指向深度学习的高中物理情境教学设计探讨

摘   要：课堂教学离不开情境，创设有价值的情境是新课程改革的重要追求。深度学习与情境教学在一定程度上存在契合点，有价值的教学情境不仅能激发学生的深度学习动机，还能让学生在知识探究的过程中实现深度学习。以人教版高中物理选择性必修二中的“左手定则”为例，探讨指向深度学习的高中物理情境教学设计路径，为全面提高教学质量提供参考。

关键词：深度学习；情境教学；左手定则

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）11-0030-6

１    问题提出

当今时代对人才素养的要求已经发生转变，由关注外在知识层面逐渐转向关注内在的、纵深的学习过程层面，超越浅表化、形式化的浅层学习，达到“深度学习”［１］。２００５年，黎加厚教授在国内率先进行了深度学习的研究，认为“深度学习是指学生在理解的基础上，能够批判性地学习新的思想和事实，并将它们融入到原有的认知结构中，能够在众多思想之间建立联系，从而将已有的知识迁移到新的情境中，作出决策和解决问题。”［２］北师大的郭华教授提出，要在真实情境中让深度学习真正发生，将整合性、挑战性的学习单元作为深度学习的教学内容［３］。

以上研究表明，深度学习与情境教学在一定程度上存在契合点。深度学习要依托情境来实现，学生在真实情境中解决有挑战性的任务并展开深度学习，全面把握知识间的关联，才能更有力地建构知识结构体系，最终实现对知识的迁移与应用。

在高中物理教学中，“左手定则”较为抽象，因为安培力方向与电流方向、磁场方向紧密联系且呈现出立体空间关系，学生难以理解。教师可以通过创设多样化的教学情境［４］，让学生主动参与、深度体验“左手定则”的探究过程，从而突破这一教学难点。人教版高中物理教材（２０１９版）通过演示实验观察影响安培力方向的因素，然后直接给出“左手定则”。这样的安排缺少对“左手定则”建构过程的思维演绎，不利于学生科学思维的形成。学生在抽象思维、空间想象等方面的能力还较为薄弱，对安培力方向的影响因素及空间关系缺少感性认识，对“左手定则”的建立过程存在着思维障碍［５］。

２    教学设计路径

基于深度学习理论，以“左手定则”为例，提出了高中物理情境教学设计，通过创设包含悬疑魔术情境、多元探究情境、在新异情境中迁移应用、及时反馈与持续评价、课程思政情境五个环节的情境教学路径来开展教学（图１）。深度学习需要深度的专注思维和发散思维，教师应在教学中给予学生“自由发挥”的空间，以情境为明线，以深度学习要素为暗线，在情境教学过程中让学生对知识有全面而深刻的理解，将学习心智发挥到极致，促进高阶思维的发展［６］。

３    教学设计案例分析

３．１    环节一：创设悬疑魔术情境，激发深度学习动机

教师活动：手机播放音乐，通过提问“手机通常是通过扬声器播放音乐，那手机里面的音乐能否通过‘卡纸’播放出来呢”，来吸引学生的注意力。

学生活动：思考扬声器播放音乐的原理，对音乐通过“卡纸”播放产生质疑。

教师活动：如图2所示，将功率放大器信号输入端与手机接口端相接，信号输出端与“卡纸”（在卡纸一侧紧贴纸面缠绕多圈漆包线）相接，此时手机扬声器发出的声音消失。教师对“卡纸”施加魔法，将手中的“魔法石”靠近“卡纸”，手机中的音乐通过“卡纸”播放出来。

学生活动：仔细观察老师的魔术表演，结合所学知识，尝试思考“卡纸”发声所隐藏的物理原理。

教师活动（揭秘魔术）：“卡纸”的背面缠绕了多圈漆包线，其发声原理是通电漆包线圈在磁场中的振动，引出“通电导线在磁场中会受到力的作用”这一主题。

［设计意图］ 通过“魔术”引起学生的认知冲突，激发深度学习动机，引入新课主题。

３．２    环节二：创设多元探究情境，促进学生深度参与学习活动

探究是深度学习的核心要素，教师要有目的地创设多元探究活动情境，设置探究环节，引导学生主动地开展多种探究活动，在探究情境中发现问题、进行猜想、分析推理、建构模型，进而获得结构化的物理核心知识。

３．２．１    创设学生游戏情境，在深度体验中猜想

教师活动：引导学生在游戏情境中寻找影响安培力方向的因素。介绍“旋转爱心”实验装置（如图3所示，装置由弯曲的铜丝、纽扣磁铁以及干电池组成），并告知学生元件组装的基本思路，将装置竖直放置于水平桌面上。

学生活动：将器材进行组装、检查，使其转动起来。小组间互相讨论、观察各自“爱心”的转动情况。通过对比观察，发现各小组“爱心”的转动方向不同。

教师活动：让学生相互讨论，仔细观察实验装置，找出影响“爱心”转动方向的因素。

学生活动：小组间横向对比器材组成的异同。通过改变干电池的正负极，发现“爱心”的转动方向不同，从而猜想电流的方向可能影响转动的方向（图４）。

学生活动：通过改变磁铁的南北极，发现“爱心”的转动方向也不同，从而猜想磁场的方向可能影响转动的方向（图５）。

学生活动：根据现象合理猜想，“爱心”转动的方向可能与电流方向、磁场方向有关。

［设计意图］ 让学生在“爱心”转动游戏中亲身体验，对比分析，发现影响安培力方向的相关因素。

３．２．２    在实验探究情境中，完成深度学习任务

实验探究是学生获得认识的重要来源。在实验探究情境中，教师要指导学生完成深度学习任务，传授学生知识与方法，培养学生动手操作、分析处理信息等能力。

教师活动：介绍自制实验仪器的构造及原理（图６）。将电路按照图６（a）所示方式进行连接，通过电路中的单刀双掷开关来改变电流方向；将一个漆包线框接入电路并竖直悬吊，其下部置于竖直方向的磁场中且与磁场方向垂直，如图６（ｂ）所示。

