指向高阶思维培养的深度学习教学探究

潘丹丹 郭秋洁 林心如 张景媛 郑勤红

摘   要：随着基础教育课程改革的不断深化，培养学生核心素养成为新课改的重要目标和任务。结合初中物理课堂重在定义概念和验证规律的教学现状，缺乏深度学习的教学理念。通过对教学内容的深度探究设计来撬动学生高阶思维的发展，以“杠杆的平衡条件”为例，在科学探究过程中建立物理概念、探寻物理规律，促使学生掌握物理知识的同时实现思维水平提升。

关键词：杠杆的平衡条件;深度学习;高阶思维;核心素养

初中物理是学生接触物理的初级阶段，是建立正确物理概念和物理规律的黄金时期，因此初中阶段的物理教学至关重要。但目前的教学中，学生思维停留在记忆、理解和应用的低阶思维上，亦即浅层学习阶段，错失高阶思维培养的契机。为此，本文以初中物理“杠杆的平衡条件”为例，探析如何在物理概念和物理规律教学中，开展指向高阶思维能力培养的深度学习教学设计。

1  指向高阶思维培养的深度学习

深度学习强调学习者主动建构和批判理解知识，要求学习者理解知识内容的完整含义，使新旧知识建立联系，将所学知识迁移运用到新情境并做出决策。高阶思维是指发生在较高认知水平上的心智活动，是以低阶思维和旧知为基础，形成对学习内容的批判理解，创造性解决复杂问题，促进迁移应用[ 1 ]。

指向高阶思维培养的深度学习具有多方面的特征：（1）渗透真实情境，真实情境既是深度学习发生的客观条件，也是高阶思维发生的前提。浅层学习大多是通过“记忆—理解—应用”为手段，处理简单的物理情境;深度学习则要求提供复杂的真实问题，设置合理的挑战台阶，催化学习程度以提升思维深度。（2）交互的具身认知，高阶思维是让学生意识到深度学习的发生，要求大脑、身体、环境交互的自组织涌现与生成，并非抽象化的符号记忆理解，全身心积极参与、体验成功、获得发展的学习过程。（3）批判的自我反思，深度学习的目标是提升学生思维高度，不能仅停留于“知道—领会—应用”的层面，基于证据进行科学推理和判断，形成科学的见解，思维的批判性促进深度学习的发生。（4）知识的迁移运用，深度学习就是让个体在不同情境中的迁移。从结果审视，深度学习是指能够通过“应用—分析—创造”等方面进行知识迁移，并且应用迁移是指在理解基础之上的迁移，形成对学习内容的理解，从而解决复杂问题，完成学习迁移最终实现知识的内化和高阶思维的发展。（5）真实的问题解决是高阶思维和深度学习的终极目标，教师引导学生巩固与深化所学知识，培养分析问题和解决问题的能力，提高学生的思维水平。

2  指向高阶思维能力培养的深度学习教学设计

2.1  杠杆教学活动现状

初中物理“杠杆的平衡条件”一节，力臂是非常重要的概念，展开的顺序一般是：直接给出力臂的定义，再利用力臂概念进行杠杆平衡条件的探究。教材及传统教学流程易导致知识建构存在盲区，不利于“杠杆的平衡条件”的有效教学，主要表现为三个方面：（1）点的平衡与体的平衡知识衔接断裂，受前概念的影响不容易区分杠杆平衡状态;（2）力臂概念的直接定义，未突出概念建立的必要性;（3）未能深化杠杆平衡的影响因素，由单一的某个物理量影响物体运动状态转化为两个物理量的乘积影响物体运动状态[ 2 ]。这种传统的教学活动对学生缺乏挑战，属于理解层面的思维活动，不能达成促进学生深度学习并提升其核心素养的课程目标。

2.2  指向高阶思维培养的深度学习课堂教学思维主线

传统教学主线忽略学生起点，活动难以使学生深层理解本质。据此，本文对“杠杆”一节提出以下教学改进：以学生为主体，力为切入点，三个新知盲点为指引，针对学生思维盲区，研究制作杠杆平衡条件实验教具，在规律探究中建构概念，通过概念建构促进对规律的理解。深度学习是基于高阶思维构建知识的过程，以学生当前思维认知水平为“生长点”，以理解水平上的记忆为基础不断体验、反复训练，从而获得分析、评价、创造的思维能力[ 3 ]。综合分析国内外相关研究成果，本文提出深度学习的课堂教学思维主线如图1所示。

综上所述，长期以来教师在物理概念与物理规律的教学设计流程形式单一，加之初中学生的物理思维能力水平还在比较稚嫩的生长，因此学生对物理知识是留于表面的、浅层的学习。高阶思维作为一种新型的思维模式，深刻影响学生物理思维的发展走向，只有思维走向深层，学习才能走向深度。将深度学习的思想渗透到物理概念及规律的教学中，有助于提高学生独立思考、动手探究、问题解决的能力、批判思维的提升，促进他们的认知方式从浅层记忆转向物理本质的高阶发展。

