周連鵬

(阜陽市第三中學(xué) 安徽 阜陽 236000)

1 深度學(xué)習(xí)與證據(jù)意識

深度學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者在理解掌握的基礎(chǔ)上，通過批判性的分析，將新知識融入自己已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，并把新知識遷移應(yīng)用到新的問題情景中，有效地做出決策的一種學(xué)習(xí)方式[1-2].深度學(xué)習(xí)有以下幾個(gè)特征：

(1)深度學(xué)習(xí)注重批判建構(gòu)，是一種批判性的、理解性的學(xué)習(xí)方式，學(xué)習(xí)者應(yīng)具有較強(qiáng)的質(zhì)疑精神和批判精神，通過批判性的吸收知識，建立起各知識之間的聯(lián)系方式，加深對知識的理解，形成自己對知識的建構(gòu)模式，比如概念圖、邏輯線、思維導(dǎo)圖等形式.

(2)深度學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)信息整合，將新舊知識融入自己已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，以達(dá)到對知識的深刻理解.

(3)深度學(xué)習(xí)注重遷移運(yùn)用和問題解決，將已學(xué)的知識遷移應(yīng)用到多種實(shí)際問題情景中去，鍛煉其解決實(shí)際問題的能力，達(dá)到學(xué)以致用，觸類旁通，舉一反三的效果.

(4)深度學(xué)習(xí)注重反思，反思能從學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)過程中提取有價(jià)值的東西，有利于對知識的整體理解，是通向深度學(xué)習(xí)的必要條件，通過反思，學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)的策略修正認(rèn)知過程存在的問題，從中習(xí)得復(fù)雜知識、問題解決的策略方法等，思維由低階走向高階，從而學(xué)會如何學(xué)習(xí).

對于證據(jù)意識，目前學(xué)術(shù)界的界定大概有兩種：其一，從心理活動(dòng)的視角來看，大多數(shù)學(xué)者都認(rèn)同證據(jù)意識是一種心理覺悟或心理活動(dòng).其二，從科學(xué)視角來看，對證據(jù)意識有兩種不同看法，一種認(rèn)為證據(jù)意識是建立在科學(xué)的基礎(chǔ)上，另一種認(rèn)為其是一個(gè)科學(xué)論證過程，包含在科學(xué)素養(yǎng)之中.

本研究的證據(jù)意識是指：在高中物理教學(xué)中，學(xué)生通過對物理的學(xué)習(xí)，對科學(xué)探究中遇到的物理問題，經(jīng)歷一定的質(zhì)疑、假設(shè)、求證和反思的心理過程.其中，“質(zhì)疑”是證據(jù)意識培養(yǎng)的起始點(diǎn)，結(jié)合物理學(xué)科的性質(zhì)與內(nèi)容，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生觀察，鼓勵(lì)學(xué)生提出疑問；“假設(shè)”是證據(jù)意識培養(yǎng)的著力點(diǎn)，在具體教學(xué)過程中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生回顧舊知識與經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)質(zhì)疑提出科學(xué)的假設(shè)；“求證”是證據(jù)意識培養(yǎng)的生長點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)方案，尋找科學(xué)解釋和正確答案，在尋找的過程中收集、分析證據(jù).“反思”是證據(jù)意識培養(yǎng)的增長點(diǎn)，此過程中要深刻思考證據(jù)的可靠性、驗(yàn)證證據(jù)的邏輯性.證據(jù)有多種展現(xiàn)形式，如物理實(shí)驗(yàn)器材、物理史實(shí)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、物理模型等.

