基于学科想象促进高中物理深度学习

摘   要：学科想象是提升创造性等高阶思维能力的基础，是学科学习的重要方式。学科想象与学科知识、学科实践构成一个有机整体。物理学科想象有助于知识的关联整合、思维的深层进阶和情感的高度卷入。“回归生活经验，促进情境想象”“甄选主要因素，促进模型想象”“基于状态分析，促进过程想象”是指向深度学习的高中物理学科想象教学的有效策略。

关键词：学科想象；深度学习；知识整合；高阶思维

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2025）2-0006-4

好的教学应该充满学科想象，应该激发学生的学科想象［１］。然而，一些学生不能将静态、抽象的物理模型或概念动态化、生活化，不能通过想象“还原”物体的运动过程，从而造成物理学科学习的困难。２０２３年５月《教育部等十八部门关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》提出，推进基于探究实践的科学教育，激发中小学生的好奇心、想象力和探求欲。《普通高中物理课程标准（２０１７年版２０２０ 年修订）》明确指出，科学研究包含大胆的想象和创新，科学理论既具有相对稳定性，又是不断发展的［２］。世界著名想象力教学研究专家伊根认为，想象是促进认知和理解的工具［３］。郭元祥教授认为，学科想象既是学生在学科学习中认知加工的方式和过程，也是一种学科教学方法，还是学生必备的学科关键能力表现［４］。教学中应该充分激发学生的学科想象，在学科想象中促进深度学习。那么，什么是物理学科想象？为什么基于学科想象可以促进高中物理深度学习？如何基于学科想象促进高中物理深度学习？目前这方面的研究很少。

１    物理学科想象

学科想象是学生在学科学习中基于感知理解、思维过程、已有经验和学科知识的加工而建构意义的学习活动，是学科学习的重要方式，是基于形象思维建立新的图像表征并建构意象的一种综合学习能力［４］。学科想象应该突出学科特征，在学科知识理解过程中发展学科想象力。

物理是以实验与观察为基础、以思维为中心的学科，尤其注重批判性、综合性和创造性等高阶思维能力的发展。物理学科想象是增进知识理解和培养创造性思维的工具，是学生在物理学习中基于观察、实验、分析、推理、综合、反思和论证等而建构物理意象的过程。物理学科想象能帮助学生从物理学的视角丰富对自然环境的认识，形成关于自然界的物理图景，在这个过程中形成物质观、运动与相互作用观和能量观等物理观念，培养模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新等思维能力。物理学科想象能充实物理知识与个体认知间的“间隙”，是学生从感知学习，到概念学习，再到意义学习的纽带［５］。

学科想象不是凭空想象，而是基于学科知识、学科经验和学科体验，有依据性和方向性的关联和拓展。学科想象与学科知识、学科实践活动相互支撑、相互作用，构成一个整体，如图１所示。从低向高进阶的过程，就是从“浅层学习”走向“深度学习”的过程，共同促进物理学科核心素养的发展。

学科知识是学科想象的基础，同时学科想象又是获得学科知识的方式。学科想象需要基于已知的事实和证据展开，同时学科想象可以拓展对知识的认识与理解边界。例如，伽利略的理想斜面实验，其在粗糙程度逐渐减小的情况下，依据小球在斜面上运动越来越高这一事实，想象到如果斜面光滑，其将运动到与斜面等高的地方，并进一步想象：如果将斜面放平（假设足够长），小球将永远运动下去。

学科实践是学科想象的着力点，同时也是落脚点。物理学科实践是运用物理学知识、思想与工具，解决真实情境中问题的过程。学科实践能很好地促进学生全身心投入学习过程中，更好地激发学生的学科想象，同时学科想象有助于学生找到解决问题的思路与方法，更好地进行学科实践。例如，在楞次定律的实验研究中，学生发现基于磁场方向和磁通量变化很难找到感应电流方向的判断方法，于是利用“中介”的思想帮助学生展开想象，找到感应电流的磁场这一“中介”，进一步进行学科实践，得出规律。

２    基于学科想象促进高中物理深度学习的教学逻辑

深度学习是在教师引领下，学生围绕具有挑战性的学习主题，全身心积极参与、体验成功、获得发展的有意义学习过程。深度学习突出知识的深度关联、思维的深层结构和情感的高度卷入［６］。

