）08-0127-03

物理学是一门研究自然界物质基本结构、相互作用和运动规律的基础科学[1]。在物理学的建立和发展过程中，人们积累了丰富的科学研究方法和思维方式，树立了求真、求善、求美的科学态度和人文精神，从而让物理学拥有了丰富的知识体系、人文品性和美学特质。作为一门探究性学科，物理学特别注重运用科学思维方法认识客观事物、解决实际问题。从个别到一般的归纳思维、再从一般到个别的演绎思维是科学思维的重要组成部分。这其中把复杂的问题抽丝剥茧简单化，体现的就是一种本领和智慧。大道至简，用简去繁，实际上也是物理学在发展统一路上一直追求的简约之美。

在物理课堂教学中，如果“用记忆替代思考，用背诵替代对现象本质的清晰理解和观察，用简单重复练习代替对本质理解后的举一反三”，这样的教学，有做法、有手段、有短期效果，但却不能触及学生的心灵，不能使学生“心动”。教学若不能打动人（心），学生的思想、意识、情感就不能活跃，就不可能有作为主体的深度学习[2]。若为了帮助学生探寻现象、问题的本质，一味地牵着学生往“深度”探究问题，只注重引导学生探究物理学的思维之缜密、探究之有序，又常常会让学生产生畏难的情绪。所以课堂深度学习的发生需要教师根据学生的“最近发展区”创设既有趣味性又有思维深度的情景探究活动，让学生感到自己是活动的主体，发生积极主动的学习活动。深度学习的课堂教学不仅提升了学生的归纳演绎思维、批判性思维等科学思维，而且能让学生体会到物理规律的简约之美，达到以美启智、以美启真、以美创新的课堂教学效果。

笔者以《光的折射》《简谐运动》这两课教学为实践案例，着力在课堂中以“深”入本质的发现学习和由“深”至“远”的探索学习引导学生从科学思维的角度发现、感悟物理学的“大道至简”之美。

1.“深”入本质，发现物理学简约之美

物理的“真”告诉学生要透过现象寻找共性、探寻本质，从而领会本质不仅是规律更是成因。引导学生主动地通过“质疑”“探究”“归纳”“演绎”等过程主动对学习内容进行深度加工，去除非本质属性的干扰，把握知识的内在联系，是深度学习发生的一种有效方式。在《光的折射》教学中，常见的教学设计是“观察现象→探究规律→回顾历史→总结结论”，但由于探究的结果仍停留在对单一现象的规律总结，在对学生归纳演绎思维的培养上略显不足，缺少深度思考的过程，在引领学生感悟物理学之美、形成物理观念的层面也有欠缺。基于这样的思考，笔者在原有的教学设计中加入了对反射、折射规律的对比探索，引导学生思考“在反射、折射等光学现象中有没有一个更有一般性、统一性的规律？”，鼓励学生提出自己的观点并通过定量计算证明自己的观点。通过质疑、思考、讨论、表达、论证，学生由接受知识的状态转变为自主探寻知识的状态，强化了沟通和批判性思维能力，在提升科学思维的深度学习中切身感悟到物理学中的简约之美。

1.1教学实录

教师引导：在刚才的探究学习中，我们理解了光的折射遵循折射定律，同时也理解了书本上关于折射的两个公式：

请同学们回想一下初中学的光的反射定律，画出光路图，寻找一下光的“行为特征”。

学生绘制光的反射光路图（如图1所示），并阐述了反射定律。

教师引导：光为什么一定要这样走呢？对比一下a、b路径和光实际走的路径，思考为什么不能是图2中的a或b的光路呢？

学生：光按实际光路传播的路程最短！

教师引导：在反射现象中，光总能准确地找到最短路径。在光的折射现象中，是不是也有这样的规律呢？如图3所示，光从真空中的A点射到界面的O点，折射后射到了介质中的B点，请同学们思考一下在折射中光从A点到B点为什么要弯着走呢？两点间不是直线最近吗？为什么不沿图4中A至B的直线路径走呢？

学生思考讨论：若沿着AB直线路径，光走的路程是短了，但是在介质中走的路程变长了，光在介质中的传播速度比真空中小，所以是不是光选择路径时会考虑时间因素？

教师引导：根据同学的猜想，请同学们设计情境来具体算一下“直线路径”和“实际光路”这两条路径的用时。

学生设计情境并给出数据：设α=53°，β=37°，光速c和A、B到界面的距离h。

学生分组计算：1、3、5组计算图3中的时间，2、4、6组计算图4中的直线路径的时间。

1、3、5组同学计算过程和结果：n==，n=，ν==c

2、4、6组同学计算过程和结果：L=h·tanα+h·tanβ=h

若写成t′=则可以更直观地比较得t′>t.