實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)可以從培育證據(jù)意識開始，即基于證據(jù)的探究學(xué)習(xí)使學(xué)習(xí)深度發(fā)生，可以認(rèn)為證據(jù)意識是實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)的路徑和工具；無論知識建構(gòu)還是問題解決，深度學(xué)習(xí)都離不開學(xué)生的求證和求真，在證據(jù)求證的過程中所獲得的感悟與體會、實(shí)踐與操作，可以深入知識內(nèi)核、體現(xiàn)學(xué)習(xí)本質(zhì).可以把證據(jù)意識和深度學(xué)習(xí)理解為形式和內(nèi)容的統(tǒng)一體：證據(jù)意識從形式上強(qiáng)調(diào)以何種方式完成教學(xué)內(nèi)容，達(dá)成教學(xué)目標(biāo)；深度學(xué)習(xí)從內(nèi)容上指向?qū)W科核心素養(yǎng)，指明育人內(nèi)容、目標(biāo)等，將兩者緊密結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)形式與內(nèi)容的統(tǒng)一，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中逐步養(yǎng)成圍繞研究問題，形成質(zhì)疑、假設(shè)、求證和反思的習(xí)慣和能力，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí).證據(jù)意識的培育，有利于教師轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，自覺改進(jìn)和優(yōu)化課堂教學(xué)行為，引導(dǎo)學(xué)生在證據(jù)探究中達(dá)成深度學(xué)習(xí).本文以《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)2020年修訂》必修課程必修2模塊中“機(jī)械能及其守恒定律”主題下的“機(jī)械能守恒定律”一節(jié)為例，詳細(xì)論述如何基于證據(jù)意識，促進(jìn)深度學(xué)習(xí).

2 基于證據(jù)意識的深度學(xué)習(xí)案例分析

以“機(jī)械能守恒定律”為例.

2.1 引入新課提出質(zhì)疑

先播放工地上用大鐵錘拆除建筑物的視頻，然后請兩位學(xué)生上講臺體驗(yàn)“碰鼻子”的勇氣挑戰(zhàn)，第一次把鐵球拉到貼近學(xué)生鼻子的書本處用力推動(dòng)鐵球，鐵球回?cái)[到原處打到書本，第二次把鐵球拉到學(xué)生鼻子處由靜止釋放，鐵球幾乎回到原處碰到鼻子.

提出質(zhì)疑：鐵球第一次釋放能夠回到原處并且打到書本，為什么第二次釋放鐵球幾乎到達(dá)原來的等高處呢？有沒有碰到鼻子呢？

設(shè)計(jì)意圖：先觀察視頻，讓學(xué)生感受鐵錘運(yùn)動(dòng)拆除建筑物的的震撼過程，進(jìn)而鼓勵(lì)學(xué)生挑戰(zhàn)“碰鼻子”的體驗(yàn)活動(dòng)，形成認(rèn)知沖突，提出質(zhì)疑，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本節(jié)課的興趣.質(zhì)疑，作為證據(jù)意識培養(yǎng)的起始點(diǎn)，通過引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)和體驗(yàn)活動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生提出疑問，為接下來證據(jù)意識的著力點(diǎn)“假設(shè)”做好鋪墊.

2.2 任務(wù)驅(qū)動(dòng) 提出假設(shè)

本節(jié)課在科學(xué)思維的培養(yǎng)上著重提高學(xué)生功能關(guān)系思維和物理建模能力.為此，學(xué)生必須參與到實(shí)際的教學(xué)活動(dòng)中去，教師可以通過給學(xué)生布置任務(wù)的方式來促進(jìn)學(xué)生的思考，由于任務(wù)在難度上的逐級增加，可以引發(fā)學(xué)生從低階思維轉(zhuǎn)向高階思維的發(fā)展過程.

任務(wù)1：引導(dǎo)學(xué)生回顧伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)，伽利略研究擺動(dòng)時(shí)，不僅發(fā)現(xiàn)了擺動(dòng)的等時(shí)性，而且發(fā)現(xiàn)了擺動(dòng)的等高性.根據(jù)伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)，小球從光滑斜面滑下，可以滾上另外一個(gè)斜面的等高處，看起來小球好像“記得”自己起始的高度，能不能用你學(xué)過的知識解釋描述呢？對于擺球裝置，小球也可以“記得”自己起始的高度，這一事實(shí)又如何解釋呢？(學(xué)生思考，并引導(dǎo)提出“能量”的概念)

任務(wù)2：能量概念的提出是前人在追尋守恒量的過程中提出的，前幾節(jié)課我們也學(xué)習(xí)了幾種形式的能量：重力勢能、彈性勢能和動(dòng)能.接下來引導(dǎo)學(xué)生從生活情境出發(fā)，并進(jìn)行模型建構(gòu)進(jìn)一步分析重力勢能、彈性勢能和動(dòng)能的關(guān)系.

