基于深度学习理念的物理教学问题解决

    李春密 赵柳

    

    作者简介：李春密（1966-），男，教育学博士，北京师范大学物理学系教授，博士生导师。中国教育学会物理教学专业委员会副理事长兼秘书长，高等院校物理演示实验教学研究会理事长，义务教育物理课程标准修订组核心成员等，长期从事物理教育的研究工作，主要研究方向为物理课程与教学论、物理教育与心理发展研究、物理实验教学研究、物理教学评价研究等，曾获北京市教学成果一等奖，河北省教育科学研究优秀成果二等奖，北京师范大学第六届励耘优秀青年教师二等奖，北京师范大学教学名师等荣誉。赵柳（1994-），女，北京師范大学物理系硕士研究生，研究方向为物理课程与教学论。

    摘? ?要：新课程改革对中学物理教学提出了更高的要求，深度学习体现了21世纪人才培养的变革，是落实立德树人根本任务的现实路径，是解决好物理教学存在的现实问题的有效方式。文章从课程目标与学习时间、学习活动与学习进度、学习动力、创新培养等几个方面，简要梳理了物理教学中存在的问题，基于教育部基础教育课程教材发展中心的“深度学习”教学改进项目的研究，探讨了学习内容组织方式和学习过程的改变，提出了改进物理教学的解决路径，为在物理教学中实施深度学习提供了一些建议。

    关键词：深度学习;教学问题;反思

    中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2020）12-0001-6

    1? ? 引? 言

    2018年9月，习近平总书记在全国教育大会上指出，坚持党对教育事业的全面领导，坚持把立德树人作为根本任务，坚持优先发展教育事业，坚持社会主义办学方向，坚持扎根中国大地办教育，坚持以人民为中心发展教育[1]。深度学习作为落实这一根本任务的现实路径，成为现阶段所提倡的一种教学理念。深度学习是对21世纪人才培养的回应，是世界各国不约而同的选择，同时也是实现我国基于核心素养这一培养目标的教学改革的良好方式[2]。

    物理学作为一门探究物质基本结构、相互作用和运动规律的基础科学，对于学生思维能力的发展和创新人才的培养非常重要。新课程改革理念以及更为全面的人才培养要求，对中学物理教学提出了更高的要求，解决好物理教学中长期存在的一些问题，提升物理教学质量就显得十分迫切。

    因此，本文基于教育部基础教育课程教材发展中心的“深度学习”教学改进项目的研究，思考了基于深度学习理念的物理教学问题解决路径，为在物理教学中实施深度学习提供了一些建议。

    2? ? 物理教学的现实问题

    2.1? ? 课程目标与学习时间的矛盾

    课程目标是学生学习过程中的具体目标，遵循课程标准而制定。随着时代的发展，在国际视野的影响下，我国的课程标准经历了从“基本知识、基本技能”到“三维目标”再到“核心素养”的转变，即实现了从重视知识到发展能力再到核心素养培养的观念转变。尽管新的培养方式关注了教育的内在性、人本性、整体性和终极性[3]，有利于实现教学的价值自觉[4]，但也增加了培养的深度和复杂度。

    同时，物理学科本身具有抽象性、逻辑性、系统性强等特点，在以往的学习中已存在学习难度大、压力大、学习有效性低等问题。因此，在新课程实施的背景下，如何平衡全面的物理课程目标与有限的学习时间是有效实施物理教学的重要基础。

    2.2? ? 学习活动与学习进度的冲突

    学界对于“学习者如何学习”问题进行了长期的探讨与研究，其中，皮亚杰（Piaget）认为学习是学习者与外界的同化、顺应过程，焦尔当（Giordan）认为学习是主客体之间的解构、建构过程。尽管学者们对学习过程的解读不尽相同，但都认可“学习发生于学生自身，由学生自己决定”。很多教学研究也印证了这一观点，并进一步形成了“学生主体”的价值立场[5]。“学生主体”理念的学习活动随着教学观念由知识本位向学生本位的转变也在教学中逐渐占据更大的比重。