２．１    学科想象有助于知识的关联整合

学科想象是基于已有知识，对不同知识内容的边界进行拓展和关联的过程。想象可以突破现有概念的束缚或实验条件的限制，实现不同知识的结构化和整合。例如，极光是由太阳发射的高速带电粒子受地磁场的影响进入两极附近时，撞击并激发高空中的空气分子和原子引起的，如果在北极地区发现正上方空中呈现沿顺时针方向运动的弧状极光，尝试分析该粒子的电性，对这个问题的解决需要展开空间想象和运动过程想象，有助于整合地磁场和洛伦兹力等相关知识。

２．２    学科想象有助于思维的深层进阶

学科想象能帮助学生提出多种可能方案，并进行推理和论证，有助于突破学生的思维瓶颈，实现思维的深层进阶。当学生在学习中遇到困难或解决某问题没有思路时，需要充分引导学生基于所学知识与方法，将不同内容进行自由组合，尝试寻找解决方法，即通过学科想象帮助学生思考更多的可能性，批判性地综合分析［７］。例如，在安培分子环流假说教学中，引导学生对磁化的原因展开充分想象，尝试提出自己的假说，并进行科学论证。

２．３    学科想象有助于情感的高度卷入

学科想象过程能充分发挥学生的主体作用，唤醒学生的主体意识。学科想象是在教师的引导下，学生围绕学习主题或需要解决的问题，对物理概念建立、物体受力和物体运动过程发挥想象，建构物理模型，形成关于问题的图景，这是学生主动参与学习、提升学习积极性的过程，也是发挥学生主观能动性的过程［８］。另外，学生可以将自己想象的内容和思路与其他同学分享交流，实现思维碰撞和情感共鸣。

３    基于学科想象促进高中物理深度学习的教学策略

学科实践和学科想象是支撑物理学习的“两条腿”，从浅层学习走向深度学习。

３．１    回归生活经验，促进情境想象

学科探索情境，由于与学生的生活实际有较大差异，导致一些学生没法理解情境的内容，此时需要回归学生的生活背景，激活相关经验，找到与其相似或相近的具体情境，引导学生进行联想和类比，获得感性认识。情境是连接公共知识与个人知识的桥梁，理解情境是学习和解决问题的基础。

电势能的概念比较抽象，传统的教学方法是类比重力做功和重力势能。但是，在类比之前要通过具体的情境帮助学生理解电场力做功及其特点，然后通过情境想象，与重力做功进行类比。另外，类比也只能分析匀强电场中电场力做功的特点和电势能的变化，如果在非匀强电场中，需要通过情境的想象和拓展，并借助微元法，分析非匀强电场中电场力做功和电势能的问题。最后，进一步拓展到带电小球在重力场和匀强电场中的运动，建立等效重力场的概念。

具体教学流程如图２所示。首先，创设真实情境：用锡箔纸将一个乒乓球包住，让其带上电，将它放在一个水平玻璃板上，然后在小球两边放置两个平行的带异种电荷的金属板，小球将向一侧的金属板加速运动。

提出问题：（１）小球由静止开始加速运动，动能如何变化？（２）什么能转化为动能的呢？（３）从什么角度来研究这个能量？

根据功是能量转化的量度，从电场力做功的角度研究能量转化比较合适，先放在特殊的匀强电场中进行研究，但非匀强电场中是否也有相同的特点呢？需要引导学生进行情境想象。在通过类比得到电势能的概念后，进一步将重力加速度ｇ和电场强度Ｅ进行类比，进行情境扩展，建立等效重力场概念。

３．２    甄选主要因素，促进模型想象

物体实际运动的影响因素比较多，运动过程也比较复杂，为了研究问题的方便，需要抓住主要因素、忽略次要因素建立物理模型。物理模型比较抽象，首先需要引导学生想象影响物体的可能因素有哪些；其次，评估哪些因素的影响比较小，可以忽略；最后，根据主要因素，建构物理模型。

在理想变压器模型的建立过程中，传统教学方法是先直接探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系，再理论分析电压比与匝数比不相等的原因，建立理想化模型，这个处理方式没有抓住核心问题——变压过程中能量守恒。所以，教学应该直接从探究影响变压器变压效率的因素开始，先进行猜想，然后层层递进，逐步建立模型，最后从理论上得出变压规律，具体逻辑如图３所示。

