深度学习视角的物理习题教学策略研究

2022年6月3日00:16:25深度学习视角的物理习题教学策略研究已关闭评论
摘要

唐忠敏 王太军摘? ?要:深度学习是学习者高专注力投入、高阶思维介入、高认知体验的学习活动,具有深度理解知识、主动建构反思、发展高阶思维等关键性特征。在梳理物理习题教学中开展深度学习的可能性与可

    唐忠敏 王太军

    

    

    

    摘? ?要:深度学习是学习者高专注力投入、高阶思维介入、高认知体验的学习活动,具有深度理解知识、主动建构反思、发展高阶思维等关键性特征。在梳理物理习题教学中开展深度学习的可能性与可行性基础上,以变力做功的习题教学案例,探讨基于深度学习的物理习题教学策略与途径,以期为一线物理教师教学提供参考。

    关键词:深度学习;物理习题教学;变力做功;教学策略

    中图分类号:G633.7 文献标识码:A ? ? 文章编号:1003-6148(2020)12-0052-4

    习题教学是物理教学中重要的组成部分,而物理习题课中存在“刷题”“题海战术”等现象常使学生学习负担较重且效率较低。深度学习(Deep Learning)是学习者高专注力投入、高阶思维介入、高认知体验的学习活动,基于深度学习特征优化的物理习题教学能在一定程度上减轻学生的学业负担,提升知识迁移应用水平。本文就深度学习的特征以及物理习题教学中开展深度学习的可行性进行分析,并结合案例分析基于深度学习的物理习题教学的策略与途径。

    1? ? 深度学习及其关键特征

    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诸多层面,强调对知识本质的理解和对学习内容的批判性利用,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性學习[1]。美国学者Ference Marton和Roger Saljo开展了一系列关系学习过程研究之后,于1976年在《学习的本质区别:结果和过程》中首次提出相对于浅层次学习而言的深层次学习。根据布鲁姆(Benjamin Bloom)的教育目标分类系统,学生在认知学习中可以分为由低到高六个水平层次,即识记、理解、应用、分析、综合、评价。浅层学习仅停留在识记和理解的目标水平,而深度学习则对应着应用、分析、综合、评价的目标水平[2],见表1。

    基于以上分析,可以发现深度学习具有至少三个方面的关键性特征:

    (1)深度理解知识

    浅层学习表现为策略复述和机械套用,适用于符号表征和事实学习,学习往往流于表面的机械识记,学习者无法了解学习内容的意义。深度教学在于唤醒、重组、运用和反思学生已有经验的动态生成过程,促进教学与学生生活经验的融合,以利于迅速建立新旧知识的联系,实现具身体验基础上的深度理解。

    (2)主动建构反思

    深度学习是学习者积极主动的自觉行为,学习者倾向于主动建构反思所学知识信息。主动建构反思是指学习者在旧经验的基础之上主动地进行分析、调整、评价,通过课堂内主动参与、建构反思方式将新知识与旧知识连接起来,以达到建构新的经验体系,在不断的反思中温故知新[3]。从这个意义上说,深度学习和浅层学习的本质区别就在于是否主动建构反思。

    (3)发展高阶思维

    高阶思维能力是一种高层次认知水平为主的综合性能力,主要表现为批判和超越已有经验,提出问题并运用策略解决问题的能力。知识的迁移和应用需要通过高阶思维活动完成,使学习者在学习过程中基于相似情境能举一反三,在新情境中能迅速迁移知识并加以应用。如果学习者只是简单的记忆和机械理解,迁移和应用将很难发生,这样的学习仍就停留在浅层水平上。因此,为实现学生深度学习,教师需要准确把握问题和深度探究的契机,尽可能激发学生高阶思维进行深度思考。

    2? ? 物理习题教学中开展深度学习的可能性与可行性

    根据物理习题教学的内容和特点,在物理习题教学中开展深度学习,不但具有可能性,而且具有可行性。

    第一,物理习题教学具备学生开展深度学习的基础条件。物理习题教学主要是对学生已学知识进行巩固练习和迁移应用,而物理习题教学中涉及的物理知识往往是学生已经学习过的内容。建构主义学习理论认为,学习者不是空着头脑进入课堂的,教师需要将学生原有经验视作课堂教学设计的生发点和课程内容的来源,课堂教学可以将“运用你的经验”作为“先行组织者”,在“最近发展区”内提升学生认知水平和问题解决能力。因此,物理习题教学具备开展深度学习的前提条件。

    第二,物理习题教学可以促进学生深度参与和主动建构。物理习题教学中所涉及的问题,可以源于生活中的一系列实例,教师可以从原始物理问题情境切入,有意识地引导学生向深层次的问题逻辑和意义层面思考,让学生在疑难处思疑、解疑,改组改造原有认知结构、采用同化或顺应策略以主动建构新知识,可使学生对所问、所学内容深刻理解,掌握知识本质、发展高阶思维,达成深度学习。

