許宇偉|浙江省杭州市天元公學(xué)·杭州師范大學(xué)附屬未來科技城學(xué)校

深度學(xué)習(xí)就是圍繞學(xué)科核心概念，創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行探究活動，以建立相關(guān)概念原理與現(xiàn)實(shí)生活世界的關(guān)聯(lián)。教師要呈現(xiàn)問題情境，提出挑戰(zhàn)性問題與任務(wù)，讓學(xué)生在最近發(fā)展區(qū)上不斷探究，進(jìn)行知識建構(gòu)、問題解決和反思改進(jìn)，像科學(xué)家一樣思考、探索，實(shí)現(xiàn)概念的建構(gòu)和知識的遷移[1]。

一、基于情境探索的深度學(xué)習(xí)

深度學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)聯(lián)想與結(jié)構(gòu)、活動與體驗(yàn)、本質(zhì)與變式、遷移與應(yīng)用，而這些都需要依托真實(shí)的情境來開展學(xué)與教的活動。科學(xué)知識必須融入情境之中，學(xué)生才容易理解、吸收并愿意學(xué)習(xí)，課堂才能顯示出應(yīng)有的活力。為了實(shí)現(xiàn)深層次的概念理解，教師要?jiǎng)?chuàng)設(shè)特定的情境并提出具有一定挑戰(zhàn)性的任務(wù)，且情境任務(wù)要貼近學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，并在明確任務(wù)目標(biāo)與解決問題的方法的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生從已有的知識和生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā)去思考、討論。教師還要注重知識的邏輯性，使知識序、認(rèn)知序和教學(xué)序和諧統(tǒng)一。

能量轉(zhuǎn)化與守恒定律是最普遍、最重要的基本定律。這個(gè)定律不是通過實(shí)驗(yàn)直接得出的，而是在大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上用推理的方法概括出來的。達(dá)·芬奇曾設(shè)計(jì)了一個(gè)“永動機(jī)”，但這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)室里沒有，那么如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣呢？筆者指導(dǎo)學(xué)生開展了“喝水鳥”實(shí)驗(yàn)，先介紹“喝水鳥”的結(jié)構(gòu)與組成，頭部、玻璃管和軀體連通且整體密封，由一個(gè)支點(diǎn)支持，里面裝有乙醚。然后學(xué)生動手實(shí)驗(yàn)，讓“喝水鳥”真實(shí)地動起來，并借助手機(jī)中的“慢動作”功能，逐步分析實(shí)驗(yàn)過程中的變化。在“喝水鳥”前面放一杯水，往“喝水鳥”頭部滴一次水，就發(fā)現(xiàn)“喝水鳥”會做一系列的運(yùn)動：低頭喝水→抬頭→又低頭喝水→又抬頭。

師：誰能分享一下“喝水鳥喝水”的原理？

生1：乙醚液化放熱，產(chǎn)生熱能，驅(qū)動小鳥喝水，轉(zhuǎn)化為動能。

師：那不放水，小鳥也會喝水嗎？

重做實(shí)驗(yàn)，此時(shí)學(xué)生的積極性大大提高，思維活躍。

生2：乙醚液化放熱，熱能可以轉(zhuǎn)化為動能，且液體使鳥重心下移，又抬起頭來……

生3：不對。應(yīng)該是水蒸發(fā)吸熱，鳥頭部降溫變冷，頭部氣壓變小，而軀體內(nèi)的氣壓不變，使玻璃管內(nèi)的液柱上升，頭部變重軀體變輕，杠桿平衡被破壞，頭部下沉到杯中喝水。

師：那怎么有抬頭呢？

生4：頭部逐漸變重后，身體逐漸前傾，傾角逐漸變大，軀體中的乙醚變少，當(dāng)玻璃管下端管口露出時(shí)，底部的氣體迅速上升，液體由于重力作用向下流，頭部變輕，軀體變重，所以抬頭。

師：很好！這個(gè)“喝水鳥喝水”是“永動機(jī)”嗎？不需要消耗能量嗎？

生5：當(dāng)然需要能量。水蒸發(fā)吸收了周圍空氣的熱，乙醚汽化需要吸收熱量，液化放出熱量到空氣中去。喝水鳥轉(zhuǎn)動時(shí)要消耗一定的能量。

