基于U型过程促进深度学习的教学策略①

(江苏省太仓高级中学，江苏 苏州 215411)

1 深度学习和U型过程的简介

1.1 深度学习

深度学习是对学习状态的质性描述，强调对知识本质的理解和对学习内容的批判性吸收与利用，追求有效的学习迁移和真实问题的解决，属于以高阶思维为主要认知活动的高投入有意义学习。

1.2 U型过程

杜威认为：知识不能直接进行传授。知识的理解需要经历一个复杂的过程，即还原与下沉、体验与探究、反思与上浮，这一学习过程恰似“U型”。学生首先要将书本知识还原与稀释，还原的过程即知识的“下沉”过程。U型的底部是学生对知识进行体验、对话与探究的过程。第三个环节是思性思维的过程，经过元认知过程，将符号知识进行升华，实现公共知识的个人意义达成。

2 基于U型过程促进深度学习的分析

在对有关深度学习大量文献研究的基础上，笔者认为深度学习的真实发生离不开以下五个方面：情感的高投入、知识的深联结、思维的高进阶、意义的深生成、迁移的高灵活。其中情感的高投入是过程保障，知识的深联结、思维的高进阶和意义的深生成是自我构建、自我内化的过程，迁移的高灵活是将内化的结果外显和应用的过程，U型过程的三个环节能很好地满足这五个方面的要求(图1)。

图1

首先，通过创设联系学生生活实际的情境，促进还原与下沉，激发积极情感，实现情感的高投入；其次，以学生为主体进行多维体验与探究整合，在师生、生生和生本的互动中促进知识的深联结、思维的高进阶、意义的深生成；最后，学生对自己探究的过程和结果进行反思，形成观念性知识，并灵活应用于实际问题解决中，促进迁移的高灵活。

3 基于U型过程促进深度学习的策略

笔者以“生活中的圆周运动”教学为例，探讨基于U型过程促进深度学习的教学策略。(1) 激发认知冲突，促进还原与下沉，让问题“沉”下来；(2) 设置挑战任务，促进体验与探究，让思维“显”出来；(3) 解决实际问题，促进反思与上浮，让概念“活”起来。

3.1 激发认知冲突，促进还原与下沉，让问题“沉”下来

教学片段1：在课堂的引入环节，设置一个趣味小游戏——倒杯移物。将一个小球放在低一点的桌面上，用一个去掉盖子的圆柱形透明塑料杯子倒过来将小球圈在里面(图2)。如何只用这个杯子并始终保持倒立状态，将小球从矮桌子移到更高的台子上呢？

图2

为了充分调动学生的积极性，先让学生挑战这个任务。学生刚开始很难成功，虽然大家都想到让小球在杯子内壁转动起来实现转移。此时教师提醒学生成功的秘诀就是一个字：快。再让学生来尝试，当挑战成功后，能有效激发学习兴趣，进而提出需要研究的物理问题：为什么小球在杯子内壁转动的速度比较大时才不会掉下来？速度要达到多少才不会掉下来？

接下来可以播放摩托飞车的杂技视频，进一步联系生活，提升学生的探究热情。

3.2 设置挑战任务，促进体验与探究，让思维“显”出来

通过设置一些有台阶和思维空间的挑战性学习任务，让学生一步体验和探究，在多维对话和互动中将学生的思维发展情况显露出来。教师及时、有针对性地进行引导，建立新旧知识的深度关联，培养学生模型建构、分析综合、评价整合等高阶思维能力，并帮助学生深度把握知识背后的逻辑、意义和价值，这是促进深度学习的关键环节。

教学片段2：展示汽车在水平面内转弯的视频，它的轨迹近似为一段圆弧，也就是说汽车做圆周运动。

挑战性任务1：汽车在水平面内转弯所需的向心力由什么力提供？

为了有效突破这个教学难点，可以用身边的教科书、物块模拟该情境，如图3所示，在书上放一物块，小组成员全部起立，小组内一同学手托着书在水平面内转动，第一次慢慢转，第二次快点转动，小组内其他同学仔细观察物块的运动状态，并解释该对比实验说明了什么问题？小组讨论后得出结论：第一次物块随书一起在水平面内转动没有产生相对滑动，第二次物块沿着径向相对书向外滑动。这说明小物块随书一起转动时有沿径向向外相对运动的趋势，所以汽车转弯时受到的指向圆心的静摩擦力提供了向心力。

[6][7][14][17][84][85]Thakin Nu, From Peace to Stability, Ministry of Information, Government of the Union of Burma, 1951, p.22, 51, 21-22, 202, 102, 98-100.