3  基于深度学习课堂教学思维主线的“杠杆的平衡条件”教学案例

3.1  创设真实情境，引发认知冲突

学生的参与和投入是思维提升的第一级台阶。教学导入环节要努力激发学生的兴趣，吸引学生的注意力和对教学内容的期待，提高课堂活跃度。尤其重要的是，在问题情境的引导下，学生有选择地调用旧知识时会出现知识冲突，使得原有认知结构平衡被打破，思维被调动，产生强烈的求知和探究的欲望;在教师的引导下，学生通过观察、联想、比较等方式逐渐厘清待研究的问题。

教学片段1：创设活动情境，如何公平分胡萝卜？同学讨论从悬挂点分开，结果如何？

将胡萝卜用一根细线吊在铁架台，使其在水平位置平衡。沿平衡点分割成两半，两部分的重量如何？为什么？怎样称量？学生回顾前面的二力平衡，其中包含“力的大小相等”，所以两边重量相等。

设计意图：这一情境回到了物体平衡的起点。在学生尝试用各种物体称量时，激发了学生的想象和参与度。当称量结果与预测结果不符合时，激活学生致力于解决这个问题的内驱动力。学生目前的错误概念是力的大小是影响杠杆平衡的因素，如何引导学生从点的平衡过渡到体的平衡，同时又要考虑学生的最近发展区和已有知识的认识，逐级登上思维的阶梯。

3.2  巧用演示实验，激活学生思维

在学生对预测结果与称量结果不符，产生疑问的基础上。教师因势利导，逐步呈现“力的作用点”对物体平衡的影响，由于学生的独立思考易固化思维，所以教师通过适度地搭建支架和小组交流等方式，产生思维的碰撞，使学生获得更多思维进阶的灵感。

教学片段2：教师提问：若选择直尺称量，能否一边放在距支点10 cm的位置一边放在20 cm的位置。学生一致认为不公平。部分学生认识到杠杆平衡与“距离”有关。再次追问：杠杆的平衡除了与动力阻力有关，还与什么有关？学生通过体验表示杠杆平衡还与支点到力的作用点的距离有关。至此，教师应该鼓励积极思考和发言的学生，不以教师为权威标准，敢说敢想的学习态度。紧接着拿出杠杆演示仪（图2），让学生思考若在10 cm挂2个钩码，那20 cm处应该挂几个？挂一个钩码怎样使杠杆水平平衡？学生思考：挂一个钩码离支点远一点就平衡。

设计意图：从开始杠杆平衡与力的大小有关，到考虑还与支点到力的作用点有关。通过互动过程纠正了学生错误的前概念，化解新知盲点一，也启发要有问题意识。高阶思维通常发生在“难点问题”的解决过程中，发现问题、提出问题是关键。

3.3  小组合作探究，设计方案探索

传统的教学中，教师很大程度上只是让学生“按部就班”地重复成功实验，比如杠杆平衡条件的探究仅用钩码、直杠杆在水平平衡状态进行，虽方便实验操作。但从结果上看，一方面，由特殊的实验器材获得普遍的结论，规律缺乏科学性和严谨性;另一方面，力臂概念模糊，未突出概念建立的必要性，难以引发学生展开批判、反思、创新等高阶思维。这种将知识储存大脑的方式，使得学生虽然接触了大量知识，但学习的有效性较低。

“杠杆平衡条件”探究如何设计指向学生高阶思维能力培养的学习活动？本文提出图3所示的探究路线：（1）规律在原有思维和经验中发展，为此设计初探平衡;（2）改变力的方向杠杆不平衡，结论矛盾进而补充概念，概念在规律探究中建构。

教学片段3：实验探究

活动1：初探杠杆的平衡条件

活动方案：在猜想杠杆平衡与力的大小、支点到力的作用点有关的基础上，以初中阶段要求掌握的研究方法（控制变量法、归纳总结）为指导，学生自主设计实验方案。

活动步骤：介绍实验器材（图2），重点介绍实验前调节平衡螺母，改变力的大小或钩码到支点的距离，使杠杆平衡。以上重复三次实验，在实验结束后通过数据分析总结规律。

设计意图：从定性分析到定量实验的过渡，推动了学生动手实践和思维相结合，为科学规律的探究做好铺垫。学生初步探究得出杠杆的平衡条件是“力与距离（支点到作用点的距离）的乘积相等”，在这个探究过程依次实现“观察—归纳—分析—推断”等思维进阶。

活动2：深化杠杆平衡的条件

为了使原结论进一步深化，利用圆形铝材与铁架台组装自制杠杆，并在圆形铝板外部装上定滑轮，内部装上可转动的圆刻度盘，杠杆的支点与圆心重合，细线悬挂的钩码充当动力及阻力。