    同时，鉴于物理学的学习是以观察和实验为基础的，且研究表明，为学生提供充足的思考与实验试错时间有助于学生对物理知识的理解[6]。尽管增加实验活动、给予学生更多思考和表达时间有助于物理教学效果的提升，但这也为课堂教学带来了更多的不确定性，活动的难度、复杂度、学生的初始能力以及教师的指导强度都会影响到学习效果与教学进度。因此，如何平衡好学习活动与教学进度之间的关系是有效开展物理教学的前提条件。

    2.3? ? 学习动力持续下降

    学习力是学生的生长力，即人具有的生命能量与活力[7]。学习力是终身学习的关键，是核心素养发展的增值力，也是我国基础教育改革“三力模型（区域性决策力、校长领导力和学生学习力）”之一。不同学者对于学习力的要素界定各不相同，有学者将其界定为学习动力、学习态度、学习方法、学习效率、创新思维和创造力几要素[8]。也有学者认为其是学习能力、学习毅力、学习效率、学习动力、学习创新力、学习转化力、学习合作力和学习反思力等要素的总和[9]。但不管要素如何划分，可以发现学习动力都是学习力中不可忽视的成分，是激发学习力的重要因素。

    有研究表明，现阶段，中国学生的学习动力随着年龄的增长逐渐下降[10]。而这一现象在物理学科教学中更为明显。鉴于教学是达到学习目标的基本途径，因此，如何改进物理教学，提高学生的学习动力就成为实现有效物理教学的重要任务之一。

    2.4? ? 创新教育培养不足

    创新教育是以学生创新意识、创新思维以及创新能力培养为目标的教育。其中，创新意识是指好奇心、毅力等促进创新发生的内在动力，创新思维是指直觉思维、形象思维、逻辑思维等促进创新进行的高级复杂认知能力，而创新能力则是指在前两者的作用下转化为产品的实践能力，三要素密切相关、不可或缺[11]。创新是社会发展的动力，是国家发展的战略要求，创新人才的培养是我国课程改革的重要目标之一，但在以往知识本位教学观下并未重视创新人才的培养。正如2020年9月习近平总书记在科学家座谈会上所说，“要加强创新人才教育培养。人才是第一资源……要把教育摆在更加重要位置，全面提高教育质量，注重培养学生的创新意识和创新能力。”[12]

    中学阶段是学生思维能力快速发展的阶段，也是创新教育的重要时期，而物理学从本质上讲就是创新的产物，物理学科教学是创新教育的重要阵地。因此，如何在物理教学中进行创新人才的培养对国家和学生的发展皆具有重要的意义。

    3? ? 基于深度学习理念的学习内容与过程的改变

    深度学习理念源自历史上的优秀教学理论和实践成果，为教学提供了理想的范本[13]。因此，本研究希望通过对深度学习内容和过程特征的分析和理解来解决物理教学问题。

    3.1? ? 学习内容组织方式的改变

    从学习内容角度看，深度学习与以往教学的不同在于使学生围绕“具有挑战性的学习单元”[13]进行学习，即构建学习单元，实施挑战性活动。

    学习单元是为完成一定的目标，教师根据教学经验和教学内容，将性质相同或有内在联系的内容组织在一起的教学单元或模块[6]。根据认知负荷理论，学生在从事复杂学习活动过程时工作记忆需要同时加工多个信息元素，若信息元素过多会导致工作记忆储存空间超负荷，而通过学生图示的建构可以降低信息元素的处理个数，有效减少内部认知负荷[14]。且艾里克森（H.Lynn Erickson）的研究也表明，基于大概念的整合学习有助于提升思考层次[15]。因此，构建学习单元有益于知识的整合以及多种思维能力的培养，是深度学习发生的必备前提。

    挑战性活动通俗来说就是没有学过且有难度的内容。如果只是没有学过的简单内容不足以称为挑战性活动，而难度过大的内容也不能称为有效的挑战性活动。根据维果茨基（Lev Vygotsky）的最近发展区理论，学生具有依靠教师的引导而达到的潜在发展水平，挑战性活动就是针对这一潜在发展水平所设。实施挑战性活动就是在教师的引导下，使学生在解决问题的过程中，通过调用多种知识、方法，借助思考、探究、分析、概括、预测、建模、设计、评价等方式，掌握科学思维，加深和拓宽对知识的理解[6]。因此，挑战性活动是培养物理学科核心素养的重要条件，也是开展深度学习的重要教学过程。

