基于深度學(xué)習(xí)的高中物理PBL教學(xué)模式研究

侯語嫣，李德安

華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣州 510006

在新課改強(qiáng)調(diào)培育學(xué)生核心素養(yǎng)的背景下，深度學(xué)習(xí)理念、PBL模式與物理教學(xué)的融合成為研究熱點(diǎn)，但缺乏對(duì)深度學(xué)習(xí)、PBL模式與物理教學(xué)的整合研究。深度學(xué)習(xí)與PBL教學(xué)模式相互兼容、相互作用，基于深度學(xué)習(xí)理念設(shè)計(jì)高中物理PBL教學(xué)模式，為物理教學(xué)提供一種參考范式，能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的問題解決、科學(xué)推理、遷移應(yīng)用、批判思考的能力。

1 基于深度學(xué)習(xí)的PBL教學(xué)模式的內(nèi)涵

1.1 深度學(xué)習(xí)的內(nèi)涵

深度學(xué)習(xí)起源于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，后廣泛應(yīng)用于教育領(lǐng)域。而對(duì)于深度學(xué)習(xí)的內(nèi)涵，國內(nèi)外學(xué)者有以下幾種觀點(diǎn)：認(rèn)知-生成說，深度理解說，理解-遷移說，體驗(yàn)學(xué)習(xí)說，三元學(xué)習(xí)說[1]。

綜合幾種觀點(diǎn)來看，深度學(xué)習(xí)是一種基于知識(shí)理解的高水平的學(xué)習(xí)。在已整合的知識(shí)為基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)者主動(dòng)、批判地學(xué)習(xí)新知識(shí)，將它們?nèi)谌朐姓J(rèn)知結(jié)構(gòu)中，并且用舊知識(shí)解決新情境下的問題[2-3]。深度學(xué)習(xí)目的在于發(fā)展高水平、高階的思維的認(rèn)知。與之對(duì)應(yīng)，淺層學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)認(rèn)知程度水平則比較低，只是簡單單向地獲取數(shù)據(jù)信息，不能深層獲取與加工數(shù)據(jù)信息，對(duì)其理解更多停留在表面意義。淺層學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)在學(xué)習(xí)發(fā)展上有遞進(jìn)關(guān)系，淺層學(xué)習(xí)是深度學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，深度學(xué)習(xí)是淺層學(xué)習(xí)的進(jìn)階和深化。與淺層學(xué)習(xí)不同，通過深度學(xué)習(xí)能獲得高階的知識(shí)、能力及智慧。但深度學(xué)習(xí)和淺層學(xué)習(xí)不是完全對(duì)立，深度學(xué)習(xí)并不等于否定淺層學(xué)習(xí)[1]。學(xué)習(xí)者需具備一定的淺層信息（如數(shù)據(jù)、事實(shí)、程序和定義）才能進(jìn)行深度的更有意義的學(xué)習(xí)，二者的關(guān)系是遞進(jìn)的，如圖1所示。

圖1 淺層學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)的過程

與淺層學(xué)習(xí)相比，深度學(xué)習(xí)更強(qiáng)調(diào)信息整合、重視知識(shí)建構(gòu)，更注重批判理解、問題解決、遷移運(yùn)用等能力的形成，著力生成智慧?？偠灾?，深度學(xué)習(xí)著重學(xué)習(xí)的本質(zhì)，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)的思維和認(rèn)知的發(fā)展，力促知識(shí)本質(zhì)的理解和對(duì)所學(xué)內(nèi)容的批判性吸收，追求有效的學(xué)習(xí)遷移和真實(shí)問題的解決，屬于基于高階思維的有意義學(xué)習(xí)。

1.2 PBL教學(xué)模式的內(nèi)涵

PBL模式起源于國外醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域。20世紀(jì)80年代，美國研究型大學(xué)在高等教育改革中把培養(yǎng)創(chuàng)新人才作為教育目標(biāo)。而后，PBL教學(xué)模式在美國大學(xué)中被廣泛應(yīng)用并取得一定成效。

