唐忠敏 王太軍

摘? ?要：深度學習是學習者高專注力投入、高階思維介入、高認知體驗的學習活動，具有深度理解知識、主動建構反思、發(fā)展高階思維等關鍵性特征。在梳理物理習題教學中開展深度學習的可能性與可行性基礎上，以變力做功的習題教學案例，探討基于深度學習的物理習題教學策略與途徑，以期為一線物理教師教學提供參考。

關鍵詞：深度學習;物理習題教學;變力做功;教學策略

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）12-0052-4

習題教學是物理教學中重要的組成部分，而物理習題課中存在“刷題”“題海戰(zhàn)術”等現(xiàn)象常使學生學習負擔較重且效率較低。深度學習（Deep Learning）是學習者高專注力投入、高階思維介入、高認知體驗的學習活動，基于深度學習特征優(yōu)化的物理習題教學能在一定程度上減輕學生的學業(yè)負擔，提升知識遷移應用水平。本文就深度學習的特征以及物理習題教學中開展深度學習的可行性進行分析，并結合案例分析基于深度學習的物理習題教學的策略與途徑。

1? ? 深度學習及其關鍵特征

深度學習是對學習狀態(tài)的質(zhì)性描述，涉及學習的投入程度、思維層次和認知體驗等諸多層面，強調(diào)對知識本質(zhì)的理解和對學習內(nèi)容的批判性利用，追求有效的學習遷移和真實問題的解決，屬于以高階思維為主要認知活動的高投入性學習[1]。美國學者Ference Marton和Roger Saljo開展了一系列關系學習過程研究之后，于1976年在《學習的本質(zhì)區(qū)別：結果和過程》中首次提出相對于淺層次學習而言的深層次學習。根據(jù)布魯姆（Benjamin Bloom）的教育目標分類系統(tǒng)，學生在認知學習中可以分為由低到高六個水平層次，即識記、理解、應用、分析、綜合、評價。淺層學習僅停留在識記和理解的目標水平，而深度學習則對應著應用、分析、綜合、評價的目標水平[2]，見表1。

基于以上分析，可以發(fā)現(xiàn)深度學習具有至少三個方面的關鍵性特征：

（1）深度理解知識

淺層學習表現(xiàn)為策略復述和機械套用，適用于符號表征和事實學習，學習往往流于表面的機械識記，學習者無法了解學習內(nèi)容的意義。深度教學在于喚醒、重組、運用和反思學生已有經(jīng)驗的動態(tài)生成過程，促進教學與學生生活經(jīng)驗的融合，以利于迅速建立新舊知識的聯(lián)系，實現(xiàn)具身體驗基礎上的深度理解。

（2）主動建構反思

深度學習是學習者積極主動的自覺行為，學習者傾向于主動建構反思所學知識信息。主動建構反思是指學習者在舊經(jīng)驗的基礎之上主動地進行分析、調(diào)整、評價，通過課堂內(nèi)主動參與、建構反思方式將新知識與舊知識連接起來，以達到建構新的經(jīng)驗體系，在不斷的反思中溫故知新[3]。從這個意義上說，深度學習和淺層學習的本質(zhì)區(qū)別就在于是否主動建構反思。

（3）發(fā)展高階思維

高階思維能力是一種高層次認知水平為主的綜合性能力，主要表現(xiàn)為批判和超越已有經(jīng)驗，提出問題并運用策略解決問題的能力。知識的遷移和應用需要通過高階思維活動完成，使學習者在學習過程中基于相似情境能舉一反三，在新情境中能迅速遷移知識并加以應用。如果學習者只是簡單的記憶和機械理解，遷移和應用將很難發(fā)生，這樣的學習仍就停留在淺層水平上。因此，為實現(xiàn)學生深度學習，教師需要準確把握問題和深度探究的契機，盡可能激發(fā)學生高階思維進行深度思考。

2? ? 物理習題教學中開展深度學習的可能性與可行性

根據(jù)物理習題教學的內(nèi)容和特點，在物理習題教學中開展深度學習，不但具有可能性，而且具有可行性。

第一，物理習題教學具備學生開展深度學習的基礎條件。物理習題教學主要是對學生已學知識進行鞏固練習和遷移應用，而物理習題教學中涉及的物理知識往往是學生已經(jīng)學習過的內(nèi)容。建構主義學習理論認為，學習者不是空著頭腦進入課堂的，教師需要將學生原有經(jīng)驗視作課堂教學設計的生發(fā)點和課程內(nèi)容的來源，課堂教學可以將“運用你的經(jīng)驗”作為“先行組織者”，在“最近發(fā)展區(qū)”內(nèi)提升學生認知水平和問題解決能力。因此，物理習題教學具備開展深度學習的前提條件。

第二，物理習題教學可以促進學生深度參與和主動建構。物理習題教學中所涉及的問題，可以源于生活中的一系列實例，教師可以從原始物理問題情境切入，有意識地引導學生向深層次的問題邏輯和意義層面思考，讓學生在疑難處思疑、解疑，改組改造原有認知結構、采用同化或順應策略以主動建構新知識，可使學生對所問、所學內(nèi)容深刻理解，掌握知識本質(zhì)、發(fā)展高階思維，達成深度學習。

