指向深度学习的高中物理U型教学探究——以《机械能守恒定律》新授课为例

于方超|广东省佛山市顺德区伦教中学

学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习逐步形成的正确价值观、必备品格和关键能力。核心素养的培育不可能一蹴而就，不仅需要较长的时间，也需要有效的教学策略，而指向深度学习的高中物理U型教学即是一种有效策略。

一、深度学习和U型过程的内涵

（一）深度学习的内涵

深度学习是对学习状态的质性描述，涉及学习的投入程度、思维层次和认知体验等层面，强调对知识本质的理解及对学习内容的批判性吸收与利用，追求有效的学习迁移和真实问题的解决，属于以高阶思维为主要认知活动的高投入、有意义的学习。

（二）U型过程的内涵

杜威认为知识不能直接进行传授，知识的学习需要经历一个复杂的过程，即还原与下沉、体验与探究、反思与上浮的过程，这一过程恰似“U 型”［1］。学生首先要将书本知识还原与稀释，还原的过程即知识的“下沉”过程。U型的底部是指学生对知识进行体验、对话和探究的过程。最后是反思性思维的过程，即经过元认知过程，将符号知识进行升华，实现公共知识的个人意义达成［2］。

二、U型过程促进深度学习的分析

笔者认为，深度学习的发生是通过投入新情感、关联新知识、激活新思维、生成新意义和迁移新情境实现的，而U型过程正好适合深度学习真实发生的需要。投入新情感是学生真实学习的认知发生过程，关联新知识、激活新思维、生成新意义是学生自我建构归纳的过程，迁移新情境是学生将内化的结果外显演绎的过程。U 型过程的三个环节是促进深度学习五个目标达成的有效路径。

三、指向深度学习的高中物理U型教学策略

通过分析U 型过程和深度学习的内在联系，笔者提炼出指向深度学习的高中物理U型教学策略：以大情境为基，促进还原与下沉，投入新情感；以大问题为链，促进体验与探究，关联新知识、激活新思维、生成新意义；以大反思为本，促进反思与上浮，迁移新情境。指向深度学习的高中物理U型教学框架如图1所示。

图1 指向深度学习的高中物理U型教学框架

下面，笔者以人教版普通高中教科书《物理》必修第二册第八章第四节《机械能守恒定律》新授课为例，对U 型过程促进深度学习的教学策略进行探讨，共分三个步骤。

（一）U型过程促进深度学习第一步

1.以情境为基，突出高考评价体系的考查载体

高考评价体系最重要的创新之一，即通过“四层”（基础层、应用层、创新层、拓展层）考查内容将学科能力考查和思想道德渗透有机结合，利用“学科素养”这一关键点实现融合知识、能力、价值的综合测评，从而使立德树人真正在高考评价实践中落地。情境正是实现“价值引领、素养导向、能力为重、知识为基”综合考查的载体。高考评价体系中的“情境”即“问题情境”，指的是真实的问题背景，是以问题或任务为中心构成的活动场域。

2.设置大情境，投入新情感

教师将生活中相互关联的充满趣味的多个小情境进行提炼，通过图文等形式呈现出来即可形成大情境，大情境应注意体现应用性、综合性、关联性、开放性等特点。这种情境容易抓住学生的眼球，激发学生参与和探究的热情，使学生迅速“入戏”，从而为深度学习的真实发生奠定基础。

在《机械能守恒定律》新授课中，笔者设置铁球大摆锤情境，鼓励学生积极观察、猜想、体验。

【教学片段1】

师：（让一个学生上来演示实验）把一个悬挂的铁球贴着自己的鼻尖由静止向前释放，当铁球摆回来的时候，能否碰到一动不动的自己？为什么？其他学生观察铁球的运动并思考。

［生］观察实验现象，铁球来回摆动，第一次返回时刚好贴近学生的鼻尖。

设计意图：这个情境充满惊险的挑战，可以迅速激发学生探究的热情，引发多角度猜测和认知冲突，这就启动了深度学习的第一步“投入新情感”。同时，情境的挑战性能快速有效地使学生进入U 型过程的第一个环节“还原与下沉”。