PBL教學(xué)模式是基于問題的教學(xué)，即以問題為基礎(chǔ)的教學(xué)模式。PBL教學(xué)模式以問題驅(qū)動(dòng)學(xué)生，將真實(shí)、有意義、有聯(lián)系的問題情境作為學(xué)生探索知識(shí)、發(fā)展能力的載體，學(xué)生以自主探究及共同協(xié)作的方式解決問題。在問題解決過程中，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的能動(dòng)性，使其掌握問題背后的科學(xué)知識(shí)，形成問題解決和自主學(xué)習(xí)的能力[4]。

1.3 基于深度學(xué)習(xí)的PBL教學(xué)模式的內(nèi)涵

將深度學(xué)習(xí)與PBL教學(xué)進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1 深度學(xué)習(xí)與PBL教學(xué)模式的對(duì)比

對(duì)比發(fā)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)與PBL教學(xué)模式的各種教學(xué)元素，發(fā)現(xiàn)二者在許多方面有共同點(diǎn)、關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，可以相互兼容，并且有相互作用：應(yīng)用PBL教學(xué)模式可促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，反過來深度學(xué)習(xí)也能將PBL教學(xué)模式帶入課堂。在教學(xué)特點(diǎn)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和環(huán)節(jié)、學(xué)習(xí)方法及評(píng)價(jià)方式上，深度學(xué)習(xí)與PBL教學(xué)模式具有共通性。它們都通過提供真實(shí)問題情境，讓學(xué)生自主思考、分析研究問題，進(jìn)行小組合作，最后構(gòu)建知識(shí)體系、培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力和高階思維。另一方面，由于PBL教學(xué)模式對(duì)深度學(xué)習(xí)有促進(jìn)作用（從教學(xué)目的、教學(xué)意義出發(fā)，PBL教學(xué)模式契合深度學(xué)習(xí)理念），基于深度學(xué)習(xí)的理念設(shè)計(jì)PBL教學(xué)模式是很適切的方法，PBL教學(xué)模式的開發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，在真實(shí)情境中提高解決問題的能力[5-6]。

2 基于深度學(xué)習(xí)的PBL物理教學(xué)模型

在問題教學(xué)中會(huì)伴隨有深度學(xué)習(xí)。在深度學(xué)習(xí)和PBL教學(xué)模式基礎(chǔ)上，開發(fā)基于深度學(xué)習(xí)的PBL教學(xué)模式來輔助實(shí)際教學(xué)。根據(jù)問題教學(xué)的基本過程，將該教學(xué)模式分為六至七個(gè)階段，每個(gè)階段都對(duì)應(yīng)相應(yīng)的教學(xué)理念、教學(xué)環(huán)節(jié)及教學(xué)活動(dòng)。

2.1 指向深度學(xué)習(xí)的PBL物理概念教學(xué)模型

表2為基于深度學(xué)習(xí)的PBL物理概念教學(xué)模型。

表2 基于深度學(xué)習(xí)的PBL物理概念教學(xué)模型

基于問題的研究步驟設(shè)計(jì)物理概念教學(xué)，可將概念教學(xué)分為創(chuàng)設(shè)問題、表征問題、研究問題、解決問題、交流問題和反思問題六個(gè)階段，每階段對(duì)應(yīng)深度教學(xué)的相應(yīng)教學(xué)環(huán)節(jié)的理念，再根據(jù)物理概念教學(xué)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)活動(dòng)。首先，通過利用實(shí)驗(yàn)、生活實(shí)例等創(chuàng)設(shè)情境，提供有意義的正確前概念問題；其次，通過構(gòu)建表征模型，重現(xiàn)學(xué)生的相關(guān)前概念，分析拆解所提問題；再次，在同化、順應(yīng)前概念的基礎(chǔ)上設(shè)置與物理概念有關(guān)的體驗(yàn)活動(dòng)，使學(xué)生感知概念的形成過程；接著，通過提供解決問題的思維方法引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用物理概念解決問題；最后，組織小組討論，辨析相關(guān)物理概念，提供與物理概念相關(guān)的正反例，以深化對(duì)物理概念的認(rèn)識(shí)，掌握認(rèn)識(shí)相關(guān)概念的聯(lián)系和區(qū)別，理解概念的內(nèi)涵與外延[1]。