第三，深度學習是物理習題教學實現(xiàn)遷移應用和觸類旁通的有效途徑。學以致用是物理習題教學的重要目標，而作為學以致用較高水平的遷移應用往往以學生的高階思維活動為載體。由于深度學習中學生的高階思維介入，促進學生在模型建構、科學推理、科學論證和質(zhì)疑創(chuàng)新方面提升科學思維能力素養(yǎng)[4]，使學生在相同或相似的情境中能迅速、準確地遷移應用。

3? ? 深度學習視角的物理習題教學策略

【問題情境】 一質(zhì)量為m、長為L的勻質(zhì)鏈條，放在摩擦系數(shù)為μ的桌面上，其長為a的一端下垂，如圖1所示。鏈條與桌邊緣的相互作用忽略不計，當鏈條由靜止開始沿桌邊向下滑動至剛剛?cè)侩x開桌邊的過程中，重力與摩擦力各做多少功？

（1）深度理解，建立方程

以鏈條為研究對象，選桌邊為坐標原點O，鏈條運動徑跡豎直向下為坐標軸正方向，某時刻坐標為s，鏈條受力如圖1所示。

在鏈條下滑過程中，兩個變力可分別表示為：

下垂部分鏈條的重力：

G1=■s（1）

桌面上的鏈條所受的摩擦力：

f=μN'（2）

桌面對鏈條的支持力： N=G2=■mg（3）

由牛頓第三定律知：N=N'（4）

由（2）（3）（4）式得鏈條所受摩擦力大小：

f=μ■mg=μmg（1-■s）（5）

（2）主動建構，匹配方法

引導學生自主建構并分析，由于桌面上的鏈條質(zhì)量時刻在變化，受到的摩擦力也時刻在變化，變質(zhì)量物體運動問題較適合用積分方法來分析：

下垂部分鏈條重力做功滿足：

WG=■Gds（6）

將（1）式帶入（6）式得：

WG=■■sds=■? ? ? （7）

桌面上鏈條所受摩擦力做功滿足：

Wf=■-fds（8）

將（5）式帶入（7）式得：

Wf=-■■（L-s）ds=-μ■（L-a）2（9）

（3）轉(zhuǎn)換思維，靈活應用

以上涉及到變質(zhì)量物體的受力與做功的計算，雖然積分方法是較為常見的方法，但在高中物理和大學基礎物理中經(jīng)常會遇到類似變力做功問題，由于學生不具備或不熟悉微積分計算知識，這種方法無疑給學生帶來了較大的挑戰(zhàn)。

此時，教師可以提出問題讓學生思考：有沒有不用微積分的方法來解決？教師通過類比速度-時間圖像求解位移問題來引導學生思考本題中的鏈條重力做功問題。

根據(jù)題意，建立下落鏈條的重力隨s變化圖像，如圖2（a）所示，陰影部分梯形面積數(shù)值上等于重力做功大小，則有：

WG=■（■a+mg）（L-a）=■（L2-a2）（10）

建立桌面剩余鏈條所受摩擦力隨s變化圖像，如圖2（b）所示，陰影部分三角形面積數(shù)值上等于摩擦力做功大小，則有：

Wf =■（L-a）（-μ■mg）=-■（L-a）2

（11）

（a）

（b）

由（7）（9）（10）（11）式的結果發(fā)現(xiàn)，運用轉(zhuǎn)化思維建立的圖像的計算結果與積分運算結果完全一致[5]，且圖像方法更為巧妙和簡約，方便學生理解和計算。

（4）總結反思，觸類旁通

引導學生總結反思，對此類問題哪些情況下適合用圖像法來分析，哪些情況下又不適合用圖像法呢？第一，對于變力做功的問題，需選擇適當坐標，找出該力隨坐標而變化的函數(shù)關系，然后采用積分法和圖示法即可求得此變力對物體做的功。第二，使用圖示法分析需要具備一定的適用條件，即可通過圖像與坐標軸圍成的面積來反映某一物理量時，可用圖示法直觀地進行分析，例如速度-時間圖像求解勻變速直線運動的位移、加速度-時間圖像求解某一過程的速度等，以及在變力做功問題中尤其是變力是坐標的線性函數(shù)時，則運用圖示法分析就顯得更為簡便。第三，變質(zhì)量鏈條運動類問題的求解方法并不限于此，如利用能量守恒、功能原理等也可求解速度、重力和摩擦力做功問題，但過程有些復雜，此處不再贅述。

總之，基于深度學習特征要素優(yōu)化的物理習題教學，以引導學生深度理解知識、主動建構反思、發(fā)展高階思維等為主要切入點，在策略和方法的選取上因習題教學的具體內(nèi)容而異，通過合理設計與規(guī)劃教學環(huán)節(jié)，以提升物理習題教學效果。

參考文獻：

[1]康淑敏.基于學科素養(yǎng)培育的深度學習研究[J].教育研究，2016，37（07）：111-118.

[2]張浩，吳秀娟.深度學習的內(nèi)涵及認知理論基礎探析[J].中國電化教育，2012（10）：7-11.

[3]安富海.促進深度學習的課堂教學策略研究[J].課程·教材·教法，2014，34（11）：57-62.

[4]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：4.

[5]唐忠敏.圖示法巧解變質(zhì)量鏈條運動做功問題[J].物理教師，2020，41（01）：65-66.

（欄目編輯? ? 羅琬華）