    第三,深度学习是物理习题教学实现迁移应用和触类旁通的有效途径。学以致用是物理习题教学的重要目标,而作为学以致用较高水平的迁移应用往往以学生的高阶思维活动为载体。由于深度学习中学生的高阶思维介入,促进学生在模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新方面提升科学思维能力素养[4],使学生在相同或相似的情境中能迅速、准确地迁移应用。

    3? ? 深度学习视角的物理习题教学策略

    【问题情境】 一质量为m、长为L的匀质链条,放在摩擦系数为μ的桌面上,其长为a的一端下垂,如图1所示。链条与桌边缘的相互作用忽略不计,当链条由静止开始沿桌边向下滑动至刚刚全部离开桌边的过程中,重力与摩擦力各做多少功?

    (1)深度理解,建立方程

    以链条为研究对象,选桌边为坐标原点O,链条运动径迹竖直向下为坐标轴正方向,某时刻坐标为s,链条受力如图1所示。

    在链条下滑过程中,两个变力可分别表示为:

    下垂部分链条的重力:

    G1=■s(1)

    桌面上的链条所受的摩擦力:

    f=μN'(2)

    桌面对链条的支持力: N=G2=■mg(3)

    由牛顿第三定律知:N=N'(4)

    由(2)(3)(4)式得链条所受摩擦力大小:

    f=μ■mg=μmg(1-■s)(5)

    (2)主动建构,匹配方法

    引导学生自主建构并分析,由于桌面上的链条质量时刻在变化,受到的摩擦力也时刻在变化,变质量物体运动问题较适合用积分方法来分析:

    下垂部分链条重力做功满足:

    WG=■Gds(6)

    将(1)式带入(6)式得:

    WG=■■sds=■? ? ? (7)

    桌面上链条所受摩擦力做功满足:

    Wf=■-fds(8)

    将(5)式带入(7)式得:

    Wf=-■■(L-s)ds=-μ■(L-a)2(9)

    (3)转换思维,灵活应用

    以上涉及到变质量物体的受力与做功的计算,虽然积分方法是较为常见的方法,但在高中物理和大学基础物理中经常会遇到类似变力做功问题,由于学生不具备或不熟悉微积分计算知识,这种方法无疑给学生带来了较大的挑战。

    此时,教师可以提出问题让学生思考:有没有不用微积分的方法来解决?教师通过类比速度-时间图像求解位移问题来引导学生思考本题中的链条重力做功问题。

    根据题意,建立下落链条的重力随s变化图像,如图2(a)所示,阴影部分梯形面积数值上等于重力做功大小,则有:

    WG=■(■a+mg)(L-a)=■(L2-a2)(10)

    建立桌面剩余链条所受摩擦力随s变化图像,如图2(b)所示,阴影部分三角形面积数值上等于摩擦力做功大小,则有:

    Wf =■(L-a)(-μ■mg)=-■(L-a)2

    (11)

    (a)

    (b)

    由(7)(9)(10)(11)式的结果发现,运用转化思维建立的图像的计算结果与积分运算结果完全一致[5],且图像方法更为巧妙和简约,方便学生理解和计算。

    (4)总结反思,触类旁通

    引导学生总结反思,对此类问题哪些情况下适合用图像法来分析,哪些情况下又不适合用图像法呢?第一,对于变力做功的问题,需选择适当坐标,找出该力随坐标而变化的函数关系,然后采用积分法和图示法即可求得此變力对物体做的功。第二,使用图示法分析需要具备一定的适用条件,即可通过图像与坐标轴围成的面积来反映某一物理量时,可用图示法直观地进行分析,例如速度-时间图像求解匀变速直线运动的位移、加速度-时间图像求解某一过程的速度等,以及在变力做功问题中尤其是变力是坐标的线性函数时,则运用图示法分析就显得更为简便。第三,变质量链条运动类问题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、重力和摩擦力做功问题,但过程有些复杂,此处不再赘述。

    总之,基于深度学习特征要素优化的物理习题教学,以引导学生深度理解知识、主动建构反思、发展高阶思维等为主要切入点,在策略和方法的选取上因习题教学的具体内容而异,通过合理设计与规划教学环节,以提升物理习题教学效果。

    参考文献:

    [1]康淑敏.基于学科素养培育的深度学习研究[J].教育研究,2016,37(07):111-118.

    [2]张浩,吴秀娟.深度学习的内涵及认知理论基础探析[J].中国电化教育,2012(10):7-11.

    [3]安富海.促进深度学习的课堂教学策略研究[J].课程·教材·教法,2014,34(11):57-62.

    [4]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准(2017年版)[S].北京:人民教育出版社,2018:4.

    [5]唐忠敏.图示法巧解变质量链条运动做功问题[J].物理教师,2020,41(01):65-66.

    (栏目编辑? ? 罗琬华)