生6：能量只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，永動機(jī)只能成為神話！

師：該產(chǎn)品指出，其在室溫低于16℃的室內(nèi)基本不動。請說說理由。

生7：從能量轉(zhuǎn)化的角度以及裝置特點(diǎn)來看，在溫度較高的環(huán)境里，頭部水蒸發(fā)比較快，降溫迅速，乙醚液化就快，汽化也容易發(fā)生。這樣效果就會比較好。

美國21 世紀(jì)技能委員會指出，深度學(xué)習(xí)從某種意義上來說就是遷移學(xué)習(xí)。學(xué)生能將七年級時(shí)學(xué)到的“汽化與液化”知識，在九年級時(shí)用到新的情境中去，這就是一種有意義的學(xué)習(xí)。在“喝水鳥喝水”這個(gè)情境任務(wù)中，要分析乙醚的汽化與液化過程與外界發(fā)生能量轉(zhuǎn)化的過程，學(xué)生就需要掌握汽化與液化的實(shí)質(zhì)，并擁有一定的邏輯推理能力。學(xué)生在與他人的交流討論中，學(xué)會傾聽與尊重他人，并不斷地學(xué)習(xí)他人的不同觀點(diǎn)，培養(yǎng)了溝通和交流技能，提升了個(gè)人素養(yǎng)。

二、基于可視化的深度學(xué)習(xí)

在教學(xué)過程中，常常要處理與解決一些復(fù)雜的、隱性的、微小的問題，這時(shí)，教師就要引導(dǎo)學(xué)生把它們轉(zhuǎn)換為簡單的、顯性的、放大的現(xiàn)象，以便觀察、比較、分析、理解事物的本質(zhì)。也有一些實(shí)驗(yàn)，受條件的限制，實(shí)驗(yàn)效果往往不如人意，甚至以失敗告終，這就可以采用數(shù)字技術(shù)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化為函數(shù)圖像，直觀地呈現(xiàn)給學(xué)生。這有利于學(xué)生分析證據(jù)，找到其內(nèi)在的規(guī)律[2]。

一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，我們的感官難以辨識，如物體振動形成的聲波，我們無法直接觀察到，但可借助DIS 傳感器將聲波顯示出來，然后對聲波的響度、頻率等內(nèi)容進(jìn)行分析，使學(xué)生對聲波的波形產(chǎn)生直觀的認(rèn)識。

此外，利用頻閃照片技術(shù)，可以把物體的運(yùn)動過程拍攝下來進(jìn)行分析。頻閃照片會在相等的間隔時(shí)間拍下一張照片，體現(xiàn)過程性。如研究“斜向上拋出的小球到達(dá)頂部時(shí)有無速度”，如果沒有這樣的頻閃照片，學(xué)生就需要具備良好的想象力，才能理解其過程。而借用頻閃技術(shù)，顯示其運(yùn)動過程中的速度變化，學(xué)生很容易就發(fā)現(xiàn)，小球在開始拋出的時(shí)候速度大，到達(dá)頂端附近速度變得很小，但是還有一定的速度，并領(lǐng)悟出其原因。

笛卡爾說，沒有什么東西比圖形更容易映入大腦了。美國學(xué)者斯蒂斯也說過：“如果一個(gè)問題能被轉(zhuǎn)化為一個(gè)圖形，那么，思想就整體地把握了問題?！币虼耍诳茖W(xué)教學(xué)中，我們常常把問題轉(zhuǎn)化為圖形來分析。圖文結(jié)合更能引導(dǎo)學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)。

三、基于模型建構(gòu)的深度學(xué)習(xí)

學(xué)習(xí)知識當(dāng)然重要，但是科學(xué)的思維方法比知識更加重要。學(xué)生思維的發(fā)展需要思維工具的支撐，科學(xué)模型代表著一種科學(xué)思維方法與哲學(xué)思考，能將復(fù)雜的事物或過程簡單化，是促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展的有效工具。任何一個(gè)模型，都追求對原型的本質(zhì)描述，以及對原型的深入認(rèn)識與概括。模型是對原型的實(shí)質(zhì)性和關(guān)鍵性環(huán)節(jié)的描述，它摒棄次要因素及非關(guān)鍵環(huán)節(jié)和過程，探求事物內(nèi)在的規(guī)律，尤其在多要素、多層次的復(fù)雜地理系統(tǒng)分析中，利用模型和建構(gòu)模型對促進(jìn)深度學(xué)習(xí)具有重要意義。