    3.2? ? 学习过程内涵与机理的改变

    从学习过程角度来看，深度学习实现了从心理学对学习者的认识向社会环境下“全人”学习的认识的观念转变，促进了知识技能学习向核心素养学习的目标转变，推动了被动记忆向主动深入理解的学习方式转变。

    首先，根据瓦雷拉（Varela，F.）等的具身心智理念，人的身体在与外界环境的互动中形成对自己和客观世界的认识，形成学习和发展所需要的认识方式，认识的本质在于一种身体经验[16]。由此可知，身体是连接客观世界与学习者认识的桥梁，身体的活动是自我认识的外化，而活动中的身体体验是对客观世界认识的内化。因此，深度学习从内涵上来讲，不只是“大脑”的运算过程，还是在特定社会背景下有社会意识的主体的活动[2]。

    其次，深度学习是学生感知觉、思维、情感、意志、价值观全面参与的学习过程[2]。这与焦尔当（Giordan）构建的变构学习模型十分相似，可以说，深度学习过程就是学习者“概念系统”转变的过程。概念系统是学习者的解释系统，不仅包括认知层面，还包括生物、情绪和社会境脉等多个层面[17]。因此，深度学习的目的在于培养社会化的全面的人，是实现学生核心素养目标的基本方式[2]。

    最后，学习源于日常观察和感受，在学习之初，要让学习者产生学习的愿望，然后在教师的引导下主动归纳经验，形成系统的自我认识，即包含行为、情感、认知和元认知等的概念系统。在此基础上通过教师创设的矛盾情境以及引导，让学生自主经历知识与信息间的比较、批判、质疑、评价，从而建构知识体系、掌握知识本质、感受学习的乐趣、并体会学习的价值，最后转变自己的概念系统，形成自我的价值观和解决复杂问题的能力。因此，深度学习是对学习者主动学习过程机理的刻画，是学生深入理解的方法依据。

    4? ? 物理学科教学问题的解决策略

    4.1? ? 设计学习单元，关联研究方法

    新修订的《普通高中物理课程标准（2017 年版）》将物理学科核心素养作为中学物理的系统培养目标。而根据深度学习理念，学习单元的优点在于整合知识和全面培养学生的思维能力，有利于物理学科核心素养的培养。且研究表明，整合有助于实现学科内容的“少而精”[5]，因此，采用学习单元教学有利于缓解全面的物理课程目标与有限的学习时间之间的矛盾。

    学习单元的确定，首先需要了解物理知识结构，以此选择学习单元;其次在对学生已有水平以及课标的分析中确定学习单元的主题;最后根据具体的知识内容确定相应的核心素养培养方式，开展教学活动。需要注意的是，在构建知识框架时，第一，尽可能构建完整的知识体系，展现物理学科的整体知识脉络，教师可以从知识、思维能力、研究方法等多角度认识物理教学内容，提高所构建学习单元的科学性和整合效果，呈现“少而精”的教学内容;第二，注意区分知识的层次，即区分学科核心概念、主题核心概念以及重要概念。学科核心概念指整合学科内容的少数关键概念。例如，高中阶段的物理学科核心概念包括物质结构、运动与相互作用、能量、电与磁几大主题。每一主題下还有多个组织单一主题的少数核心概念，即主题核心概念，例如在运动与相互作用主题下，力、运动、力与运动的关系等都属于主题核心概念。而在每一主题核心概念下，还有多个组成学科知识的重要概念，包括基本概念、描述客观事物的某种属性和关系概念（规律）以及概念间的关系。例如，在力主题核心概念下，重力、弹力、摩擦力都是描述力的基本概念，而在力与运动关系主题下，牛顿第一定律和牛顿第二定律都属于关系概念。以此避免繁多的知识点喧宾夺主，实现对主要知识内容的认识。

