以深度教学促进物理观念提升

——读林明华《慢悟理:中学物理重过程教学的探索》一书有感

莆田第一中学   陈国文

《慢悟理:中学物理重过程教学的探索》是林明华老师从事多年中学物理教学和教研的经验总结。作者从“物理基础知识建构需要‘慢’教学”“教与学的行为规范需要‘慢’教学”“学生实验素养培育需要‘慢’教学”“知识梳理与能力提升需要‘慢’教学”和“中学物理重过程的‘慢’教学实施举例”等五个方面，阐述在中学物理教学过程中应提倡‘慢’教学，才能引导学生悟出物理原理、掌握物理知识，从而提高学生的科学核心素养。

物理观念是物理核心素养的重要组成部分，对物理概念和规律的逐步学习、结构优化和迁移应用能促进物理观念的提升。“深度教学”是让学生深度参与教学过程、深度把握学习内容的教学方式，注重以真实情境为活动载体、以学习方式变革为实现途径，实现学习内容与真实情景、学生经验体系的融合。这种教学方式能促进物理概念规律的提炼与升华，促进应用物理知识解决问题能力的培养与提高，是提升物理观念的课堂改进的着力点。

    一、物理观念的内涵及提升方式

物理观念包括三个部分，一是物质的观念，二是运动与相互作用的观念，三是能量的观念。物理观念包含形成和应用两个因素，即形成观念及解释现象和解决问题。观念的形成须对物理概念和规律进行提炼，并将其“组合成优化结构”，在应用概念和规律解决实际问题中助推其升华。

    1.让学生经历概念建构的完整过程

       北师大郭玉英教授及其团队提出了“科学概念理解的发展层级模型”，该理论包括“经验、映射、关联、系统、整合”五个层级。我们以“加速度”概念构建来说明这五个层级。在经验层级，学生脑中存在关于速度和速度变化快慢的日常经验和零散事实，比如汽车百公里加速时间存在差异等；在映射层级，学生能得出加速度与速度变化和时间有关的映射关系；在关联层级，通过实验得出，相同的时间内速度变化越大或速度变化量相同所用的时间越短时，加速度越大，建立加速度与速度变化量、时间的具体特征关系；在系统层级，能从系统层面看加速度、速度、时间三个要素中自变与共变的关系；在整合层级，要求学生不仅能从速度变化快慢来理解加速度，还能从力和质量的角度来理解，形成运动和相互作用的观念。

    2．优化高中物理知识结构

       解决问题能力的高低与两个因素有关，一是知识的积累程度，二是关联知识的性质和结构。构建有优化结构的物理知识系统，要求学生将积累起来的物理知识加以归纳和整理，使头脑中的知识有组织、有系统、有层次、有内在联系。达克沃斯认为：“教学就是帮助学生产生、遵循和发展自己的观念。”基于这样的认识，教学的切入点应始于学情调查，根据学生的认知情况，设置“让学生认识到需要发展或需要修正”和“新知识能与自身的经验、信念和直觉具有一致性”环节，在原有的系统化知识方法中融入新思考，使知识更完善、更丰富。

    3．提供支撑性的真实情景

教学应由“抽象知识”转向“具体情景”，要善于创设情景让学生体会知识、发现知识。概念的建立需要创建观察和实验情景，规律的探究需要创设问题情景，应用物理知识解决具体问题应结合具体的实际情境。教学中应将真实情境作为教学活动的载体，将生活中、社会热点中、科技成果中与物理课程相关的情景引进课堂，用所学的知识审视传媒信息，敢于质疑。强化知识与实践情景的关联，在解决真实问题中体会所学内容的应用价值。

    二、深度教学是提升物理观念的着力点

    深度学习是指“以重要概念为核心的知识进行理解性和创新学习”。[2]以深度学习为基础的深度教学，追求让学生深度参与教学过程、深度把握学习内容，采用真实的、情景化的、基于问题解决的教学活动，引起学生在认知方式、情感体验、思想境界等方面发生变化。

深度教学基于价值引领。深度教学引领学生深度把握学习内容，思考知识背后所隐含的思想、意义、思维方式，增强学生学习的意义感、自我感和获得感。深度教学基于情景关联。杜威认为：“不断改进教学方法的唯一直接的途径，就是把学生置于必须思考、促进思考和考验思考的情景。”深度教学基于问题解决。布鲁纳认为：“教学过程是一种提出问题、解决问题的持续不断的过程。”深度教学基于科学思辨。美国科学课程标准认为“辩论是科学实践的一个基本特征”“科学是一个辩论的过程”，科学辩论设计有利于将“碎片化”的零散知识结构化。

    三、提升物理观念的深度教学实践

     对物理观念、真实情境和课程内容之间关系的理解，蕴含了教学方式变革的内在要求。教学中，应该在实践、反思、辩论和质疑中建构物理概念规律，在应用知识、经验分析和解决问题中升华物理知识。