為了引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)一類問題的本質(zhì)內(nèi)涵，教師需要充分展示該類問題的具體模型。在形象可視的模型建構(gòu)過程中聚焦核心問題，可促進(jìn)學(xué)生用模型建構(gòu)的方法進(jìn)行思考。教師不僅要讓學(xué)生去建構(gòu)模型、完善模型的內(nèi)涵，更要讓學(xué)生領(lǐng)會現(xiàn)象背后的本質(zhì)，建立更加符合客觀事實(shí)的科學(xué)模型。

例1：兩個(gè)容積相同、形狀不同的容器（圖略），一個(gè)正放，一個(gè)倒放，分別加入相同質(zhì)量的水，請比較兩者產(chǎn)生的壓力F1、F2的大小。

這個(gè)問題學(xué)生很容易出錯(cuò)，大多數(shù)認(rèn)為F1＜F2，也有學(xué)生認(rèn)為F1=F2，因?yàn)閮烧咚拥乃馁|(zhì)量相等，所以壓力相等。解決此類問題，就可通過分析問題建立模型的方式。

液體壓強(qiáng)大小與深度、密度有關(guān)，與容器的大小、形狀無關(guān)，但是，相同質(zhì)量的液體，在不同形狀的容器中，產(chǎn)生的壓力大小往往不同。我們可以先將容器歸類：（1）直筒狀的容器；（2）上小下大的梯形容器；（3）上大下小的梯形容器。然后采取建模的方法分析各類容器中液體受到側(cè)壁的壓力方向，求得壓力大?。换蛘吒鶕?jù)力產(chǎn)生的原因直接求得壓力大小。

當(dāng)然，也可假設(shè)三類容器的底面積大小相同，液體深度也相同，所以三種情況下液體對容器的壓力是相等的。直筒狀的容器中，液體對容器底部的壓力等于液體的重力；上小下大的梯形容器中，可以理解成液體重力加上容器外的兩側(cè)的液體重力，才能與直筒狀的容器相同，因此，液體對容器底部的壓力大于液體自身的重力；上大下小的梯形容器中，則可以理解成有一部分的液體作用在容器的側(cè)壁上，壓力被側(cè)壁分擔(dān)了，相當(dāng)于切去兩側(cè)部分的液體，因此，液體對容器底部的壓力小于液體自身的重力。

通過上述建模分析，不難發(fā)現(xiàn)例1中的壓力大小問題就容易解決了。因此，像這種同類但有差異的問題，教師需要分別建立解題的模型，引導(dǎo)學(xué)生深入分析其過程，掌握這一類問題中存在的規(guī)律，從而將解決問題的方法形成一定的模型，使抽象的問題變得具體、動態(tài)，以深化學(xué)生的科學(xué)思維。

四、基于實(shí)驗(yàn)探究的深度學(xué)習(xí)

深度學(xué)習(xí)，需要學(xué)生圍繞核心概念，從多個(gè)角度對其進(jìn)行探索與思考，并能在真實(shí)的情境中應(yīng)用，能作出解釋、建立模型、遷移應(yīng)用、解決問題、建立知識網(wǎng)絡(luò)。教師應(yīng)重視對學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)，教學(xué)不能停留在事物的表面，而是應(yīng)該追尋學(xué)科的本質(zhì)，厘清其中的規(guī)律與內(nèi)核，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)如何建立科學(xué)模型。同時(shí)，教師要注意引導(dǎo)學(xué)生在事實(shí)、證據(jù)、結(jié)論與應(yīng)用之間進(jìn)行辨析，引導(dǎo)學(xué)生在知識和遷移之間進(jìn)行思考[3]。

如在杠桿學(xué)習(xí)中，學(xué)生只有對杠桿有一個(gè)全面的把握，才能真正建立起杠桿模型。教師在引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)杠桿模型的過程中，應(yīng)該從杠桿這個(gè)大概念入手，通過實(shí)際問題情境，對杠桿進(jìn)行要素分析，幫助學(xué)生建立杠桿五要素的概念。其中，力臂是杠桿教學(xué)中的一個(gè)重要的“小概念”，也是杠桿教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)。一些教師往往直接出示定義進(jìn)行力臂的概念教學(xué)，然后通過作圖進(jìn)行示范，再布置給學(xué)生一些作圖練習(xí)等。但是如此教學(xué)，學(xué)生就不明白為什么要引入力臂概念，也不明白為什么這樣定義力臂概念。因此，筆者改變探究方式，以如下實(shí)驗(yàn)探究活動引導(dǎo)學(xué)生深入探究力臂概念。