    在确定学习单元主题时，要注重选择学习单元主题的描述视角，不同的描述视角对应着不同的教学内容安排方式。例如，力主题核心概念下，包含重力、弹力、摩擦力、牛顿第三定律、力的合成与分解、共点力平衡六个重要概念，可根据内容性质分为力的种类和力的特点两类内容。根据课标的要求，学生要在初中对力的种类和二力平衡理解的基础上进一步认识矢量和标量的区别，学会使用力的合成与分解，能够对较复杂的现象进行受力分析并进行解释。因此，在这一学习单元中要让学生全面认识力的矢量性，即学习单元的主题可以定为“如何认识力的矢量性”。以此为主题的教学安排具有突出重点、明确不同知识点学习占比的作用，从而为“少而精”的教学活动提供依据。

    另外，尽管物理学知识的抽象性、逻辑性很强，但其抽象方式以及解决问题的思路都具有相似性。例如，比值定义法是用来描述物质本质属性的一种常用思维模式，电阻、电场强度、磁感应强度、电容等物理量的定义都是这一思维模式的体现。这些物理量分属于不同的学习单元且抽象性较强，但由于其理解方式类似，若引导学生掌握这一思维模式进行迁移使用，可以有效减少学生的理解时间。再比如，“电场”和“磁场”的知识学习可以构成两个不同的学习单元，其研究思路都是由表及里，先用客观事物描述研究现象，再挖掘其本质特性，最后进行应用。若引导学生掌握这一物理学常用研究思路，可以加快学生对知识框架的理解，提高教学效率。因此，在学习单元的“明线”教学下，还可以进一步设计相同研究方法的“暗线”教学。即通过总结物理教学中常用的思维模式和研究思路，采用学习进阶的方式描述相似研究方法在不同学习单元下学生的掌握情况，并在不同学习单元教学中进行体现。一方面，这一方法将学习单元关联在一起，有利于学生形成系统的知识体系，另一方面，这也在完成课程目标的前提下缩短了教学时间。

    总而言之，设计学习单元，关联研究方法，不仅在极大程度上解决了物理课程目标与有限的学习时间之间的矛盾，也有助于学生物理知识体系的形成以及核心素养的培养。

    4.2? ? 重构学习时空，分配学习活动

    随着对“学生主体”理念的深刻理解，物理实验活动在教学中的占比也在逐渐增加。而深度学习理念，在认可活动价值的基础上，将课堂活动限定为具有“挑战性”。可进一步将其解读为挑战性活动安排在课上，其余活动安排在课下。这不仅拓展了学习的时间与空间，将课上与课下、学校与家庭结合在一起，有助于构建家校共同体，还延伸了教学的意义和内涵，有助于解决学习活动与教学进度之间的冲突。

    根据维果茨基（Lev Vygotsky）的最近发展区理论，若学生现有水平与需要达到的水平之间的差距能够通过教师短期引导而达到，则这样的学习内容可以称为是具有挑战性的。因此，放置在课堂上的活动，第一，需要针对学生学习困难的学习内容，可能是迷思概念，也可能是欠缺的思维能力。例如，对于“速度和加速度具有一致的方向”这一迷思概念，教师可以引导学生实验验证，根据不同方向的加速、减速运动频闪图像，自主画出速度和速度变化量的方向，归纳运动的特点，以此检验自己的初始想法，加深对加速度方向的理解。又如，对学生难以理解的“合力及其分力可以等效替代”这一思想方法，可以进行实验，在保证橡皮筋拉伸长度和方向不变的前提下采用一个力（合力）和两个力（分力）拉，以此帮助学生理解合力与分力的关系，学习等效替代的思路。第二，关注对学生未来发展具有重要作用的内容，包括对学生未来的物理学习、跨学科学习或是与未来社会生活相关的内容。例如，矢量的运算法则贯穿物理学习的全过程，加速度、力、运动都涉及到这一法则，因此在具体物理量的教学时可以引导学生认识相关物理量背后的矢量特性，从而加快迁移效率。再比如，变化率是一个跨学科的概念，不管是速度变化率还是化学反应速率等都表示某种变化的快慢，可以引导学生类比不同学科涉及的变化率来学习速度变化率，加深其对跨学科特性的理解，从而促进概念的跨学科迁移。

    与此同时，对于难度不大、思考时间较长的学习活动可以放置在课下进行。例如，需要归纳、总结的内容，物理学习的开端在于对客观世界的认识，而对世界的认识来自于对现象的归纳、总结，这一环节尽管重要，但其所需的思维能力难度不大，且不同水平的学生归纳时间差异较大，放在课下进行，不仅可以为学生提供充足的时间进行深入、全面的总结和归纳，有利于归纳能力的练习，还节省了课堂时间，为挑战性活动的开展提供了宽裕的时间。

