指向深度学习的高中物理课堂教学问题链设计

史慧娟

摘 要：本文以牛顿第二定律为例进行促进深度学习发生的课堂问题链设计策略的探究，主要从引发思维起点、加深规律理解、促进高阶思维、深化迁移应用四个方面着手设计阶梯式的问题链，引发学生课堂深度思考，主动参与学习活动，从而实现物理核心素养目标在课堂中达成。

关键词：深度学习；核心素养；问题链；牛顿第二定律

一、指向深度学习“问题链”设计的背景与意义

2020年新版《普通高中物理课程标准》进一步明确了普通高中教育的定位，普通高中的培养目标是进一步提升学生综合素质，坚持发展核心素养，以实现立德树人为根本任务。发展核心素养主要是指学生应具备的，能够适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。因而教师在课堂教学中不仅需要明确知识层面的教学目标，更需要思考如何培养学生运用物理知识和方法解释自然现象和解决实际问题的能力，从物理学视角提出疑问、批判，进而提出创造性见解的能力等。然而在应试教育的模式下学生不断地训练刷题，导致会做题却不能将知识迁移应用于解决真实问题的现象较为普遍；学生掌握的学科知识是割裂的、碎片化的、去情境化的，也无法与未来职业生活建立联系，并没有形成系统的物理观念和物理科学思维，也就难以将学科知识真正应用到实际生活中。虽然素质教育的改革已推进多年，但实际课堂教学中教师还是多采用“讲座式”模式，难以培养学生发展核心素养。

近年来，国内外研究人员对如何促进深度学习有深入的研究，深度学习强调基于理解的学习、主动建构知识、高阶的批判性思维、有效的知识迁移和复杂性真实问题的解决[1]。课堂深度学习是课堂上学生在教师的引导下，通过对知识的理解、创造、应用等，实现自身认知结构的完善、科学思维能力的发展、实践应用能力的提升。也就是说，深度学习是一种培养学习者多样性的，而非单一素养的学习理念。当然深度学习和浅层学习不是完全对立的，它们在时间维度上是存在着连续性的，我们必须由一定的浅层学习得来的知识才能进行深度的更有意义的学习，通过深度学习将浅层学习割裂碎片化的知识重新整合建构，形成新的认知结构，并有利于知识的提取、迁移与应用。由此可见，深度学习可成为学生核心素养达成的有效路径。

学习往往伴随着问题，问题是触发思维开启的开关，也是教学过程开展的最好推手。教学需要通过一系列层次化、结构化、可扩展和可持续的问题来引导学生深入思考。简而言之，有好问题的引导是促进深度学习发生的方式之一[2]。课堂“问题链”设计则是为了形成学生的最近发展区，基于这节课要达成的物理核心素养目标，根据学生已有的认知水平，把需要学习的知识转化为一连串有主题的问题串。经过设计的问题之间相互有关联，又层层递进，对学生的思维要求是螺旋式上升的，巧妙的设问对学生有吸引力，能够激发学生的探索欲，从而自发地形成由浅层学习至深度学习的路径，学生的核心素养得到了培养[3]。

二、促进深度学习的课堂“问题链”设计策略

课堂问题链的设计应基于素养目标的达成为基本准则，笔者将以《牛顿第二定律》一节为例介绍促进深度学习发生的课堂“问题链”的设计策略，以下是牛顿第二定律的核心素养目标：

物理观念：（1）掌握牛顿第二定律的内容及数学表述形式，形成与牛顿第二定律相关的运动与相互作用观；（2）理解牛顿第二定律中每个物理量的含义及相互之间的因果关系，会利用牛顿第二定律解释生活中的动力学问题；（3）能够用牛顿第二定律方法完成相关的一些计算。

科学思维：能对探究加速度与其质量和合外力的实验结果进行推理论证并得出结论，能利用牛顿第二定律的相关证据对动力学问题进行分析推理和论证。

科学探究：能通过实验探究物体的加速度跟其的質量和所受合外力之间的关系，会运用控制变量法设计实验方案，学会处理实验数据和误差分析，完善提升科学探究的能力。

科学态度与责任：通过牛顿第二定律的学习，渗透从物理学认识世界的方法，进一步认识学好物理对解释自然现象的重要性，从而具有学习物理和探索世界的兴趣。

三、旧知链接新知“问题链”，引出新课思维起点

能成为好的课堂引入需要具备两个要素：一是激活学生思维、引发学习兴趣；二是搭建新知与旧知之间的桥梁，使学生在接受新课内容时更加顺畅。这样既符合学生的认知特点，也契合深度学习中“联想与结构”的特征，在唤醒已有知识的同时重新搭建知识网络结构，发掘知识点之间的逻辑关系，加深对知识的理解，从而深化对物理观念的认识。