2.2 指向深度學(xué)習(xí)的PBL物理規(guī)律教學(xué)模型

表3為基于深度學(xué)習(xí)的PBL物理規(guī)律教學(xué)模型。

表3 基于深度學(xué)習(xí)的PBL物理規(guī)律教學(xué)模型

基于問題的研究步驟設(shè)計(jì)物理規(guī)律教學(xué)，同樣將規(guī)律教學(xué)分為六個(gè)階段和對(duì)應(yīng)深度教學(xué)環(huán)節(jié)的理念，然后依據(jù)物理規(guī)律教學(xué)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)活動(dòng)。首先，通過實(shí)驗(yàn)、邏輯推理等創(chuàng)設(shè)“兩難”情境，激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突；其次，引導(dǎo)學(xué)生找出問題涉及的物理概念或物理現(xiàn)象以顯化問題的要素；再次，設(shè)置與規(guī)律建立相關(guān)的探究實(shí)驗(yàn)或體驗(yàn)活動(dòng)，還原規(guī)律的建立過程；接著，通過滲透學(xué)習(xí)規(guī)律的科學(xué)方法和解決問題的思維方法內(nèi)化物理規(guī)律，理解有關(guān)物理概念間的必然聯(lián)系，應(yīng)用其解釋所提問題；最后，組織小組討論，辨析相關(guān)物理概念及規(guī)律的聯(lián)系、引導(dǎo)學(xué)生反思規(guī)律建立的過程，得出物理規(guī)律與相關(guān)概念及規(guī)律間的關(guān)聯(lián)，知悉物理規(guī)律的近似性和局限性[1]。

2.3 指向深度學(xué)習(xí)的PBL物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型

表4為基于深度學(xué)習(xí)的PBL物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型。

表4 基于深度學(xué)習(xí)的PBL物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型

物理實(shí)驗(yàn)是開展科學(xué)探究最主要的一種方式。根據(jù)實(shí)驗(yàn)探究的基本步驟結(jié)合PBL教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型。科學(xué)實(shí)驗(yàn)的7個(gè)探究步驟為提出問題、猜想假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、分析論證、得出結(jié)論、交流評(píng)估。因此，將PBL教學(xué)階段劃分為創(chuàng)設(shè)問題、表征問題、研究問題、分析問題、解釋問題、交流問題、反思問題7個(gè)階段，與實(shí)驗(yàn)流程一一對(duì)應(yīng)，再根據(jù)深度學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)適配的教學(xué)理念，補(bǔ)充教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)活動(dòng)，完成基于深度學(xué)習(xí)的PBL物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型建構(gòu)（表4），以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，發(fā)展科學(xué)探究能力。

3 基于深度學(xué)習(xí)的PBL物理教學(xué)策略

3.1 問題搭橋策略，深度導(dǎo)入問題

搭橋類比策略是一種能有效促進(jìn)學(xué)生概念轉(zhuǎn)化的教學(xué)策略。搭橋類比策略以學(xué)生的參照情境為基礎(chǔ)，通過提供一系列漸進(jìn)式的橋接問題，來擴(kuò)展學(xué)生正確的直覺判斷，以解決困難情境的目標(biāo)問題。物理教學(xué)中運(yùn)用問題搭橋策略進(jìn)行提問，有利于學(xué)生物理觀念的形成與知識(shí)的意義建構(gòu)，教師以問題搭橋引導(dǎo)學(xué)生探尋解決問題的方向，而不是一味地把答案呈現(xiàn)給學(xué)生[7]。

案例1楞次定律——研究感應(yīng)磁場(chǎng)的方向和原磁通量變化之間的定性關(guān)系，教師將磁鐵的兩極分別靠近載有線圈的小車。提問：當(dāng)N極靠近線圈時(shí)，線圈中磁通量是增加還是減少？由同性相斥可知感應(yīng)磁場(chǎng)和原磁場(chǎng)方向相同還是相反？感應(yīng)磁場(chǎng)此時(shí)會(huì)阻礙線圈中磁通量的？（增加／減少）