3.以大情境为基，促进下沉与还原，多角度关联知识

通过设置大情境，从不同角度将物理知识关联，不断激发学生切入情境的热情以及探究欲望，让学生从生活情境中“下沉”到物理问题，从解决问题中“还原”物理模型。这是通过U 型过程达成深度学习的第一步。该阶段大情境与知识框架如图2所示。

图2 大情境与知识框架

【教学片段2】

师：在观察中可以发现，铁球摆动的最高位置几乎不变，说明这个过程中存在什么守恒量呢？你能从能量相互转化的角度分析问题吗？请试着从不同角度将情境链接到不同的知识，从生活情境中提出我们要研究的物理问题。

生1：分析该过程的机械能变化，动能和重力势能相互转化，机械能总量保持不变，得出机械能守恒定律。（角度1）

生2：绳子足够长，绳子质量不计时，该情境又可以变身为单摆模型，分析受力情况，研究简谐运动。（角度2）

生3：分析铁球的运动，短时间内总是摆到差不多高度，相比伽利略的斜面实验，此情境更容易得出牛顿第一定律。（角度3）

师：如果时间足够长，铁球摆动越来越低，最后停止，那角度1 的机械能守恒吗？为什么？（有效引发学生的认知冲突，给学生时间让其认真思考）

生4：前提是忽略空气阻力，机械能才守恒。（角度4）

设计意图：基于大情境，学生从观察或者体验的角度，透过情境的表面现象，关联以往的认知，多角度提出和关联新的探索性问题或者结论，从而实现从情境下沉到问题以及从还原模型到解决问题的转变。大情境可以引发学生的发散性思考，并由情境演变为要研究的物理问题，由问题关联形成结构化的知识网络，从而促进关键能力的培养。

（二）U型过程促进深度学习第二步

1.以问题为链，培养学生解决问题的关键能力

关键能力指进入高等学校的学习者在面对与学科相关的生活实践或问题情境时，为有效地认识问题、分析问题、解决问题而必须具备的能力，它主要有三个方面：知识获取能力群、实践操作能力群和思维认知能力群［3］。高考评价体系将这三个方面关键能力发展水平的测评作为主要考查内容，以区分学生综合能力水平，引导基础教育培养学生的关键能力。因此，基于学科素养导向，承接学科素养要求，结合学生认知发展实际，笔者以问题链为抓手，培养学生这三个方面的关键能力。

2.以大问题为链，促进体验与探究，关联新知识、激活新思维、生成新意义

大问题是聚焦于核心大概念、超越知识本身，对某一主题知识展开深度理解，激发知识间的关联的综合性问题。大问题可以拆解为多个小问题，每个小问题均须设置具体情境，以便让学生在情境中体验与探究，并通过破解小问题，最终解决大问题。最主要的是在体验与探究的过程中，学生需要对知识间的多点结构进行深度联结，从而提升思维的进阶水平，这对最终培养学生高通路迁移解决生活中的真实问题有重大意义。这是通过U 型过程达成深度学习的第二步。该阶段大问题、知识结构与思维框架如图3所示。

图3 大问题、知识结构与思维框架

基于真实情境的物理问题的解决过程，总是不断通过观察、猜想、实验才得出结论的，在这个不断证伪的过程中，反复出现的问题就是大问题。在《机械能守恒定律》新授课中，笔者鼓励学生大胆猜想“系统内动能、重力势能、弹性势能三种能量相互转化的过程中，机械能总量可能保持不变”，然后将猜想逐级变成要研究的大问题。学生需要通过实验的方式进行探究、检验。那么，如何设计方案检验呢？