问题链1 通过知识回顾与梳理进行引入：

师：牛顿第一定律反映了力与运动的关系，力与运动是什么关系呢？

生：力是改变物体运动状态的原因。

师：能够表现物体运动状态改变的难易程度是我们学过的哪个物理量呢？

生：惯性。

师：影响惯性大小的因素是什么？

生：质量。

师：质量越大，惯性越大，物体的运动状态越难改变。

师总结：运动状态改变的实质是速度改变，速度改变的原因是产生了加速度；换句话说力是产生加速度的原因，同时加速度的大小与质量有关。由以上推理过程我们可以猜想物体加速度大小与其质量、所受外力两个因素有关，具体是什么关系需要通过实验验证。上节课我们分组对该实验进行了探究，得到了什么结论？

生：质量一定时，加速度与合外力成正比；合外力一定时，加速度与质量成反比。

设计意图：新课引入“问题链”设计通过学生回答问题反馈，判断学生是否掌握牛顿第一定律的含义；同时回顾探究加速度大小与合外力、质量关系的实验结论。学生能够深刻理解牛顿第一定律的内容，则能较好推出影响加速度大小的因素。从而初步形成与牛顿运动定律相关的运动与相互作用观。

四、探究结果解构“问题链”，加深对物理规律的理解

课堂中的深度学习即学生在教师的引导下体会物理学科的基本思想，主动参与建构知识结构。我们知道物理教学中经历科学探究的过程非常重要，在笔者看来对科学探究后结果的分析同等重要，这个过程学生在亲历物理规律的生成过程，可加深对其的理解，同时能够培养学生通过科学推理得出物理规律的科学思维能力。

问题链2 牛顿第二定律的内容与表达式的生成

师：通过大量实验探究，得出以下结论：一定时，；一定时，。则，这便是牛顿第二定律，请同学们根据比例式用文字描述牛顿第二定律。

生：物体加速度的大小与所受合外力的大小成正比，与物体的质量成反比，加速度的方向与合外力的方向相同。

师：由可以得到，，转化为等式即，那么该式中的就是比例常数。那么请同学思考等于多少呢？可以通过简单的生活实例进行引导，如人有两只眼睛，也可以说有一对眼睛，为什么量词变了？以此生活体验引导学生认识k等于多少是决定于单位。

师：让同学们阅读教材力单位由来的内容，从而得出牛顿第二定律的公式可以简化为什么？

生：或

设计意图：这一环节的问题链设计引导学生主动分析“探究加速度与合外力和质量的关系”实验结果，进而归纳出牛顿第二定律的内容，推导出牛顿第二定律的表达式，在引导学生理解表达式中k值等于1的条件中，也能够加深对牛顿第二定律的推导过程的认识，体会牛顿对物理学发展做出的巨大贡献，而并非直接给出牛顿第二定律的表达式，为后续对牛顿第二定律内涵的理解奠定基础。

五、引发深度思考“问题链”，促进高阶思维发展

关键能力的培养旨在学生掌握相关知识的层面上，深刻理解其内涵，可以将其运用到新的实际情境中解决问题。指向高阶思维的深度学习是实现这一目标的有效途径，教师通过层层递进的问题驱动引导学生对所学知识深入细致思考与审慎质疑，探求事物的本质与知识的内在联系，基于证据进行科学推理，从而科学构建自己的认知结构，发展批判性思维与创造性思维。

问题链3 对牛顿第二定律因果性、矢量性、同体性、同时性、独立性的理解

因果性：

师：牛顿第二定律中说明了加速度与力是成正比的，能否反过来说力与加速度成正比，思考为什么？

生：不可以…

师总结：力是产生加速度的原因。式中的等号表示的是一种因果关系，物体的受力情况决定了物体会做什么样的运动，物体的运动状态又可以反映出受力情况。

矢量性：

师：牛顿第二定律中与都是矢量，加速度是由力决定的，加速度的方向与力的方向总是相同。请同学们回想加速度的定义式是什么？

生：。

师：从加速度的定义式我们知道加速度的方向与什么相同？

生：物体加速度的方向与它速度变化量的方向是相同的。

师总结：是加速度的定义式，通过该式我们知道了加速度的测量与计算方法，但是加速度大小与速度及其变化没有因果关系。是加速度的决定式，该式揭示了力与运动的关系，即力是物体产生加速度的本质原因，因此物体加速度的方向由所受合外力的方向决定。

同体性：

师：请同学们思考牛顿第二定律表述中提到的“物体”是指同一物体吗？

（学生讨论）

师：根据学生的讨论结果给予分析并总结牛顿第二定律中、、必须是对同一研究对象（物体）。

同时性（瞬时性）：

师：请同学们思考以下问题，物体受到拉力之前静止，物体受到拉力之后做什么运动？那当我们撤去拉力后，物体的运动状态如何呢？如果力逐渐减小到0的过程中，物体的加速度将怎样变化？