演示1：在杠杆支点左右的10 cm处用棉线各挂一个钩码，调节使其平衡，如图4所示。提问：若把右侧钩码的细绳挂到滑轮上还能保持平衡吗？

演示2：在杠杆平衡时（图4），把右侧钩码的细绳挂到滑轮上，杠杆发生转动（图5）。提示：初探的平衡条件包涵力的那些要素？还可以改变力的什么要素使杠杆转动？

该环节是清晰建立力臂概念、深化平衡条件的关键，因此第二步为学生的深化探究提供以下思维阶梯：（1）回顾：初探得到的平衡条件：力与“距离”垂直时，推出“力的大小×距离=定值”，普适规律应包含初探规律，即“垂直”时，普适规律能转化为初探的规律;（2）提示：若普适平衡条件与初探条件大致相同，而左侧力情况不变时，故条件中的“定值”应不变。即杠杆右侧力的方向改变时力的大小应改变，条件中的“距离”必须改变，且力越大的一侧其对应的距离越小：（3）演示：转动内部圆刻度盘读数（图5），杠杆左侧符合力越大距离越小的要求。引导猜想“支点到力的作用线的距离”是影响杠杆转动的因素;（4）补充概念：力的作用点和方向共同决定支点到力的作用线的垂直距离，该距离叫做力臂，影响杠杆转动。（5）完善结论：得到影响杠杆转动的两个因素—力的大小和力臂，进一步深化杠杆平衡的定量关系时，探究流程设计类似于活动1中的内容，将不再赘述。引导同侧力杠杆平衡探究（图6），最终多维度探究杠杆的平衡条件都是：动力×动力臂=阻力×阻力臂。

设计意图：以杠杆平衡规律的探究中对力臂概念有了创造性的认知，化解新知盲点二。在两次探究中学生意识到科学理论不仅依据猜想展开，更是大量实验对比分析、不断互证。从实验冲突中提升学生的批判思维，在经历“观察—认知冲突—发现—对比—综合”的过程，体会到科学规律的严密性，发展学生的高阶思维，促进深度学习的发生。

3.4  建构知识网络，促进意义生成

深度学习强调，知识的获得不是简单的记忆与叠加。学生经历了3个环节，状态较为活跃，如何让思维继续保持在较高的层次？通过新信息与旧知识经验的双向建构，反复作用，引导学生将事物的本质与联系进行结构化。

教学片段4：逻辑导图建构（图7）。力臂是一个潜隐性的物理概念，通过逻辑导图建构让学生知道概念和规律的来龙去脉，完成顺应与同化，避免机械记忆。回顾力臂在探究过程中如何生成、转变、发展，是正确建立杠杆平衡条件的关键[ 4 ]。从“定性—定量—概念化”逐级深化力臂概念，得到普适的杠杆平衡条件，化解新知盲点三，促进高阶思维的进一步发展。

3.5  灵活迁移运用，解决真实问题

从对物理知识的获取和简单分析，再到迁移、深化知识，发展分析、评价、创造等高阶思维能力的发展，离不开对实际问题的解决。

教学片段5：教师引导学生回顾一开始提出的胡萝卜沿平衡点分为什么质量不一样？平衡是现实生活中常见的一种物理现象，学生在问题解决中理解杠杆的平衡需要考虑力臂，但另一个困惑又是把胡萝卜受到的重力看作动力和阻力，作用点怎么画？学生分析分胡萝卜的杠杆原理并阐述，用诞生的概念解决问题。

基于高阶思维的发展和学生思维的创造性，初中学生的作业应该是开放性的问题或生活实践类，如《杆秤复活记》，天平在称量物体需要在两侧放等重的物体并且不易携带，如何根据实际用途应如何对它进行改进？用深度学习的素养进行问题的分析、解决和思考，在制造中学会迁移。新课标突出文化自信的理念，感受杆秤是祖先的智慧也是公平、诚信的象征。

4  小结

深度学习是一种基于理解的学习，核心特征是培养学生高阶思维，在教师引领下，围绕具有挑战性的学习主题，全身心积极参与、体验成功、获得发展且有意义的学习过程。物理概念与规律教学是中学物理重要的教学内容，其中概念、规律的深度教学实施路径影响着初中生在物理课堂中深度学习发生的真实性，教学内容的深度探究设计是其中的关键。通过创设物理概念与规律建立的情境，运用科学探究的方法建立物理概念与规律，尽量将验证性实验改为探究性实验，将定性实验进行量化和数字化，最后在理解物理概念与规律本质的基础上，运用物理知识解释物理现象，进一步实现核心素养的落地生花。

参考文献：

［1］ 汪明.指向高阶思维的物理课堂深度学习模型[J].物理教学，2021，43（1）：20-25.

［2］ 张亚明.基于迷思概念转化的5D教学模型构建与案例[J].中学物理，2021，39（16）：5-8.

［3］ 陈寿春.指向高阶思维能力培养的深度学习研究：以“多细胞生物体的结构层次”为例[J].中学生物教学，2022（33）：6-9.

［4］ 江薇.指向深度学习的初中物理概念建构：以“力臂”的建构为例[J].物理教学，2022，44（12）：40-43.