原始物理问题：促进深度学习的有效支架

摘   要：原始物理问题能够很好地促进深度学习，与深度学习具有内在的逻辑一致性。探讨了原始物理问题与深度学习的关系，提出了运用原始物理问题促进深度学习的４条教学策略：“情境—图文”转换策略、“抽象—数化”相彰策略、“探究—建模”顺进策略、“提问—评价”反视策略，以现行人教版“抛体运动的规律”教学为例对此做了详细阐释，最后基于课堂实践提出了３条教学建议。

关键词：原始物理问题；深度学习；物理课堂教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2024）9-0033-5

随着教学理念的迭代升级以及素养目标引领下教学改革的深入推进，培养学生的必备品格和关键能力是落实物理学科核心素养的重要内容，追求有深度的课堂教学是每一位物理教师应有的教学观，促进深度学习体现学生的主体性地位是全体物理教育工作者的基本共识。为改善传统物理习题教学理论“重技巧轻思维”“重应试轻素养”等不良研究倾向，邢红军、赵凯华等提出了原始物理问题教学理论［１］，该理论重思维与理解、重能力与迁移、重创造与实践的风格与深度学习的基本特征——注重批判理解、强调信息整合、注重迁移运用、着意情感投入，具有内在逻辑一致性，该理论为促进深度学习打开了研究之窗。

１    原始物理问题与深度学习的关系

原始物理问题是指自然界和社会生产生活中真实存在的，蕴藏着物理概念、规律且未被处理为物理教学问题的物理事实或现象［２］，具有真实性、生态型、稳定性、迁移性、开放性等特点［３］，原始物理问题教学是指运用原始物理问题旨在转变学生认知方式，培养学生物理关键能力，发展物理能力水平，促进学生思维从无序到有序、它组织到自组织转变的教学［４］。

根据自组织表征理论，原始物理问题表征包括外部表征（定向表征、抽象表征、图像表征）和内部表征（赋值表征、物理表征、方法表征、数学表征）两大方面［５］，为更好地贴合课堂教学，完全可以将其化为呈现客观物理现象、抽取原始物理问题、建构理想物理模型、解决原始物理问题、评价问题解决过程五个环节，教学中两者相互参照。

深度学习是指在理解的基础上，学习者能够批判地学习新思想和事实，并将它们融入原有的认知结构中，能够在众多思想间进行联系，并能够将已有的知识迁移到新的情境中，作出决策和解决问题的学习［６］。其特征是联想与结构、活动与体验、本质与变式、迁移与应用、价值与评价五个方面［７］，从深度学习的视角剖析原始物理问题教学，发现原始物理问题教学具备深度学习的基本特征，是实现深度学习的重要方式［８］，为深度学习的发生提供了教学载体。

爱因斯坦认为，“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决问题也许仅是一个数学上或实验上的技能而已。而提出新的问题、新的可能性，从新的角度去看旧的问题，都需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。”其对原始物理问题外部表征的启发意义在于学生需要整个调动已有经验，发挥联想，把客观现象进行有序化、文字化和图像化，进而提出有教育价值的原始物理问题。值得注意的是当下提出的原始物理问题还是粗糙的，具有现象描述—问题指向的无序性。本阶段主要体现的是深度学习的联想与结构化特征，“联想”表达的是思维的多维性、多向性，“结构”表达的是思维对原始物理问题的系统性理解。把原始物理问题抽象为精细物理问题或者转化为物理习题，并准确地用物理术语设置已知量和未知量，需要通过物理现象看本质，把握物理问题的实质，弄清楚已知量、未知量和中间量之间的基本联系。在综合考虑形式逻辑、知识逻辑、语义理解、设问变式等命题因素的基础上，理解物理习题、物理问题、原始物理问题之间的关系。原始物理问题的内部表征要求学生准确把握问题本质，理解知识间的基本联系，在思维活动中体验物理科学研究方法，建立物理模型、综合运用数学、物理知识解构物理习题和重构思维状态，在课堂活动中体验科学知识的运用过程，形成会迁移、能迁移、善迁移的物理能力，通过思维监控解释、评价自我学习过程，认识原始物理问题对认知结构建构的价值，达到思维活化的深度学习状态，最终推进物理问题解决，如图１所示。