教师活动：结合教具，提出问题“通电线圈是否受到安培力的作用以及安培力的方向如何”“安培力的方向受到电流方向、磁场方向两个因素影响，应采用何种方法对该猜想进行实验探究呢”。

学生活动：思考、回答问题。通电线圈左、右偏转说明受到了安培力的作用。在实验中应采用控制变量法分别探究电流方向和磁场方向对于安培力方向的影响。

学生活动：在教师引导下小组合作进行探究实验。

步骤１：保持电流方向不变，改变磁场方向，观察并记录安培力方向。

步骤２：保持磁场方向不变，改变电流方向，观察并记录安培力方向。

在实验完成后，将各物理量的方向统一填写进实验表格（表１）。（注意：磁场方向为竖直向上或竖直向下；电流方向为垂直于板面向外或向内；安培力方向为水平向左或水平向右）

［设计意图］ 通过教师主导，学生主动完成深度学习任务，有利于培养学生的实验探究能力及相互协作、实事求是的科学精神。

３．２．３    创设分析推理情境，优化深度学习思维

教师活动：引导学生观察表格中的实验数据，分析安培力方向、电流方向、磁场方向之间的空间关系。

学生活动：观察数据，小组讨论，尝试找到安培力方向、电流方向、磁场方向间的空间关系。但表格中的数据较抽象，学生很难找到三者间的空间关系。

教师活动：引导并提示学生化抽象为形象，画出仪器空间示意图（图7）。

学生活动：根据表格中的数据画出示意图，直观地发现，安培力方向既垂直于电流方向，又垂直于磁场方向。

教师活动：进一步引导学生分析，电流方向和磁场方向相交共面，由此推理出安培力方向总是与电流方向和磁场方向所在平面垂直。

［设计意图］ 化抽象为形象，将抽象的实验数据转化为形象的示意图，优化学生的深度学习思维，锻炼学生的逻辑思维能力。

３．２．４    创设物理模型情境，开展深度学习互动

在高中物理教学中，模型建构是训练学生科学思维能力的重要方式。教师要鼓励学生开展深度学习互动，寻找和利用生活中易制、易得的物品来构建物理模型，实现安培力、电流、磁场三者空间关系的可视化，突破左手定则建立过程中的思维障碍。

教师活动：提供三通阀和三色箭头，约定好每种颜色箭头和安培力、电流、磁场三者方向的对应关系（图8）。

学生活动：按照示意图，将彩棒插入三通阀中，首先模拟第一组实验结果，构建第一个模型，如图９（ａ）所示。

教师活动：引导学生保持模型的磁场方向（图中竖直的紫色彩棒）不变，旋转模型使电流方向（图中水平的绿色彩棒）反向，如图９（ｂ）所示。同时提醒学生观察第二个示意图与模型的关系。

学生活动：旋转模型后发现，由第一个示意图建构起来的模型也可以表示第二个示意图。继续旋转模型，发现该模型也可以表示第三个示意图，如图9（c）所示。

教师活动：提醒学生观察模型，思考模型的特点。

学生活动：讨论、交流后发现，同一个模型，旋转后可以表示不同的实验结果。

教师活动（提问）：同一个模型通过旋转，可以表示三种不同情况下安培力、电流和磁场的方向关系（图１０），这说明了什么？

学生活动：思考、讨论得出安培力方向、电流方向和磁场方向之间的空间关系是固定的。

［设计意图］ 通过师生互动、生生互动，在深度学习互动中构建物理模型，引导学生思考现象之下的深层次物理规律，帮助学生抓住知识关键点，挖掘现象背后的规律，形成系统化的科学思维。

３．２．５    总结与深化，得出左手定则

在分析推理和模型建构的基础上，进一步引导学生归纳总结实验现象，得出左手定则。

教师活动（提问）：当确定了电流方向与磁场方向后，可以通过模型判断出安培力的方向。但如果每次都借助模型来判断方向将会很不方便，有没有更简洁的方法来判断安培力的方向呢？

学生活动：小组讨论、思考，寻找判断安培力方向的方法。（可能尝试伸出手指或者通过墙角等来判断）

教师活动：介绍英国电机工程师弗莱明总结出的安培力方向判断方法，即用左手来判断安培力的方向，“左手定则”由此诞生，并结合示意图讲解“左手定则”的具体内容（图１１）。

学生活动：思考“左手定则”内容，伸出左手判断实验表格中的数据是否符合左手定则，以此来论证“左手定则”。

［设计意图］ 学生通过自主探索得到左手定则，得到发现知识的成就感，并体会到探究的价值，拉近与物理知识的距离，激发后续主动参与探究、构建认知的内驱力［７］。

３．３    环节三：在新异情境中迁移应用知识，有力落实深度学习

能否迁移应用知识是落实深度学习的重要标志。只有将知识迁移到陌生情境中并加以应用，学生才能清楚是否真正掌握知识；只有应用物理知识来解释实际现象或解决真实问题，才能暴露、诊断出对物理知识认识的不足或缺陷，以便后期的纠正和完善［８］。

教师活动：变式训练。应用左手定则判断图１２中的电流方向、磁场方向或安培力方向。

学生活动：判断未标出的物理量方向，讨论交流各物理量之间的关系。

［设计意图］ 通过变式训练让学生加深对左手定则的理解，明白在左手定则中电流方向并不一定垂直于磁场方向。