学生总结：比较两组数据可知，路径最短用时不一定最短，光选择了用时更短的路径，光还是“很会节约时间的”。

教師引导：通过同学们自己的努力，大家发现反射定律、折射定律表达方式不同，但在其背后都遵循着共同的原理——费马原理。（法国科学家皮埃尔·德·费马在1662年提出著名的费马原理（Fermats principle）：光传播的路径是光程取极值的路径。最初提出时，又名“最短时间原理”：光线传播的路径是需时最少的路径。）

在我们的生活中，光的行为由于介质不同、物质表面情况不同，呈现出很多复杂的光路，在这些复杂现象的背后都遵循着一个简单的原理。应用归纳法从个别规律中取其共性和精华推广到一般现象，这是物理学中常用的归纳思维。物理学家们用归纳法将很多看似不同的规律总结成一条条具有普适性的经典规律，这就是物理学一直在追求的极简之美。

1.2教学反思

这部分内容的教学时间约8分钟，在这8分钟的思考和讨论后，学生表现出了对自己探究结果的惊喜和对物理学大道至简的感慨。在该教学环节中，通过老师引导质疑，让学生自由猜想、自主推理验证、自由表述，完成了对知识的提炼和升华。这样的教学过程，不仅帮助学生在知识层面对光的折射有了更深入的理解，而且在科学思维的提升和物理观念的形成方面都有了很大的收获，是一个有效的深度学习过程。

2.由“深”至“远”，品味物理学简约之美

我们身处在一个运动的世界，让学生学会从物理学视角看物质、运动与相互作用、能量，是高中物理学科核心素养的要求之一。黎加厚教授指出“深度学习的基础是理解”，在《简谐运动》这一节的学习前，学生对牛顿力学、能量守恒的理解已基本到位，学生已基本掌握分析运动的基本知识和能力，这就具备了在这一节中将良构问题劣构化的深入探究的基础，也是深度学习发生的良机。基于这样的思考，笔者设计了拓展探索环节，让学生用归纳演绎思维分析问题，体会复杂运动中的简约之美。

2.1教学实录

教师引导：在简谐运动的实验探究中，我们得知，当小球的位移—时间关系是正弦函数关系时，小球做简谐运动。简谐运动是最基本的振动。

同学们观察视频（视频截图如图5所示），分析了绕O点做（逆时针方向）圆周运动的小球在x方向上的分运动和y方向上的分运动都是简谐运动。

教师引导：通过同学们的推理分析，发现匀速圆周运动是相互垂直的两个简谐运动的叠加。请同学们思考，椭圆运动是不是也能这么分解呢？大家可以结合老师给的图片信息思考（如图6所示）。

学生分组讨论：我们组觉得是可以的，x方向的运动可以等效于以A1为半径的圆周运动在x方向的分运动，y方向的运动可以等效于以A2为半径的圆周运动在y方向的分运动，但具体的推导暂时做不到。

教师引导：这组同学结合图片信息，有了对椭圆运动分解的思路，但是由于数学问题比较复杂，暂时无法证明，那我们不妨反证一下他们的结论。

所以+=1，这就是图中椭圆对应的方程。刚才那组同学对椭圆运动分解的思路是正确的。

学生总结：椭圆运动也是相互垂直的两个简谐运动的叠加，只是这两个简谐运动的位移最大值不同。

教师引导：在刚才的两个实例分析中我们发现当x、y两个方向上的简谐运动的相位差为时，振幅相等时合运動为圆周运动，振幅不等时合运动为椭圆运动。其实两个相互垂直方向的简谐运动的叠加结果还有很多可能，比如我们可以将两个简谐运动的相位差调整为、等其他值；将两个简谐运动的振幅和频率调整为其他不等的值，它们的合运动会是什么样的呢？下面请同学们应用电脑桌面上的动画小程序（如图7），改变左上角的参数，自己进行观察探索。

2.2教学反思

在这个环节的教学中，通过动画程序的探索学习，化抽象为具体，让学生模糊的想象变为清晰可见的画面，学生对自己的探索结果表现出了“惊奇”和“想要继续研究“的热情。通过将按两个相互垂直的方向分解圆周运动、椭圆运动的良构问题，提升至研究一般振动的思维方式探讨这一劣构问题，问题的品质和学生的思维品质都得到了有效提升。通过从个别运动模式到简谐运动是振动的基本因子这一一般性规律的“深”的学习，到将这一规律应用到对生活中一般物体的振动分析中的“远”的应用，在由“深”至“远”的学习中学生的归纳演绎思维都得到了有效提升，也体会到了物理学的简约之美。

总之，高中物理知识的多元化、物理模型的多变性，给教师提供了很多可以挖掘的深度学习素材。物理课堂教学中若能结合这些素材巧妙设置情景帮助学生发现问题，引导学生探索问题，进而解析问题，形成问题意识，加强“学用合一”“知行结合”，就能有效实现深度学习。从教学实践来看，高中物理教学课堂中有情景活动的“趣”、有实验探究的“真”、有理论探究的“严”、有学以致用的“活”。如果在这些有效环节中结合科学思维方法，渗入探究“美”的元素，不仅能在情感角度上激发学生学习物理的兴趣，更是在科学思维、物理观念的角度改变着学生观察世界的方式，让学生处处领略物理学的思维之美、探究之美、简约之美。

参考文献：

[1]裴继孙，郑康.新形势下塑造中学物理文化的新魅力[J].中学物理教与学，2020（10）：3-6.

[2]刘月霞，郭华.深度学习：走向核心素养（理论普及读本）[M].北京：教育科学出版社，2018：29-38.