情景1：蕩秋千

模型建構(gòu)：單擺

情景2：拉弓射箭

模型建構(gòu)：水平方向彈簧振子

情景3：蹦極

模型建構(gòu)：豎直方向彈簧振子

提出問題：請思考小球在運(yùn)動(dòng)過程中，有什么力在做功，有哪些能量在轉(zhuǎn)化？你還能舉出生活中重力勢能、彈性勢能與動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化的實(shí)例嗎？(引導(dǎo)學(xué)生將新舊知識融入自己已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，以達(dá)到對知識的深刻理解)

任務(wù)3：教師引導(dǎo)學(xué)生對上述3個(gè)情景中的小球運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)一步分析，動(dòng)能和重力勢能、彈性勢能相互轉(zhuǎn)化的過程有什么能量保持不變，即哪個(gè)物理量守恒？請結(jié)合經(jīng)驗(yàn)與分析進(jìn)行科學(xué)猜想.(引導(dǎo)學(xué)生批判質(zhì)疑，提出科學(xué)猜想)

設(shè)計(jì)意圖：通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)，逐步理解重力勢能、彈性勢能和動(dòng)能可以相互轉(zhuǎn)化.將實(shí)際問題抽象為物理模型進(jìn)行研究，提升建構(gòu)模型的能力，發(fā)展科學(xué)思維的物理核心素養(yǎng)，通過生活實(shí)例，提升觀察能力和深入分析問題的能力，并強(qiáng)化在觀察和實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題、批判質(zhì)疑，提出合理猜想與假設(shè)的能力.通過已經(jīng)學(xué)習(xí)的動(dòng)能、重力勢能和彈性勢能的知識進(jìn)行信息整合，將新舊知識融入自己已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，以達(dá)到對知識的深刻理解和長久保持的目的.

2.3 尋找證據(jù) 科學(xué)論證

理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)探究是科學(xué)研究的重要思想方法，接下來我們通過這兩個(gè)方法去尋找證據(jù).先引導(dǎo)學(xué)生利用動(dòng)能定理、以及重力做功與重力勢能的關(guān)系推導(dǎo)驗(yàn)證學(xué)生的猜想是否正確.進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生對于其他情境，比如自由落體運(yùn)動(dòng)，平拋運(yùn)動(dòng)，光滑斜面和曲面上運(yùn)動(dòng)的小球，進(jìn)行理論推導(dǎo).接下來通過問題鏈的方式進(jìn)行理論分析，最后再通過實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行科學(xué)探究.

2.3.1 基于問題鏈，提升演繹推理能力

以擺球模型為例，如圖1所示.

圖1 擺球運(yùn)動(dòng)示意圖

問題1：小球受力情況和這些力做功情況如何？

問題2：小球從B處到C處的過程中請利用動(dòng)能定理列出相應(yīng)等式.

問題3：小球從B處到C處的過程中重力做功與重力勢能的關(guān)系式.

問題4：小球在B處和C處的機(jī)械能關(guān)系.

設(shè)計(jì)意圖：將實(shí)際問題中的對象和過程轉(zhuǎn)換成物理模型，基于已學(xué)內(nèi)容進(jìn)行演繹推理，得出機(jī)械能守恒的關(guān)系，培養(yǎng)科學(xué)推理和科學(xué)論證素養(yǎng).對于其他情境，比如自由落體運(yùn)動(dòng)，平拋運(yùn)動(dòng)，光滑斜面和曲面上運(yùn)動(dòng)的小球，引導(dǎo)學(xué)生分組討論參照上述問題鏈的方式進(jìn)一步分析，將原有的知識遷移到多種問題情境中去，并解決實(shí)際問題，達(dá)到觸類旁通，舉一反三的效果.