２    运用原始物理问题促进深度学习的教学策略

２．１    用“情境—图文”转换策略促进思维联想，发展认知结构

“联想与结构”处理的是人类认识成果（知识）与学生个体经验的相互转化问题，它们不是对立的，人类知识融入个体认知结构是以经验为前提的。原始物理问题的“未加工性”意味着它非常“粗糙”，甚至是杂乱无章的，学生需要借助语言文字、画图、图像等形象化的手段描述它们，如果要准确地刻画客观物理现象，需要以先在经验为基础大胆想象、联想，运用类比的方法“套取”认知结构中的已有知识，借此接触和理解客观现象，这是知识由外而内流涌的第一必然性。

教学案例：现行人教版“抛体运动的规律”教学片断。

活动１：提出原始物理问题。

教师活动：（视频引课）教师播放排球比赛中球过网与不过网、出界与不出界的场景。并提出问题：排球比赛中，你是否为排球下网或者出界而感到惋惜？要使排球既能过网还不出界，需要考虑哪些因素？如何估算球落地时的速度大小？

设计意图：原始物理问题教学下的深度学习可以从基于情境的联想开始。本情境展现了排球比赛中的普遍现象，运动员在击球时需要考虑排球既要过网，又不能出界，击球的力度、角度、高度、水平距离、空气阻力都会成为必要的考虑因素，要描述整个击球过程，最好的办法就是画出简单的情境草图。为此，教师可以引导学生采用先语言描述、后草图描述的方式，让学生表达自己对上述情境的理解。

活动２：情境—图文转换。

在学生对原始物理问题情境有了充分理解后，将情境中的关键要素用图片和文字标注的形式表现出来，是思维得以运转的必要步骤。击球的方向很多，教师可以选择水平抛出的方式进行班级展示，以便为学习斜上抛运动埋下伏笔，如图２所示。该过程中，学生可以将排球联想成一个质点，把运动轨迹想象为虚线，当学生能够将整个情境以草图的形式输出时，就可认为原始物理问题的外在特征已初步结构化。

２．２    运用“抽象—数化”相彰策略理解问题本质，编制教学习题

抽象是把原始物理问题由“原生态”提取为“教学态”，关注的是原始物理问题的教学属性，要求教师对原始物理问题情境的本质有全面、系统的通透理解，其提取过程的思维特征是细腻与概括。数化是将由原始物理问题转化而来的物理习题进行符号化、有意义化，赋予符号以数值表达物理过程的质与量，巧妙设置已知量和未知量，原始物理问题习题化这一步最为关键。教师可引导学生从自己的能力出发，把原始物理问题抽象为物理习题。

活动３：原始物理问题习题化。

教师活动：（总结过网、出界的影响因素，并让问题聚焦）既然击球的力度会影响出球速度大小，击球方向、高度、空气阻力、风向也会影响排球的落地位置，为了让问题进一步简化，请大家一起研究水平击打排球时的过网和不出界问题，最好相互启发。

习题：在排球比赛发球时，运动员往往会先将排球抛至某一高度，在排球速度为０时迅速将其水平击打出去。某次，运动员在排球距地面高为ｈ的Ｏ点迅速将其水平击出，已知网高为ｈ０，场地长度为２ｌ，不计空气阻力，重力加速度大小取１０ ｍ/ｓ２。求：（１）排球既能过网还不出界的初速度大小需要考虑哪些因素？（２）如何估算球落地时的速度大小？

设计意图：深度学习注重对学习思维的培养，抽象思维是概括能力的集中体现，面对未被加工的原始物理问题，当学生对实际问题有了充分认知之后，教师可引导学生相互讨论，互帮互学，利用已经熟知的物理术语、符号去注解先前画好的情境图，这是情境驱动向概念与符号驱动转化所必须的，原始物理问题的习题化过程看似简单，实则不易，其根源在于思维由“散”而“聚”的升位，着意认知聚焦，把握本质恰恰是深度学习所要求的。

２．３    运用“探究—建模”顺进策略体验实验过程，挖掘规律本质

深度学习是基于知识与方法整合的学习，是基于学科能力与思维培养关联的学习，是思维深度参与和调动积极情感的学习。为突出原始物理问题解决，教师需要把建立物理模型摆在首要位置；为突出学科方法，教师需要把探究平抛运动的经典实验再次模拟还原重现；为调动学生情感，教师需要把学生组织起来一起体验创新平抛实验；为突出知识与方法整合，教师需要引导学生运用物理模型分析物理规律本质。