光滑水平面

生：受到拉力之后做匀加速运动；撤去拉力后，物体做匀速运动；如果力逐渐减小，则物体的加速度逐渐减小。

师总结：加速度与合外力总是同时产生，同时消失，同时变化。力可以突变，加速度也可以突变，加速度与力必须是同一时刻。

独立性：

师：请同学们思考，根据牛顿第二定律我们可以推理出无论多小的力都可以产生加速度，但是我现在用力去推讲桌却没有推动它。这一结果是否与牛顿第二定律矛盾呢？

生：不矛盾，因为物体还受摩擦力，合力为零。

师总结：讲桌没有推动，加速度为0，这里的加速度是合加速度，而前面分析的力是推力，应该对应合外力，而合外力确实为0。所以不矛盾。也就是说物体所受的每个力均会独立产生一个加速度，而物体的实际加速度是合加速度，是由每个力产生的加速度矢量合成得到的。例如：拿着粉笔竖直缓慢移动它受到支持力和重力，释放粉笔自由下落，它只受重力（忽略空气阻力），但两种情况下重力对应的加速度都是。

设计意图：牛顿第二定律是在实验基础上建立起来的重要规律，它是动力学的核心规律，是本章的重点，也是一个难点内容，能否正确理解这一定律对今后力学部分的学习至关重要。对于学生来说，全面深入理解牛顿第二定律的内涵与各物理量的相互联系是有困难的，这一系列环环相扣的问题串引导学生明确认识并理解牛顿第二定律的内涵。通过思考问题与相应实例，学生能够理解牛顿第二定律的物理意义。

六、巧设真实情境问题，深化迁移应用能力

对于《牛顿第二定律》一节的学习，经历了猜想、探究、论证、反思等过程，学生已经初步掌握了牛顿第二定律的内容。然而深度学习除了深度参与、深度思考、深度反思，更重要的是能够迁移应用。将新收获的知识应用到解决相关的实际情境问题中，就是一种思维迁移，那么具体的问题选择是非常关键的，能够让学生内化的知识外显化和可操作化，同时尽可能真实且稍微有一定的挑战性[4]。笔者设计了两个角度的课堂例题，已知受力情况求运动情况和已知运动情况求受力情况。通过两种不同类型题目的练习与讲解，使学生逐步掌握应用牛顿第二定律解决问题的方法，锻炼学生将物理规律应用于实际问题解决的能力。

【例一】跳伞运动员在下落的初始阶段，可视为做匀加速直线运动。若在这个过程中运动员所受阻力为400N，该运动员与飞行器的总质量为200kg，则列车从起动至速度达到30m/s需要多长时间？

师：引导学生分析题目，首先确定研究对象，接着对其受力分析，然后建立直角坐标系列方程。

由牛顿第二定律：

由运动学方程：两式联立解得

【例二】某同学骑自行车在平直的公路上以18km/h的速度匀速行驶，突然看到前面10m处有一只小狗停在路边立即刹车，刹车后可视为匀减速运动，该同学与自行车的总质量是180kg。则该同学在刹车过程中受到的阻力至少为多大？（学生练习）

师：强调列方程规定正方向，建立直角坐标系的原则；总结解题过程。

设计意图：通过例题引导学生体会利用牛顿第二定律解决动力学实际问题的思路和具体的求解过程。由于是新课教学，需要特别注意循序渐进，逐步引导学生应用牛顿第二定律的一般思路。最终学生能够通过牛顿第二定律的相关证据分析解决动力学与运动学问题。

结束语

综上所述，课堂问题链设计需要有教师引导，学生由简单问题的初步探究逐步转化为对深层问题的深入探索，以此促进学生的深度学习。针对不同的教学内容，课堂教学中问题链的构建都可以应用本文中介绍的四种策略，学生在问题链的驱动下，主动参与课堂活动，在不断深入思考中挖掘知识与知识之间的内在联系，构建系统的知识网络，同时在质疑、推理、反思等高阶思维活动中深化科学思维能力，发展核心素养。当然问题链的设计策略不只局限于此，无论采用何种方式提出问题，都应紧紧围绕素养目标的达成，同时问题设计要符合学生心理特征和认知能力，要使问题间具有学科的逻辑关联，呈阶梯式由浅入深、循序渐进。

参考文献

[1]黄晶.指向深度学习的“重心”概念教学策略研究和实践[J].物理教学，2022，44（11）：15-18，32.

[2]顾晓东.促进深度学习的问题群设计策略[J].基础教育课程，2021（21）：36-41.

[3]谷海躍，陈新华.促进高中物理深度学习的“问题链”策略研究：以“电表的改装”教学为例[J].物理教学，2020，42（11）：25-28，3.

[4]黄晶.基于问题解决的重心概念深度学习研究[J].物理教师，2023，44（4）：6-10.