例2：杠桿處于水平位置的平衡狀態(tài)（圖略），改變拉力的方向，使彈簧測力計(jì)分別沿著F1、F2、F3拉，記錄并比較彈簧測力計(jì)的示數(shù)。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)是讓學(xué)生初步感知，作用在同一個(gè)作用點(diǎn)上但力的方向不同，力的大小是不一樣的。這會引起學(xué)生認(rèn)知上的沖突：作用在杠桿上同一個(gè)點(diǎn)的力是不相同的？

接著，筆者引導(dǎo)學(xué)生制作杠桿力臂演示儀，輕質(zhì)杠桿可以繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動（摩擦力可以忽略），其中OA長20cm，OB長10cm，并發(fā)給每個(gè)小組一套該裝置，鉤碼若干。

第一次實(shí)驗(yàn)保持水平位置平衡（如圖1-甲，鐵架臺等固定裝置未畫出），分別記下鉤碼G1與G2的值。第二次實(shí)驗(yàn)，松開螺母保持阻力臂OA不動，使OB向下折一定角度后再擰緊螺母固定杠桿的形狀（如圖1-乙），形成一根偏折的杠桿AOB′，保持鉤碼G1位置不變，分別在①②③④處掛上鉤碼（或彈簧測力計(jì)），記錄三次的數(shù)據(jù)并進(jìn)行比較，容易發(fā)現(xiàn)掛在③處的鉤碼大小就等于G1，而且可發(fā)現(xiàn)③豎直正對B處。改變G1與G2的大小或改變OA與OB的長度，仍然重復(fù)上述步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以初步發(fā)現(xiàn)一個(gè)規(guī)律：在①②③④處施加豎直向下的力的大小，與支點(diǎn)O到該力的作用線的垂直距離有關(guān)。

圖1 杠桿力臂演示儀

但是，學(xué)生還是很難建構(gòu)力臂模型。為了進(jìn)一步探索力臂概念，建構(gòu)力臂模型，筆者引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究。制作一個(gè)硬紙板圓盤，圓盤上畫有一組等距的同心圓，圓心（支點(diǎn)）用鐵釘固定。在圓盤的左邊P點(diǎn)掛一個(gè)重為1N（其他大小也可）的鉤碼，即阻力的大小為1N，再分別在A、B、C、D等處用拉力傳感器拉，要求動力的大小保持不變，但可改變力的方向，使圓盤上的OP仍然保持水平的靜止?fàn)顟B(tài)，用鉛筆分別記下力的方向，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。經(jīng)作圖（如圖2）與數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)阻力、阻力臂大小一定，且動力的大小也一定時(shí)，無論怎樣改變力的方向，支點(diǎn)O到各個(gè)力的作用線的距離都相等。然后筆者讓學(xué)生繼續(xù)探究“動力的大小與方向都改變時(shí)的情況”。學(xué)生在多次實(shí)驗(yàn)探究后，始終能得到相同的結(jié)論，也就順利理解了力臂概念。

圖2 力臂模型探究

這樣的深層次概念理解，主要是經(jīng)過不同層次的實(shí)驗(yàn)探究習(xí)得的。這一實(shí)驗(yàn)探究過程，既解決了問題，又促進(jìn)了學(xué)生高階思維的形成。其中，教師主導(dǎo)起到了明顯的作用，即設(shè)置一個(gè)個(gè)問題與實(shí)驗(yàn)支架，引導(dǎo)學(xué)生從未知到知，從知之不多到知之甚多，逐漸理解“力臂”概念，促進(jìn)了有意義的深度學(xué)習(xí)。

綜上，深度學(xué)習(xí)的推進(jìn)，需要從學(xué)生的立場出發(fā)，從學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)出發(fā)。教師要仔細(xì)分析教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)相應(yīng)的教學(xué)活動，貼近學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，使學(xué)生能順利開展有意義的學(xué)習(xí)，并順暢地溝通與交流。同時(shí)，教師要關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整教學(xué)方法與材料呈現(xiàn)的方式，以更好地促進(jìn)深度學(xué)習(xí)。正是在這個(gè)意義上，深度學(xué)習(xí)不僅要體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，更要充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用。