活动４：利用模拟实验定性探究排球过网与不过网、出界与不出界的影响因素。

真实的排球比赛中，出球高度、速度会因为运动员水平、心理、现场环境等的不同而不易控制，课堂教学中可以利用乒乓球发球机模拟排球运动员的发球过程（采取不旋转模式）。乒乓球发球机不仅可以人为控制发球高度、发射位置与网之间的水平距离、出球速度，还能避免比赛环境、运动员心理等带来的不确定因素。具体如下：

模拟1：发球速度大小、发球位置高度、网高不变时，探究发球位置与球落地点的水平距离与发球质量之间的定性关系。

模拟2：发球速度大小、发球位置、网高不变时，探究发球位置的高度与发球质量之间的定性关系；

模拟3：发球位置的高度、发球位置、网高不变时，探究发球速度与发球质量之间的定性关系；

模拟4：发球速度大小、发球位置、发球位置高度不变时，探究网高对发球质量的定性关系；

拓展模拟：探究发球仰角与发球质量的定性关系。

设计意图：深度学习是有意义的学习过程，在原始物理问题习题化之后，为实现问题解决，教师就需要想方设法在物理习题和习题解答之间创设思维活动。上述5个模拟情境与原始物理问题相似度很高，直抵问题解决本质。乒乓球发球机模拟实验极大地调动了学生的学习兴趣，为学生持续思考给予源源不断的动力，为培养分析与迁移能力搭设了良好的思维载体。

活动５：物理建模，挖掘规律本质，促进问题解决。

物理建模是原始物理问题教学的核心环节，反映了人们对客观物理现象的抽象把握。分析和概括能力是建构物理模型的必备能力，其基本过程是建模、析模、用模和评模。素养目标导向下，物理模型承载了发展学生高阶思维和迁移应用能力的基本功能，学生能够利用物理模型解决实际问题是学生能够进入深度学习状态的具体体现。

当学生经历模拟物理实验后，其思维运动是知识回顾，匀速直线运动和自由落体运动的基础知识必然泛于心头，这两种不同的物理模型在运动合成的学科方法加持下与抛体运动相遇，学科知识得以整合，学科结构得到强化。另外，模拟探究实验以控制变量法为基础，对应的定性探究结果也在实验演示结束后一目了然，其能力要求又处于最近发展区，又进一步刺激了学生的求知欲。至此，思维进入纵深空间，物理建模水到渠成，学生解答先前合作命制的物理习题也便自然而然。当学生顺利得到ｘ＝ｖ０ｔ，ａｘ＝０，ｖｘ＝ｖ０以及ｙ＝ｇｔ２，ａｙ＝ｇ，ｖy＝ｇｔ这一组方程后，便可说明平抛运动建模是成功的。据此可知他们已经掌握了平抛运动的基本规律。此时，教师就应引导学生将平抛运动的基本规律与具体问题情境相结合，把推理和演算融入其中，让知识和方法在解决实际问题中得到升华，把问题解决过程变成迁移能力和知识运用能力双向提升的过程。

其实，对物理规律的挖掘绕不开对细节的澄清，澄清细节是对探究活动深层次的自我知会。本习题中，学生应当准确理解网高ｈ０和发球高度ｈ的不同，在不过网和过界两种情况下，正确把握分运动间的等时性与独立性，尽可能分类研究过网临界速度ｖ１和过界临界速度ｖ２，最终得到ｖ１＝ｘ，ｖ２＝（ｘ＋ｌ）。当学生能够独立得到ｖ０介于这两个临界值中间时，深度学习已经悄然发生。

２．４    运用“提问—评价”反视策略监控思维过程，突出学习主体

建构主义认为，认知图式是在同化、顺应中不断完善的，结构化的认知结构会让学习者表现出与众不同的高阶思维能力，比如分析—综合能力、概括—推理能力、应用迁移能力和问题解决能力等。指向深度学习的原始物理问题教学包含上述意蕴，当某一原始物理问题教学告一段落后，教师有意识地培养学生的反思与评价能力有助于知识的模块化建构，对完善和强化认知图式具有积极意义。“提问—评价”策略可以帮助学生在学习终了之时认识自己的学习过程，有助于学生认识学习中的自己，促进学生自我“觉醒”。比如，教师在课堂留白时展示“我是怎么学习的”“为什么老师和别人的思路与我不同，不同处在什么地方”“这个问题还可以怎么思考”等诸如此类的问题，让学生与自己对话，与整个学习过程对话。原始物理问题教学突出解释和评价，因为这是检验学习效果的重要一环。同样，深度学习理论也注重评价在学习过程中的重要作用，因为在评价中学习者才能真正认识到真实的自己，这就是“反视”的意义。