    对于难度过大的学习活动，也应当放在课下进行。在物理学中，难度源于内容本身，亦或是内容复杂度。鉴于学习遵循学生认知规律的原则，因此，排除内容难度大的，对于內容复杂度高的学习活动放在课下进行，有利于复杂内容的拆分和解决。例如，项目式学习涉及多种知识与思维能力，具有耗时长、跨学科、支持系统多样、互动频率高等特点，放置在课下进行不仅可以提供给学生充足的时间和精力查阅文献、学习相关知识，还可以加强学生与他人之间的沟通与合作。但需注意的是，这一学习活动也需要教师的引导。例如，在项目开始前安排学生分组并指导学生确定研究方向，设计研究方案;在项目进行中及时引导学生解决所遇到的困难;在项目完成后引导学生反思项目的优势与不足。

    总的来说，重构学习时间与空间，合理分配学习内容有助于平衡学习活动与学习进度之间的关系。

    4.3? ? 感悟学习内涵，提高学习动力

    在2020年9月的科学家座谈会上，习近平总书记指出“好奇心是人的天性，对科学兴趣的引导和培养要从娃娃抓起”[12]。物理学作为重要的自然科学基础课程，肩负着提高学生科学知识学习动力的重任。学习动力包含外在动力与内在动力。研究表明，学生自身对于学习动力的影响因素最大，且学习策略与学习动力之间的关系密切[10]。因此，提升学生的物理学习动力应深入学生内心，在了解学生主动学习过程的基础上挖掘动力来源。而根据深度学习理念，学生的学习过程就是概念系统的转变过程。因此，通过对认知、元认知、情感、价值观等多层面的分析，有助于找到提高学习动力的方法和策略。

    爱因斯坦（Albert Einstein）曾说，兴趣是最好的老师，这表明情绪对学习动力提升的重要性。根据心理学先驱詹姆斯（James，W.）的观点“情绪是由身体反应所导致”，学生在参与学习活动中产生的喜悦、失望、激动、紧张等情绪体验为理解客观世界提供了理解基础与内在动力[16，18]。因此，教师要注重寻找能够引起学生感触的活动，例如新颖的实验可激发学生的学习热情。还要引导学生自主参与活动，了解自己的情绪变化，从而深化情绪体验，提高学习动力。例如，学生在解决难题后的喜悦之情会提升学生解决问题的兴趣，促进学生解决新问题的信心和动力，而多次成功的问题解决会深化这种积极情绪，提高学生的自我效能感，最终提升学习动力。

    物理学习常常会遇到难以理解的内容或解决不了的问题，此时最重要的是要有攻克难关的勇气和信念。而这些普适的价值观，来自于深度学习的过程。根据霍恩斯坦（A.Dean Hauenstein）情感教育目标，在深度学习过程中，学生通过亲身的学习活动，会对自我或相关科学家的某些做法进行道德评价，并在实际活动中选择认可某种价值观，最终在多次的使用中内化为自我的价值观。因此，教师首先要安排具有这些品格的学习活动，并鼓励、帮助学生解决问题，使其意识到坚持、毅力的重要性;其次，对完成这类学习活动的学生进行表扬，宣传这些品质的正确性;最后，请完成这类学习活动的学生介绍自己的研究历程，增强这些品质的说服力。例如，在学习电磁感应现象时，教师可以引导学生在复习“电生磁”研究过程的基础上探索和寻找“磁生电”的方式，在学生遇到困难时介绍法拉第的研究经历，讲述他经过十多年持之以恒的研究最终才发现电磁感应现象的故事，从而引导学生形成“只有通过努力和坚持才会有收获”的观念，促使学生理解学习过程的艰难与学习的价值。