理想变压器的本质是变压过程中能量守恒，因此直接从核心问题开始教学，并用电压表和电流表直接的测量值来计算变压器的工作效率，发现在使用闭合铁芯（硅钢片所制）、铜导线越粗的情况下，效率越高，并且越来越接近１００％。然后进行学科想象：当忽略漏磁、铁损和铜损的情况下，工作效率为１００％，即为理想变压器。理想变压器的变压规律可以通过模型的演绎与想象得到，最后进行实验验证。也就是理想变压器的教学重点是图３中的学科实践和模型想象，而不是直接探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系。

３．３    基于状态分析，促进过程想象

物理问题的解决往往需要综合分析物体的受力情况和运动过程，但是很多物理问题首先能确定的往往是某一个时刻或位置的状态，这就需要基于物体的受力情况，充分发挥想象，在两个不同状态之间建立关联，将静态的位置转化为动态的过程，深度理解物体的运动规律，活化学生的思维。

问题：质量为２ｍ的木板Ｃ静止在光滑水平面上。现将速度分别为ｖ０、２ｖ０的木块Ａ、Ｂ同时放上木板，运动方向如图４所示，木块的质量均为ｍ，Ａ、Ｂ间的距离为ｄ，木块与木板之间的动摩擦因数均为μ，木板足够长，重力加速度取ｇ，求：

（１）木块Ａ在木板Ｃ上的滑行时间ｔ；

（２）木块Ａ、Ｂ运动过程中摩擦产生的总热量Ｑ；

（３）运动过程中木块Ａ和木块Ｂ间的最大距离Ｌ。

这是一个较为复杂的物理模型，主要涉及三个物体，运动过程比较多，解决方法要用到牛顿运动定律、动量守恒和能量守恒等，对于此类问题，需要充分发挥学生的过程想象，将眼前的“静态”能转化为“动态”过程，从而找到运动过程中的关键状态，解决问题。

本问题的逻辑分析过程如图５所示。

解决本问题的关键是分析三个物体在最终都达到共速前各自的运动过程。

第（１）问，在受力分析的基础上，用动力学知识解决。

第（２）问，可以用动量守恒和能量守恒解决。

第（３）问，在前一问的基础上，结合运动过程得出距离关系，具体解决过程这里不再赘述。

另外，在人工智能的背景下，可以将ＡＲ、虚拟实验、ＣｈａｔＧＰＴ等先进技术引入物理教学，帮助学生突破认识瓶颈，激发深层想象，促进模型建构和知识本质理解。学科想象不是没有证据的胡思乱想，而是基于一定知识、经验和原理的合理联想和顿悟，是对当下条件和状态的发散性思考与合理化拓展。学科想象的内容和特点因学科而异，物理学科想象是在学科实践、学科知识的基础上，对物理情境、物理模型和物理过程的扩展与重构，有助于丰富学生对物理学科本质的认识，提升批判性、创造性等高阶思维能力。

参考文献：

［１］罗祖兵．教学应充满学科想象［Ｊ］．湖北教育（教育教学），２０２０（１１）：１．

［２］中华人民共和国教育部．普通高中物理课程标准（２０１７年版２０２０年修订）［Ｓ］.北京：人民教育出版社，２０２０.

［３］李新，郭元祥，容翠，等．知识、想象力与深度学习——与吉莉安·贾德森教授关于基兰·伊根的研究的对话［Ｊ］．华东师范大学学报（教育科学版），２０２４，４２（６）：１２５－１３６．

［４］郭元祥，李新．遇见与预见：学科想象的生成及想象教学［Ｊ］．教育研究，２０２１，４２（９）：３９－４９．

［５］邱丽．数学学科想象的内涵、价值与生成策略［Ｊ］．教学与管理，２０２３（１８）：９２－９６．

［６］郭华．深度学习及其意义［Ｊ］．课程·教材·教法，２０１６，３６（１１）：２５－３２．

［７］胡扬洋．我国“学科能力”研究的新观念［Ｊ］．教育导刊（上半月），２０１７（２）：１０－１３.

［８］胡革新．让学生与知识真切相遇：“深度教学”的校本实践［Ｊ］．中小学管理，２０２１（７）：２０－２２．

（栏目编辑    赵保钢）