    1．基于价值引领，深刻处理知识

   为实现物理课程的功能，高中物理教学应注重让学生具有物理自然观，认识自然、理解自然；具有科学思维特质，懂得推理、善于论证、勇于创新；成为科技探索者，善于发现问题、有效解决问题。基于这种价值认识，在教学中应还原知识产生的背景，恢复其原来的生动性、丰富性。

    比如在“万有引力定律”这节课中，首先介绍托勒密的“地心说”、哥白尼的“日心说”、第谷用20年时间观测记录火星的故事，开普勒对“‘8’的角度偏差”的解释从而建立行星运动三定律，还原对“行星运动”认识的精彩过程；接着介绍伽利略、开普勒、笛卡尔、哈雷对行星运动本原的解释及如何为牛顿的研究提供基础，介绍牛顿对引力的思考、猜想、建模、理论演算、月地检验从而建立“万有引力定律”，还介绍牛顿对无法解决“星球运动初速度的来源”和“引力本原问题”的尴尬以及爱因斯坦的思考。这种深度处理物理知识的方法，融入学生的原有认知，并在体会科学家研究历程中发展了物理观念。

    2.基于情景设计，引导深度思考

    北师大李春密教授认为情景设置层级呈现“金字塔”结构，塔基是“简化的学科化情景”，用于培养初步的知识系统；塔中是“整合的学科化情景”，用于培养结构化的知识系统；塔尖是“真实现实情景” ，用于培养整合的知识系统。

    在《探究感应电流产生的条件》这节课中，学生已经具有“切割磁感线产生感应电流”的认识，先用教材中两个简化的实验情景，发展“闭合电路磁通量变化产生感应电流”的更一般性的物理观念。在原来实验的基础上，设计整合化的实验情景，让闭合线圈沿“磁场模型”运动，虽然磁感应强度和面积均有变化，但“磁感线条数”不变，不产生感应电流，从而对电磁感应的本质有了结构化的认识。再设计让学生解释“手机无线电”的原理的真实现实情景，让学生脑中构建关于“电磁感应”的整合知识。

    3．基于问题解决，倡导学以致用

    用所学的知识解决物理问题，需要从“问题”中提取关键信息，再进行逻辑推理，并用物理知识建立模型。在高考物理中也更注重引导学生从“解题”到“解决问题”的转变，提倡学以致用，知行合一。在学习天体运动后，设计解决“嫦娥三号探测器在动力下降段燃料消耗”问题。引导学生解决这个问题，就要对研究的问题进行简化，首先提出“嫦娥三号”曲线运动和直线运动的模型；其次对主减速阶段横向运动和纵向运动、动力下降的其他阶段在事实基础上经过概括、抽象、推理，借助数学手段在主减速阶段建立以月心为坐标原点的极坐标系，并写出坐标方程，对其它下降阶段用动量定理列出方程；最后用数学方法、计算机模拟、物理方法等进行科学计算，并与报道中提到的信息和数据进行比对，对结论进行评价，还对“径向偏差较大”进行原因分析。

      在学习“磁场对电流的作用”后，设计 “测量本地地磁场大小”问题。学生利用力传感器、电流传感器、通电线圈、能提供匀强磁场的磁铁组进行研究，分别测出电流平行于地磁场和垂直于地磁场时的拉力差，计算出地磁场磁感应强度的大小，测出的数据与用手机中的“APP”测出的数据进行比对。

    4．基于思辨教学，优化知识结构

     科学是一个思辨过程。科学辩论经历多样性、多样性交互、观点筛选的过程。鼓励学生在崇尚证据和推理的基础上形成多样化观点，在交互阶段为自己及同伴的观点负责，在筛选阶段寻求最具解释力观点并加以完善。思辨教学实质上是将辩论这种方式引进物理课堂辩论过程有助于理解物理概念规律本质，优化知识结构。

    在学习天体运动之后，对科技日报报导的《空间微重力科学实验的前世今生》这篇文章中关于“微重力”的报导进行辩论。文章的主要描述为：由于地球上没有微重力环境，实践十号搭载着19项创新性科学实验进入太空。航天器及其内部的物体失去重力，这只是一种理想状况，在变速时会产生微小的重力，这种作用力称为微重力。

     学生在多样性观点和多样性交互过程中，观点一同学认为：当物体以“向下加速度g”做各种运动时，物体处于完全失重状态，地面上可以营造微重力环境，并举例说明。 观点二同学认为：万有引力与距离的平方成反比，航天器距地心的距离很远，引力趋于0。观点三同学认为：与相对赤道表面静止的物体一样，引力的一个分力提供作为向心力，另一个分力产生重力，地球卫星的引力全部用来提供向心力，所以卫星内物体不受重力的作用。观点四同学认为：对卫星而言万有引力、向心力、重力是同一个力，由于卫星距离地面的高度范围为200－400km，引力和地面的同质量物体受到的重力相差很小，只是引力作为向心力，卫星处于“完全失重状态”。经过充分的辩论，在老师的指导下，同学们对观点进行筛选，肯定了观点一和观点四，也肯定了观点三中关于随地球自转的地面物体所受重力的理解。