基于深度学习的高中物理习题教学探索

摘   要：深度学习理念与物理学科核心素养存在必然的联系，习题教学是学生核心素养形成的关键环节，基于深度学习的习题教学是落实学科核心素养的重要途径。从高中物理习题教学的现状出发，以真实案例为基础，以深度学习理念为引领，旨在探索高效、实用、清晰可行的习题教学路径。

关键词：深度学习；习题教学；迁移拓展

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）12-0011-4

高中物理习题教学是学生巩固知识、形成技能、形成学科核心素养的重要教学形式，但在实际操作中会出现教师费力不讨好，学生感觉枯燥无味，教学效果大打折扣。据笔者观察，高中物理习题教学中存在着以下共性问题。

（1）课堂以教师为主体，学生自主性低

为了完成诸多教学内容，提高时间的利用率，课堂上教师往往沉浸在自导自演的“独角戏”之中，学生被动学习，整堂课下来，学生自主参与度低。

（2）惯于模仿，新情境中问题依旧

习题课后往往有很多学生对新情境中出现的类似问题仍然不懂，这就说明习题课中学生没有真正领会问题解决的技能和方法，更重要的是没有培养起学生自主发现问题、自主思考、自主解决问题的思维习惯，导致学生出现“教一会一”，面对新情况就会束手无策。

（3）变式拓展效用不显著

变式拓展训练是对例题中没有涉及到的要点的补充，对核心知识的再巩固。教学中，教师们往往“照本宣科”，一味地依赖参考资料，没有精挑细选或二次加工，致使变式拓展深一脚浅一脚，层次感、渐进性和拓展功能没有完全体现，自然无法让学生产生深度学习。

针对以上问题，笔者以深度学习理念为基础，通过对高中物理典型案例的剖析，试图在习题教学中引导学生深度学习，提升学生的高阶思维能力。

1    深度学习理念

深度学习倡导在理解学习的基础上，学习者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，在众多思想间建立联系，并将已有的知识迁移到新情境中，作出决策和解决问题［１］。郭元祥教授认为，深度教学不是无限增加知识难度和知识量，而是克服对知识的表层学习以及对知识的简单占有，基于知识的内在结构，通过对知识的完整处理，引导学生从符号学习走向学科思想和意义系统的理解和掌握，并导向学科素养的教学［2］。彭红超认为，“深度学习是一种基于理解、追求迁移应用的有意义的学习，它通过促使学生深度参与学习，采用高级学习方略来促进高阶知能的发展，实现这些知能在全新情境中的应用或新高阶知能的生成”［3］，相关研究表明深度学习能发展学生的高阶思维，培养学生的深层次认知能力，提升其问题解决和创新能力。

通过对深度学习理论的梳理，可以归纳深度学习具有以下特征：（1）深度学习是建立在知识理解基础上的有意义的学习，而非机械化记忆性的学习；（2）深度学习是在一定的方法策略导引下重视知识的迁移融通并适应新情境；（3）深度学习促使学生认知、创新、解决问题等高阶能力的形成；（4）深度学习理念与近年提出的科学核心素养有异曲同工之妙。

本文的深度学习是指在教师的引领下，学生深度参与并调动其主观能动性，以问题链等形式评判性地建构综合能力，实现在各种变式下对问题的通透理解，对知识的融会贯通，对方法和技能的合理掌握，并能将所学应用到新的情境中解决问题，最终使学生获得高阶思维能力。

2    深度学习的习题教学

2.1    案例呈现

如图1所示，匀强电场与水平面夹角为60°，斜向左上方，绝缘直杆上套着一个重为G的带负电荷的滑环，滑环受到的电场力大小等于重力的一半，当直杆与水平面夹角为30°时滑环受到的摩擦力和直杆与水平面夹角为60°时滑环受到的摩擦力大小相等。求：

（1）摩擦力的大小；

（2）滑环与直杆间的动摩擦因数。

图1  案例示意图

该题重在检测学生对电场中带电体动力学问题的理解，核心知识点考查受力分析和摩擦力的深入理解，模型虽常规，但是条件的给定和问题的设置角度独特、新颖，学生刚接触题目时觉得似曾相识，但是随着思考的进一步深入，发现每一步的进展都需要充分挖掘条件。学生错误率较高，甚至将解析分发给学生，也有一部分学生仍是云里雾里。

