物理教学从知识传输到深度学习的转变——以“一般的抛体运动”为例

吴 敏 刘霁华

（1.常州市第二中学，江苏常州 213003；2.常州市教育科学研究院，江苏常州 213001）

1 问题的提出

深度学习与孤立记忆和非批判性地被动接受知识的浅层学习相对，是在理解的基础上，批判性地学习新知和思想，并将其融入已有的认知结构中，建立联系并能迁移到新情境中，作为决策和解决问题的一种学习.［1］这种学习直接指向了对学习内容的本质理解与思考，指向了有效的学习迁移和真实问题的解决，指向了学习者批判性、创造性等高阶思维的培养，指向了积极的学习动机和正确价值观的形成，这些实质上都是核心素养培养的基本要素.

但当前教学以知识为中心，灌输、平移学习内容的浅层学习仍然支配着课堂，教师重讲授、轻实践，重结论、轻过程的简单性、确定性教学方式还普遍存在.开展深度学习，采用怎样的教学方式、教学策略，使学生成为真正的“探究者”“思考者”而非“记忆者”，是当前物理教学的现实问题.本文以人教版新教材“一般的抛体运动”［2］为例，提出我们在实践中开展深度学习的转变与思考，和同行们探讨.

2 物理教学开展深度学习的转变

2.1 教学内容的定位转变——从“重难点”转变为“发展点”

一般的抛体运动是平抛运动之后的教学内容，在实际教学中由于在高考中不要求进行运算考查，所以“委屈”地变成了教师心目中的非重点内容，教学安排一般是寥寥数语交代水平、竖直分解的处理方法，推导出若干关系式，对蕴含的深层意义不做探讨.这种主体被“告知”的过程，使这部分“非重点”内容失去了开展深度学习的价值.站在深度学习的角度，“一般的抛体运动”具有着拓展运动多样性和普遍性的认识、开展在平抛基础上迁移运用和变式思考的重要价值，是学生核心素养培养的绝佳素材，是培养迁移创新能力的重要“发展点”.

2.2 提出问题的性质转变——从“知识性”转变为“本源性”

知识性问题，直接指向结论，只能带来表面化的认识.而指向科学本源和本质性的问题，则能触发对现象的深刻思考，使学习由知识传授转变为真实的研究，促进深度理解.［3］

情境体验：展示校园花圃里喷水的场景，观察水流在空中划过的痕迹，顺利地从平抛过渡到斜抛.抛接球（气球、皮球）的体验活动认识到空气阻力的影响，建立理想化的斜抛运动模型.

提出问题：在平抛运动的研究中，我们根据其受力特点和运动特点，提出平抛运动是水平方向的匀速运动和竖直方向的自由落体运动的合运动，而且这两个分运动是独立的.

问题1：运动的独立性是普遍规律吗？斜抛运动是否适用？

问题2：根据运动的独立性，结合受力、运动特点，斜抛运动可以如何处理？

这里问题的提出方式从传统的“斜抛运动可以分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向的竖直上抛运动吗？”等表象的结论性问题转变为对科学内在的一般性、普适性的追问.

2.3 实验探究的目的转变——从“获得结论”转变为“研究发现”

实验探究：如图1，实验仪器为电磁定位系统“Magic板”和“抛子”信号源（Dis集成的硬、软件系统），Magiac 板捕捉信号源在空中的位置，可以记录“抛子”在空中的轨迹.如图2，选择50 Hz，设置“抛子”零点，点击开始记录，利用弹射装置把“抛子”斜抛出去，即可得到合运动和两个分运动的空中点迹.如图3，利用系统提供的数据处理功能，可得x、y方向的速度图像的拟合线，得到两个方向上的加速度.

图1

图2

图3

结果评价：加速度的数值理论上水平方向应该为零，竖直方向为9.8m／s2，但实验结果却会随机性地出现较大偏差.如果简单归结为实验误差或空气阻力，便得出结论，这种教学方式显然是不深刻的，很可能掩盖了事实真相.

提出问题：为什么有时的数据比较好，有时偏差较大呢？实验误差是空气阻力造成的吗？

实验探究：和学生一起用手机慢镜头追踪“抛子”运动的“真相”.发现原来是“抛子”在抛出后，有时会在空中出现翻转现象，有时不翻转，导致了实验的不可重复.

借助Magic魔板便捷地追踪、显示了斜抛运动的轨迹，自带的数据分析功能用于说明水平、竖直两个方向上的分运动规律.但是，我们后续的研究过程，打破了学生把实验问题简单机械地归结为空气阻力的浅层思维，使学生们认识到现代技术支持下的实验也存在着各种不确定的偶然因素.搞清其原因，不仅能探寻准确的结论，更能培养学生的科学态度，展示了从“获得结论”到“研究发现”的深度学习过程.