    根据桑代克（Edward Lee Thorndike）的效果律，获得满意学习结果的学生更愿意学习，这说明了学习策略对学习动力提升的重要性，而学习策略的核心在于认知与元认知策略。认知策略在于帮助学生顺利完成学习任务。研究表明，我国学生的推理、解释、论证等具有精细加工特征的认知策略还有待提高[10]。鉴于认知能力需要在活动中培养，因此，在深度学习过程中，可以根据不同知识的探究特点与学生的认知水平，拆分探究过程，有针对性地引导学生练习某种认知能力，细化认知策略的培养。例如，伽利略斜坡实验的缘起过程就蕴含着丰富的科学推理思想，可以作为培养科学推理能力的内容之一。而元认知策略在于反思适合学生的个性化学习方式以及在学习中遇到问题时及时调整学习策略，从而促进学习的顺利完成。即通过教师引导和学生对学习过程的质疑评价实现元认知的调节与监控，使学生了解不同学习方法的局限性以找到适合自己的个性化学习方法，最终实现学习动力的提升。

    综上所述，学生全身心地感悟深度学习中所蕴含的情感、价值观以及思维方法，是提升学习动力的有效方式。

    4.4? ? 指导学习重点，培养创新人才

    从培养方式来看，创新人才的培养重视学生自主解决实际问题的能力，倡导学生在活动中通过合作、共享和讨论深化对知识的理解[11]。这与深度学习的教育理念和学习过程具有极强的相似性。因此，可以从深度学习的学习过程中挖掘创新教育的培养策略。

    物理学的创新成果包括物理知识的综合、重整、发展与创造;物理概念和方法的移植或类比来构建新知识体系亦或是突破已有的物理知识局限，提出新的见解、设想、思路和观点[19]。由此可知，知识是物理学创新的基础。知识的深度和广度为创新的发生提供了必要的知识储备，知识的结构化为创新提供了融会贯通的桥梁[20]。因此，应当采用学习单元为主题的教学，在教学活动中通过整合知识结构，转变教学视角，引导学生主动了解知识间的区别与联系，认识知识本质，从而构建知识结构，为创新提供知识来源。

    与此同时，物理学理论的建立过程是科学家创新思想的体现，其中蕴含着许多创新的思路和步骤。例如，伽利略斜坡实验是其受到单摆等高性的启发而创造性设计的研究运动与力关系的实验;牛顿运动三定律是在对前人研究成果的重整、发展、创造中产生的。因此，需要教师注重培养学生的元认知调节与监控能力，即在质疑批判中引导学生主动反思科学家们的研究过程，挖掘其创新思维和思路，从而扩充自己的创新思维，打破思维定势。

    鉴于学生的学习过程遵循科学家的研究过程，因此创新教育需要在活动中开展。而活动，除具有获取知识和思维的功能外，还具有形成价值观和掌握动手实践能力的功能。一方面，研究表明，創新意识与独立、勇敢、毅力以及强烈的好奇心和自信心关系密切[20]。因此，在建构物理知识体系的过程中要引导学生感受和理解新知识的价值和内涵，在学习活动或在讲解科学家的研究经历中体会知识形成过程中蕴含的人生观、价值观，从而了解创新对个人发展和社会进步的意义，形成创新的意识。另一方面，实践是创新能力获取必不可少的部分，但由于课堂教学时间的限制，课堂上的创新活动一般只能完成创新思维和创新意识的培养，而无法实现创新能力的培养。因此，可以在具有创新特质的深度学习课程后安排相关的项目式学习或创客教育，巩固创新思维与意识，发展创新能力，从而实现创新人才的一体化培养模式。

    由此可知，学生在主动参与的活动中，在教师的指导下，深挖知识、运用元认知策略总结创新思路、感受与创新相关的价值观，进行创新实践，最终即可实现创新人才的培养目标。

    5? ? 结? 论

    对学习方法的探讨是一个永恒的话题，不同的时代对人才的要求不同，这也就衍生出不同的学习方法。深度学习是回应21世纪人才培养要求的具体方式，实施深度学习，应以人才培养的具体要求为原则，通过全面挖掘深度学习的特征和学习过程来改变教学观念，完善培养方式，而系统的培养方式又会进一步扩充深度学习的内涵。本文基于深度学习理念对物理学科中四个方面的教学问题解决进行了思考，为在物理教学中实施深度学习提供了几个策略。但随着深度学习相关研究的深化，必然还会产生新的实践问题，这也需要更进一步的思考研究。

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    （栏目编辑? ? 廖伯琴）