這個(gè)案例的實(shí)質(zhì)是應(yīng)用問題搭橋策略突破教學(xué)難點(diǎn)（圖2）。教師采用提問的方式，用問題引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，引導(dǎo)全體學(xué)生進(jìn)行思考，在接下來的講解中就變傳統(tǒng)的灌輸式的講解教學(xué)為探討性的引導(dǎo)和幫助，使課堂教學(xué)氣氛更融洽自由[8]。通過系列問題搭橋形成問題串，由易到難、由淺入深、由簡入繁，對(duì)楞次定律的形成過程進(jìn)行方法總結(jié)。這與維果茨基的最近發(fā)展區(qū)理論相契合，即教學(xué)應(yīng)走在發(fā)展前面，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生一步一步建立物理概念和物理規(guī)律，逐步形成高階思維。

圖2 應(yīng)用問題搭橋策略研究感應(yīng)磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)間的定性關(guān)系

3.2 實(shí)驗(yàn)探究策略，深入研究問題

實(shí)驗(yàn)探究策略是通過具體情境引導(dǎo)學(xué)生積極自主地開展實(shí)驗(yàn)，探索物理現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，從而解決問題疑惑的過程。從故事情境出發(fā)，利用學(xué)生的認(rèn)知內(nèi)驅(qū)力，使探究實(shí)驗(yàn)成為學(xué)生的內(nèi)在需求。根據(jù)問題開展探究實(shí)驗(yàn)，不僅創(chuàng)設(shè)了輕松有趣的學(xué)習(xí)氛圍，而且能令學(xué)生體會(huì)到學(xué)習(xí)物理的現(xiàn)實(shí)意義，使物理知識(shí)的作用鮮活生動(dòng)起來。

案例2共振——探究受迫振動(dòng)振幅與驅(qū)動(dòng)力頻率的關(guān)系。

此案例探究受迫振動(dòng)的振幅與驅(qū)動(dòng)力頻率之間的關(guān)系（共振現(xiàn)象），學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過自由振動(dòng)和受迫振動(dòng)，知道受迫振動(dòng)的頻率由驅(qū)動(dòng)力頻率決定，但不清楚受迫振動(dòng)振幅與驅(qū)動(dòng)力頻率的關(guān)系。

教師放映動(dòng)圖，將小豬放在桌面的小方塊上，小鳥懸掛到與小豬等高的高度，扇動(dòng)小鳥，小鳥擺動(dòng)但是無法將小豬撞倒。怎么用力扇，發(fā)現(xiàn)小鳥都撞不倒小豬？提問：怎樣通過扇扇子讓小鳥撞倒小豬呢？接著引導(dǎo)學(xué)生回顧受迫振動(dòng)，猜想小豬的狀態(tài)、受迫振動(dòng)的振幅（劇烈程度）與扇動(dòng)頻率有關(guān)。隨后組織學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，分別探究扇動(dòng)頻率小于、等于、大于小鳥原振動(dòng)頻率（固有頻率）時(shí)小豬是否被撞倒。

教師設(shè)置的“憤怒的小鳥”實(shí)驗(yàn)情境既能激發(fā)興趣，又引人深思，學(xué)生既不完全陌生，又不完全理解，教師利用這一情境引出探究實(shí)驗(yàn)的主題。學(xué)生在應(yīng)用原有的知識(shí)進(jìn)行分析問題時(shí)遇到困難，要徹底解決問題就需要在舊知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究新知識(shí)點(diǎn)——受迫振動(dòng)振幅與驅(qū)動(dòng)力頻率的關(guān)系。而這位教師能把握時(shí)機(jī)，應(yīng)用邏輯發(fā)展的特點(diǎn)，啟發(fā)學(xué)生思維，引導(dǎo)學(xué)生以實(shí)驗(yàn)來探究問題——小豬的狀態(tài)與扇動(dòng)頻率的關(guān)系，亦即受迫振動(dòng)振幅與驅(qū)動(dòng)力頻率的關(guān)系?？梢姡處熢O(shè)置探究任務(wù)，不但能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、實(shí)現(xiàn)課堂主題的自然呈現(xiàn)，而且可以發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究思維和問題解決能力，有一舉多得的教學(xué)效果。