【教学片段3】

［教师活动］将大问题分解为若干个子问题：“实验需要设计什么样的具有可行性的方案？实验需要测量哪些物理量？实验需要用到哪些仪器？它们分别能测什么物理量？实验需要设计哪些必要的步骤？等等。”以此引导学生链接已学过的自由落体运动并借助打点计时器来进行实验探究。同时给出实验装置图，展示实验目的“利用重物的自由下落验证机械能守恒定律”，提供实验器材，如铁架台（含铁夹）、电磁打点计时器、刻度尺、重物、纸带、电源等。

［学生活动］依照实验装置安装器材，先接通打点计时器的电源，待电源稳定后，使重物自由下落，用纸带记录重物下落的点迹，重复实验3～5次，从中选出一条点迹清晰的纸带，进行数据处理并验证。

设计意图：通过实验情境的猜想，以大问题为链，将大问题分解为多个子问题，关联多个知识模块，形成知识结构网络，使学生在解决问题中不断激活新思维。通过思维进阶形成思维网络，学生在解决实际问题的过程中就能生成物理观念的新意义。

（三）U型过程促进深度学习第三步

1.以反思为本，有效提升“教—学—评”一体化水平

在经历一系列探究之后，师生都需要对教与学进行反思。对教师而言，反思能促进教学过程、环节、细节的改进，提升教学质量水平；对学生而言，反思能有效提升科学思维能力，形成物理观念，在真实的情境中解决问题，实现真正的迁移。因此，以反思为本，能明显提升“教—学—评”一体化水平。

2.以大反思为本，促进反思与上浮，迁移新情境

大反思指师生对教与学目标达成情况进行的反馈与思考，是提升教与学评价的一种策略。以学为例，学生在体验与探究之后，以小组的形式进行回顾与反思。通过多角度的反思，学生可厘清各个知识结构的内在逻辑关联，在理解知识的基础上形成物理观念，并谋求在解决真实问题的过程中高通路迁移。这是通过U型过程达成深度学习的第三步。该阶段大反思、物理观念与实际问题框架如图4所示。

图4 大反思、物理观念与实际问题框架

在《机械能守恒定律》新授课中，笔者引导学生对机械能守恒定律的探究过程进行深度反思，通过对问题的逐步分析，得到机械能守恒的条件，理解“系统内”等难题。

【教学片段4】

师：如果物体除了受到重力外，还受到其他不能忽略的力，机械能是否守恒呢？如果不守恒，机械能如何变化呢？

生：机械能守恒的条件为系统内仅有重力和弹簧弹力做功。如果系统以外的力做负功，系统机械能减少；如果系统以外的力做正功，系统机械能增加。

师：如何理解“系统内”呢？（待学生思考作答后给出小结）我们通常说的“物体做自由落体运动时机械能守恒”是不严谨的，重力势能的建立是基于地球重力，没有地球，重力势能就没有意义，所以这里的“系统内”应该是指物体和地球之间。

［师生活动］教师设置生活中学生经常玩的一个游戏，让学生解决实际问题。教师解说游戏：取一支按压式圆珠笔，将笔的按压式小帽朝下按在桌面上，放手后笔将上升一定高度。然后，教师要求学生设计实验方案并动手实践，估算按压时圆珠笔内部弹簧的弹性势能增加了多少。待学生反思后再追问：“实际过程中，笔的机械能是否守恒？为什么？”学生思考后给出答案：不守恒，原因是有空气阻力及笔帽和内芯的完全非弹性碰撞等。

设计意图：通过问题链的形式进行驱动，使学生对核心概念的边界条件进行深度反思。该环节以大反思为本，立足学生的最近发展区，通过问题进阶的方式，一步步提升学生的物理观念，并在解决生活中真实的物理情境问题中，进一步提升学生的迁移能力。

综上，笔者通过分析U型过程和深度学习的内在联系，探讨应用U型过程达成深度学习的策略，旨在为一线教师提供教学参考，共同提升教学质量。笔者认为，课堂教学要通过好的情境素材把核心素养和课程内容进行深度关联，形成学习内容、学习活动、过程性评价相统一的实践性学习过程［4］。在今后的教学中，笔者仍将努力探索并实践，愿与大家共勉。