图3

图4

从汽车转弯过渡到火车转弯，火车转弯问题是本节课的重点内容。

播放火车转弯视频，设置挑战性任务2：火车转弯时向心力源于哪里？

如图4所示，用钢材为每个小组制作了缩小版的火车车轮和铁轨模型。先让学生仔细观察火车车轮的结构特点，再让学生分析火车如果在水平面内转弯时靠什么力来提供向心力。

学生在认识了火车轮的结构特点后，分析火车在水平面内转弯时，轮缘与外轨道间有侧向向内的挤压，从而产生一个指向圆心的弹力来提供所需的向心力。火车质量很大，长期靠这个侧向挤压来提供水平面内转弯的向心力很容易磨损轮缘和轨道，造成脱轨事故。

挑战性任务3：如果你是铁路设计师，转弯处轨道该如何设计？请小组交流，提供具体设计方案。事先为每个小组提供两个小木块，在方案设计的过程中有助于为学生提供体验和启发(用两个木块将图4中轨道的一侧垫高)。学生主要提出了以下两个方案。

方案1：将转弯处的轨道半径扩大，减小所需的向心力。

方案2：将铁轨的外侧抬高，让火车的重力和铁轨支持力的合力提供向心力。

让学生对这两个方案进行评价，哪一个更好？并说明理由。

在交流讨论后中判断学生的理解程度和思维发展情况，及时给予引导、帮助。学生发现方案2更好，因为只要轨道倾斜合适，火车以某一个速度转弯时，可以实现火车和铁轨间完全没有侧向挤压。

为了帮助学生进一步理解火车转弯时轨道所在平面的难点，可以用一个小球在漏斗内侧转动来模拟这一过程。漏斗上方用保鲜膜封住，防止因小球转动速度过大而飞出来(图5)。

图5

图6

学生体验后由教师进行受力分析，并讨论：转弯处的倾斜角度与转弯时的速度大小如何共同影响火车轮缘与铁轨间的侧向挤压的弹力大小？然后，让学生说说图6所示铁路转弯处限速70km/h的物理意义，促进意义建构。

挑战性任务4：倒杯移物实验中圆柱体杯子的底面半径为R，物块与杯子侧壁间的动摩擦因数为μ，如图7所示，要使物块不掉下来，其速率应满足什么条件？

图7

图8

挑战性任务5：在生活中，汽车要通过很多桥，针对拱形桥最高点建立模型，说说其向心力的来源。

一些学生根据自己的经验得出结论：坐车过桥顶时有一种“变轻”的感觉，建立如图8所示的模型，进行受力分析，重力和支持力的合力来提供向心力，引导学生具体分析汽车过拱形桥顶时对桥的压力与速率之间的定量关系。

通过系列挑战性任务，深入研究生活中不同圆周运动的向心力来源问题，通过模拟实验将不能直接观察到的抽象问题具体化、可视化，使思维过程显性化。

3.3 解决实际问题，促进反思与上浮，让概念“活”起来

在问题解决过程中，引导学生对所学的知识及其探究过程进行反思、总结提炼，形成观念性认识，真正实现“做中学”和“用中学”，让概念“活”起来。

教学片段3：在研究拱形桥时，设置实际问题：东仓大桥是很多同学往返学校的必经之地，东仓大桥桥面半径约为50m，为了避免汽车脱离桥面造成交通事故，交警部门需要在桥上设置一限速牌，限速牌上应该写_________km/h。

在研究汽车过凹形桥时，基于前面的学习可以设置待解决的真实问题：泸定桥是横跨在大渡河上的一座铁索桥，桥面圆弧半径约为100m，如图9所示，试估算当自己站在滑板车上经过泸定桥最低点时，对桥的压力为多少？

图9

图10

学生建立模型分析得出结果后发现：跑过凹形桥时，压力大于自身重力，速度越大，压力越大。用图10所示装置模拟凹形桥，让一个质量为100g的钢球通过轨道，为了看得清楚，可以将运动过程用手机拍成视频，慢动作播放，发现通过最低点时压力可以达到2.5 N。

通过实际问题的解决，一方面有助于评估学生对所学知识的理解程度，另一方面在问题解决的过程中促进学生对前面学习的过程进行回顾、反思，使获得的概念性认识“活”起来。