2.3.2 基于實(shí)驗(yàn)探究，提升實(shí)驗(yàn)求證能力

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方案很多，這里介紹一種軟件——Tracker視頻跟蹤分析和建模工具軟件.如圖2所示，通過Tracker獲取擺錘運(yùn)動(dòng)過程中的位置、速度等物理量，然后建立Excel表格，通過獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.引導(dǎo)學(xué)生分析表格中動(dòng)能和重力勢能的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析機(jī)械能的變化情況：機(jī)械能略微有些減小，這是空氣阻力帶來的影響，可以認(rèn)為如果沒有空氣阻力的影響，那么小球的機(jī)械能保持不變.

圖2 Tracker演示

設(shè)計(jì)意圖：指導(dǎo)學(xué)生使用Tracker軟件收集數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，讓學(xué)生通過定量探究的方式進(jìn)一步驗(yàn)證機(jī)械能守恒這一猜想的正確性，提高從不同方式獲取證據(jù)的能力，實(shí)現(xiàn)在證據(jù)探究中達(dá)成深度學(xué)習(xí).

2.4 總結(jié)反思 深化規(guī)律

通過理論推理和實(shí)驗(yàn)探究兩種不同方式的探究證據(jù)的過程，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生得出：在只有重力做功的系統(tǒng)內(nèi)，動(dòng)能與重力勢能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機(jī)械能保持不變.同理，在只有彈力做功的系統(tǒng)內(nèi)，動(dòng)能與彈性勢能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機(jī)械能保持不變.即在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，物體的動(dòng)能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機(jī)械能保持不變，這叫做機(jī)械能守恒定律.表達(dá)式：Ek1+Ep1=Ek2+Ep2或ΔEk=-ΔEp.守恒條件: 只發(fā)生動(dòng)能和勢能間的相互轉(zhuǎn)化.

為了深刻思考證據(jù)的可靠性、驗(yàn)證證據(jù)的邏輯性，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考.

如圖3所示，一個(gè)小球在真空中自由下落和另一個(gè)同樣的小球在黏性較大的液體中由靜止下落，它們都由高為h1的地方下落到高為h2的地方.

圖3 小球在真空和油中下落

問題1：重力做的功相等嗎？

問題2：重力勢能的變化相等嗎？

問題3：動(dòng)能的變化相等嗎？

問題4：重力勢能各轉(zhuǎn)化成什么形式的能？

引導(dǎo)學(xué)生思考并回答問題，并進(jìn)一步分析前者機(jī)械能守恒，后者機(jī)械能盡管不守恒，但能量的總量卻也是保持不變的.從而使學(xué)生領(lǐng)悟到機(jī)械能既不可能憑空產(chǎn)生，也不會無緣無故消失，機(jī)械能的增減是除了重力和彈力以外的其他力做功的必然結(jié)果.

問題5：學(xué)完本節(jié)課，學(xué)生們有哪些收獲？

設(shè)計(jì)意圖：通過思考與討論強(qiáng)化學(xué)生對機(jī)械能守恒定律條件的理解，促進(jìn)了物理觀念的提升；通過對物理學(xué)科研究方法的反思和提煉，提高了科學(xué)思維和科學(xué)探究素養(yǎng)；通過對守恒思想的進(jìn)一步總結(jié)概括，認(rèn)識尋求“守恒量”已經(jīng)成為物理學(xué)研究的一種重要思想方法，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的客觀精神、學(xué)以致知的探索精神.在反思總結(jié)過程中，從學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)過程中提取有價(jià)值的東西，有利于對知識的整體理解，這是通向深度學(xué)習(xí)的必要條件.