2.4 数据处理的过程转变——从“被动接受”转变为“自主设计”

选择“抛子”不翻转的实验数据展开分析.尽管系统已经给出了两条图像，但其过程是不可见的，存在着“被动接受”的缺憾.教师导出竖直方向运动的（水平方向原理相同，略）实验数据让学生“自主设计”数据的分析.

自主设计：尝试1：利用竖直方向数据直接在Excel软件中绘制图像，拟合为二次函数（如图4），得到重力加速度.

图4

图5

图6

结果评价：（1）在上述图像法处理数据中，展示了“化曲为直”的多种方法，对学生的数据处理能力是很好的培养.（2）信息化处理同一组数据，两种拟合出的直线图像，得到的结果存在小量误差，说明电脑的拟合线也存在选择性的差异.

不能让“一键式”的信息化手段使学生成为实验的旁观者，而是要设计活动，让主体亲身参与实践，开展对数据的自主分析，培养学生处理实验数据的能力，才能实现深度学习.

2.5 拓展学习的方式转变——从“简单告诉”转变为“迁移创新”

在原有情境和问题解决的基础上开展拓展学习，是开展深度学习的重要手段.但在教学中常常出现为拓展而拓展现象，采用“简单告诉”的方式，这就失去了深度学习的价值.我们把平抛击中自由落体运动的现象，迁移到斜抛运动，对比研究，形成思维冲突，推动深度思维的发展.

对比实验：教师用图7仪器开展实验，在平抛与自由落体运动中，激光器瞄准小球，发射子弹的同时小球自由下落，在空中发生碰撞.管口倾斜，激光器仍然瞄准小球，教师设问：这次能碰撞吗？实验演示，手机动态镜头APP回放实验过程，同步生成如图8所示的频闪照片.

图7

图8

提出问题：同学们，能解释平抛与自由落体运动小球碰撞的现象吗？如图9，平抛的子弹和同时自由落体小球始终保持在同一高度，同一时刻位置的连线是平行线.

图9

类比问题：斜抛子弹与自由落体的小球，同一时刻子弹和小球的位置也连起来，会是什么情况呢？

生成发现：如图10，同一时刻子弹和小球位置的连线居然也是平行线，相互的平行线意味着什么呢？根据平行的几何关系，自由落体下落的距离与斜抛运动相对于初速度方向上的竖直下落距离相等.以此类推，任意相等时间内，对应的两段竖直距离总是相等，即斜抛运动在竖直方向上与自由落体同步.再观察沿初速度方向上，很明显，相等时间内都是等距的线段，这表明沿初速度方向上做的是匀速直线运动.这一生成发现建立在直观生动的实验情境上，彻底摆脱了单向直白的说教.

图10

拓展延伸：平抛运动分解为初速度方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动的合运动，斜抛运动也可以分解为初速度方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动的合运动.（如图11）

图11

形成观念：运动的独立性原理具有一般性，不一定非要在水平和竖直两个方向进行分解.教师举例竖直上抛、竖直下抛公式，都是这一原理的具体表现.通过拓展延伸形成了物体运动的多样统一、物理原理的简单自洽，体现出力的独立作用原理和运动独立性原理是普遍规律.

3 物理教学开展深度学习的思考

上述教学过程说明深度学习的实现不是新奇实验的表演，也不是知识难度的提升，更不是教师单向的拓展.在教学过程中需要我们关注以下几个问题.

3.1 善于运用技术，发挥技术的教育功能

现代技术在物理教学中的应用为问题的研究创设了平台，为深度学习的开展提供了支持.教学中要避免学生成为现代技术的单向“接收器”和“观赏者”，要根据不同的任务需要，借助技术手段对学习内容进行深度加工，将技术的功能转变为开展深度学习的有效手段，使学生成为技术的选择者、使用者、评价者.例如，借助信息技术开展实验过程的追踪与分析，进行自主的数据分析与评价，在上述图9、图10中，利用技术实现了子弹击球从动态画面到静态画面的自动转变.学生通过对真实实验情境的对比分析，发现了斜抛运动新的处理方法，打破了之前水平、竖直分解的思维定式，推动主体思维的深化.

3.2 合理提出问题，关注物理现象的本质

深度学习，不是知识难度的加深，而是研究的问题具有发展思维、建构意义的价值.这要求我们在教学中能够依托物理现象，提出本源性、本质性、实践性问题，以此展开有效的问题解决实践，在实践中落实自主决策、自我调整、共同发现等发展高阶思维的深度学习过程.

3.3 基于原有经验，落实主体真实的参与

深度学习，不是知识容量的增加，而是主体思维的真实参与.只有在学生已有经验的基础上，开展迁移性、对比性研究，才能形成思维冲突，实现深度学习所期望的知识结构重组与理解的深化，反之可能变成被动接受更多的知识.所以学生的主动参与，特别是在原有思维和经验基础上的发现和发展，才是有意义的深度学习.