2.2    概要解析

（1）当直杆与水平面夹角为30°时，在垂直于斜面方向上有

FN1=Gcos30°+qE=（+）G（1）

当直杆与水平面夹角为60°时，在垂直于斜面方向上有

FN2=Gcos60°+qEcos30°=（+）G（2）

比较（1）（2）式知FN1>FN2，学生往往就会很容易得出，在动摩擦因数相等的情况下，直杆倾角为30°时滑环所受的是静摩擦力，直杆倾角为60°时滑环所受的是滑动摩擦力，于是就会有以下过程。

直杆倾角为30°时滑环受力平衡

Ff=Gsin30°=G（3）

（2）直杆倾角为60°时滑环受摩擦力为

Ff=μFN2=μ（G+G）（4）

由（3）（4）式可得μ==4-2

2.3    问题与冲突

学生在解决问题过程中可能遇到如下困难：

问题1：审题过程中只提到“匀强电场与水平面夹角为60°”，据此画出直杆与水平面夹角成30°和60°时（两种情况）滑环的各自受力分析图。

问题2：学生误认为两种情况下的摩擦力要么都为静摩擦力，要么都为滑动摩擦力。

问题3：无法理性地思考、讨论两种情况下摩擦力的动静情况。

在解答过程中遇到各种问题和认知的冲突是很正常的，只要学生在碰到问题时主动思考、深度参与，真正弄清楚自己的问题所在，是知识融会贯通的问题，是方法技巧上的问题，还是思维能力方面的问题，接下来有的放矢，对薄弱之处加以补充完善，甚至在自己的努力下就可以将问题迎刃而解。对学生而言，在解题过程中发现问题并把脉自己的问题，其实有很大的难度，如果教师能长此以往地引领强化这种思维习惯，相信学生的自主思维能力将有大幅度提升。

2.4    思维与方法

本题中所涉及的物理模型、规律及思维方法如下。

斜面是力学部分的经典模型，物体在斜面上的受力通常有重力、弹力、摩擦力及其他力。在这里学生最容易犯错的地方有两处，一是画受力分析示意图，二是判断摩擦力的动静及方向；所用到的规律有Ff=μFN、正交分解和静态平衡，学生的弱项在于正交分解中角度的确定；本题的思维方法为层层推进，对可能的情况逐一排查，很考验学生的综合分析能力。

仔细分析题目，首先需要突破的是据题画出直杆与水平面夹角成30°和60°两种情况下滑环的受力分析图（图2、图3）。

图2  受力分析图             图3  受力分析图

由于题目条件有限，通过受力分析只能列出两种情况下滑环所受支持力方程。

当直杆与水平面夹角为30°时

FN1=Gcos30°+G=（+）G

当直杆与水平面夹角为60°时

FN2=Gcos60°+Gcos30°=（+）G

接下来，根据题目条件“当直杆与水平面夹角为30°时滑环受到的摩擦力和直杆与水平面夹角为60°时滑环受到的摩擦力大小相等”，学生自然而然想到两种情况下的摩擦力是滑动摩擦力还是静摩擦力，在同一斜面模型中滑动摩擦力和静摩擦力不能相等，由此产生了思维的误区——要么同静、要么同动。其实，教师需要简单提一句“30°和60°是同一个模型吗”，相信能一语点醒梦中人。此时，再追问两个问题：（1）两种情况为什么不同是静摩擦力或滑动摩擦力？（2）两种情况究竟哪种是静摩擦力？哪种是滑动摩擦力？让学生进一步对问题进行深入思考和探索。

探索1：如果两种情况下都是滑动摩擦力。

由公式Ff = μFN，易知μFN1≠μFN2，假设不成立，两种情况下不都是滑动摩擦力。

探索2：如果两种情况下都是静摩擦力。

图2所示静摩擦力：Ff1 =G

图3所示静摩擦力：

Ff2 =G+Gsin30°=（+）G

显然Ff1≠Ff2，假设不成立，两种情况下不都是静摩擦力。

探索3：如果图2所示是滑动摩擦力，图3所示是静摩擦力。

μFN1=G+Gsin30°

代入得

μ（Gcos30°+G）=G+Gsin30°

可计算出μ=，可见图2所示是滑动摩擦力、图3所示是静摩擦力的假设成立。

经过细致的探索并结合前面的“概要解析”，能清晰地明确，图2所示是静摩擦力、图3所示是滑动摩擦力，或者图2所示是滑动摩擦力、图3所示是静摩擦力，这样就存在两种可能，即摩擦力的大小为Ff=G时， μ=4-2；Ff =（+）G时， μ=。