3.3 認(rèn)知診斷策略，深化評(píng)估問題

認(rèn)知診斷就是將認(rèn)知理論和心理測(cè)量模型結(jié)合起來，應(yīng)用心理計(jì)量模型對(duì)被測(cè)者的認(rèn)知優(yōu)勢(shì)、劣勢(shì)進(jìn)行分析診斷。簡單來說，就是將題目涉及到的知識(shí)點(diǎn)、思維過程轉(zhuǎn)化為問題測(cè)量模型，獲得被試者對(duì)知識(shí)的掌握情況和思維的發(fā)展情況。根據(jù)認(rèn)知診斷策略有針對(duì)性地檢測(cè)學(xué)生所遇障礙，來確定學(xué)生是否遇到學(xué)習(xí)障礙，遇到什么樣的障礙，以達(dá)到深入理解物理概念和物理規(guī)律的目的。

案例3點(diǎn)電荷——反思庫侖定律的近似性和局限性（圖3）。

圖3 應(yīng)用認(rèn)知診斷策略反思庫侖定律的局限性

庫侖定律的適用范圍是：只對(duì)真空中的點(diǎn)電荷成立，電荷不是點(diǎn)電荷時(shí)，若r遠(yuǎn)大于電荷的尺度，公式仍然適用。若教學(xué)只及于此，學(xué)生的認(rèn)知是機(jī)械片面的，實(shí)際問題中也只會(huì)代公式，不能實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。為解決這一問題，提出問題：兩電荷間的距離r→0時(shí)，庫侖力多大？根據(jù)，當(dāng)兩電荷間的距離r→0時(shí)，F(xiàn)庫=∞，此時(shí)庫侖力無窮大。但r→0時(shí)，F(xiàn)庫不應(yīng)為無窮大，這與實(shí)際不相符。引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行認(rèn)知診斷分析，為什么會(huì)存在矛盾？此時(shí)庫侖定律仍然適用嗎？經(jīng)過反思診斷得到：庫侖定律的成立條件是電荷為真空中的點(diǎn)電荷，而r→0時(shí)，電荷本身的形狀大小與距離r相比較大，已經(jīng)不能忽略了，此時(shí)點(diǎn)電荷模型不再適用[8]。

以問題形式測(cè)試學(xué)生，然后結(jié)合實(shí)際情況分析，進(jìn)行認(rèn)知診斷，在矛盾中找出思維障礙及存在障礙的原因，在過程中學(xué)生對(duì)于點(diǎn)電荷有了更深刻的認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)了概念的外延。采用認(rèn)知診斷策略，學(xué)生獲得的不僅是結(jié)論，更是深刻的思維方法，體會(huì)物理規(guī)律之美，對(duì)于科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度也產(chǎn)生深刻理解，形成對(duì)深度學(xué)習(xí)和PBL教學(xué)模式的實(shí)際體會(huì)[9]。

4 結(jié)語

基于深度學(xué)習(xí)PBL物理教學(xué)模式，給物理概念、物理規(guī)律、物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供詳細(xì)的教學(xué)模型、教學(xué)策略及教學(xué)案例參考。指向深度學(xué)習(xí)PBL物理教學(xué)模式對(duì)學(xué)生深度學(xué)習(xí)、教師深入教學(xué)具有借鑒意義，這種以問題為線索、根據(jù)問題的處理解決階段來確定教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)活動(dòng)的模式，有助于學(xué)生知識(shí)的意義建構(gòu)、思維的高階提升、能力的向上發(fā)展、智慧的積累形成。教師從知識(shí)的傳授者轉(zhuǎn)為知識(shí)建構(gòu)和多維能力培養(yǎng)的引導(dǎo)者和輔助者，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)的深層變革，為學(xué)生科學(xué)推理、問題解決、遷移應(yīng)用、質(zhì)疑創(chuàng)新等高階思維的培養(yǎng)創(chuàng)設(shè)一種行之有效的方案模式。