2.5 問題解決 學(xué)以致用

對于“機(jī)械能守恒定律”一節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生經(jīng)歷了質(zhì)疑、假設(shè)、求證和反思的學(xué)習(xí)過程，已經(jīng)初步掌握了機(jī)械能守恒定律的內(nèi)容.然而深度學(xué)習(xí)面向問題解決，學(xué)以致用是學(xué)習(xí)的主要目的，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者具備把知識應(yīng)用到實(shí)際生活中去，鍛煉其解決實(shí)際問題的能力，因而本節(jié)課又設(shè)計(jì)了幾個(gè)具有梯度的課堂檢測，采取多元評價(jià)方式對學(xué)生深度學(xué)習(xí)過程進(jìn)行評價(jià).

【例1】跳傘員利用降落傘在空中勻速下落；用繩拉著一個(gè)物體沿著光滑的斜面勻速上升；光滑水平面上運(yùn)動(dòng)的小球，把彈簧壓縮后又被彈回來；拋出的籃球在空中運(yùn)動(dòng).實(shí)例中哪些情況機(jī)械能是守恒的？

設(shè)計(jì)意圖：結(jié)合生活情境，通過實(shí)例分析，掌握從做功和能量兩個(gè)角度判斷機(jī)械能守恒.

【例2】一蹦極運(yùn)動(dòng)員身系彈性蹦極繩從水面上方的高臺下落,到最低點(diǎn)時(shí)距水面還有數(shù)米距離.假定空氣阻力可忽略,運(yùn)動(dòng)員可視為質(zhì)點(diǎn),下列說法正確的是( )

A.運(yùn)動(dòng)員到達(dá)最低點(diǎn)前重力勢能始終減小

B.蹦極繩張緊后的下落過程中,彈力做負(fù)功,彈性勢能增加

C.蹦極過程中,運(yùn)動(dòng)員、地球和蹦極繩所組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒

D.蹦極過程中,重力勢能的改變量與重力勢能零點(diǎn)的選取有關(guān)

拓展：對于蹦極運(yùn)動(dòng)的生活情境，如果忽略空氣阻力，可以抽象為什么模型呢？請?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)求出重物從彈簧原長靜止釋放運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)彈簧的彈性勢能.

設(shè)計(jì)意圖：通過蹦極的生活實(shí)例，進(jìn)一步學(xué)會通過做功和能量兩個(gè)角度定性判斷機(jī)械能守恒.對于拓展問題，結(jié)合生活實(shí)例和所學(xué)知識，養(yǎng)成從物理學(xué)的視角認(rèn)識身邊的事物和現(xiàn)象的習(xí)慣，提升運(yùn)用物理知識解決實(shí)際問題的能力.

【例3】把一個(gè)小球用細(xì)線懸掛起來，就成為一個(gè)擺(圖4)，擺長為l，最大偏角為θ.如果阻力可以忽略，小球運(yùn)動(dòng)到最低位置時(shí)的速度大小是多少？

圖4 擺球模型

設(shè)計(jì)意圖：采用不同方法進(jìn)行解題，進(jìn)而初步體會牛頓運(yùn)動(dòng)定律、動(dòng)能定理和機(jī)械能守恒定律解題思路的異同，更好地理解機(jī)械能守恒定律.同時(shí)學(xué)以致用，回扣導(dǎo)入情景解決實(shí)際問題.

【例4】一根輕繩繞過光滑的定滑輪，兩端分別系住質(zhì)量為M和m的長方形物塊，且M>m，開始時(shí)用手握住M，使系統(tǒng)處于如圖5所示狀態(tài)．求：當(dāng)M由靜止釋放下落h高度時(shí)的速度(M下降h時(shí)沒觸地，不考慮空氣阻力).

圖5 兩物塊組成的系統(tǒng)

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)以致用，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識解決物理問題的能力；通過機(jī)械能守恒定律不同的表達(dá)式解題，更好地理解機(jī)械能守恒定律，并再次深刻領(lǐng)悟用機(jī)械能守恒定律解決問題的優(yōu)越性，進(jìn)一步促進(jìn)對機(jī)械能守恒定律的深度學(xué)習(xí)與理解.