通过以上层层递进和深入的过程，能让学生的思维始终处于深度参与之中，习题教学的目标不是就题讲题，而是通过题目训练让学生更加深刻地理解物理核心概念的内涵和外延，物理模型的适用条件和界限。更重要的是通过对习题过程的总结和提炼，建构出科学的思维方法，提升科学思维能力，鼓励勇于探究的精神。这个过程实际上就是在培养学生的自主、创造、创新等高阶思维能力。

2.5    拓展与迁移

笔者在以上案例的基础上设计了如下拓展训练。

拓展训练：未加外电场时，电荷量为-q、质量为m的滑块能在倾角为θ的绝缘斜面上以0.25g的加速度沿斜面向下运动，如图4甲所示。现加一场强为E、竖直向上的匀强电场，如图4乙所示，求：

甲                                  乙

图4  拓展训练示意图

（1）滑块的加速度？

（2）斜面倾斜角变为多少时能使滑块静止在斜面上？

（已知物体重力加速度为g，最大静摩擦力等于滑动摩擦力）

解析如下：

（1）未加电场时，滑块在斜面上做匀加速直线运动，mgsinθ-μmgcosθ=ma，μ=tanθ-。

加电场后，滑块受到的等效重力为

G'=mg+qE

沿斜面方向满足

G'sinθ-μG'cosθ=ma'

a'==+

（2）由（1）知，未加电场时滑块在斜面上的动摩擦因数μ=tanθ-

加电场后，滑块受到的等效重力为G'。滑块能静止时，设斜面的倾斜角为α，G'sinα≤μG'cosα，即tanα≤μ。

所以，当tanα≤tanθ-时，滑块能静止在斜面上。

案例所涉及的是力学中的平衡问题，考查重点在于受力分析和摩擦力种类的判断，拓展训练中的情境与典例相似，不同之处在于电场方向发生了改变，第（1）问将案例中的平衡问题变成动力学问题，考查学生在外加电场情况下对牛顿第二定律的迁移运用能力，同时对学生的数学运算能力提出了更高要求；第（2）问在第（1）问的基础上物体运动由动态变成静态，需要学生深入理解并运用临界条件，更重要的是问题设置中渗透了等效重力思想，只有具备深度学习能力的学生才能深刻领悟到应用等效重力思想实现临界条件方程的简洁化。对照典例和拓展训练，二者从不同角度直击学生学习的痛点和难点，拓展训练补充延续了典例即将涉及的检测点，涵盖了高中物理核心知识，这样的变式拓展才能真正让学生产生深度学习，引发深度思考，掌握知识方法，将学生思维能力提到更高维度。

3    结  语

总结以上的习题教学探索过程，审题时充分挖掘条件是基础，自主地发现问题破解其中的障碍点是关键，提炼总结过程中的方法与技能是要点，融会贯通迁移应用是目的。多角度引导学生自主思考、发现问题，才能激发学生产生深度学习的兴趣和动力。此外，引导学生以问题链的形式不断地深挖探讨试题的条件和问题的设置，有助于培养学生批判思维的形成，同时在此过程中学生逐渐将脑中的知识系统化，其应用知识发现问题、解决问题的能力得到了潜移默化的提升。从以上总结分析不难看出，基于深度学习的习题教学就是在培养学生的科学思维，真正落实物理学科核心素养的要求。

参考文献：

［１］何玲，黎加厚．促进学生深度学习［Ｊ］．现代教学，２００５（５）：２９－３０．

［２］郭元祥．论深度教学：源起、基础与理念［Ｊ］．教育研究与实验，２０１７（３）：１－１１．

［３］彭红超．智慧课堂环境中的深度学习设计研究［Ｄ］．上海：华东师范大学，２０１９．

［４］卢敏翔．指向深度学习的习题教学探索［Ｊ］．物理教师，２０２３，44（４）：１１－１4．

［５］徐富锋．深度学习视域下一道电磁感应高考题的探讨［Ｊ］．中学物理教学参考，２０２３，52（９）：３5－３８．

［６］丛荣华，尹晨，王冰．面向深度学习的智慧课堂学习支架的构建［Ｊ］．长春师范大学学报，２０２３（１２）：１７３－１７7．

（栏目编辑    赵保钢）

收稿日期：2024-07-04

基金项目：重庆市新领雁工程—丽泽物理卓越课堂建设基地研究成果之一；重庆市教育科学“十四五”规划2024年度教学改革研究专项课题“指向核心素养的新卓越课堂建设背景下中学物理课堂效能提升研究”（K24ZG1080291）；重庆市九龙坡区教育科学“十四五”规划2022年年度重点课题“新课标背景下初中物理课堂教学效能提升研究”（JL2022—06）。

作者简介：申立丽（1980-），女，中学高级教师，主要从事中学物理教学工作。