基于学科实践促进深度学习

摘   要：学科实践作为一种重要的学习方式，有助于促进学科育人。相对于学科探究和学科活动，学科实践是一个更具包容性和概括性的方式，其指向做中学、用中学和创中学。根据物理学科特点，物理学科实践是“外部-内部-外部”不断交互迭代的过程。基于深度学习构建了物理学科实践教学策略，通过“激发认知冲突，突出核心任务”“基于合作实践，实现思维进阶”“探寻科学本质，迁移解决问题”，促进学科公共知识向个人意义知识转化、学科核心知识向学科核心素养转化。

关键词：深度学习；学科实践；高中物理

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）5-0026-4

为回应核心素养时代的教学要求，学科育人方式应从传统的学科认识转向学科实践，构建实践型的育人范式。学科实践是促进深度学习的重要路径，偏离学科实践的学习方式不能真正理解学科的内涵、本质和精髓。

1    学科实践的内涵

学科实践是指具有学科意蕴的典型实践，即学科专业共同体怀着共同的愿景与价值观，运用学科概念、思想与工具，整合心理过程与操控技能，解决真实情境中的问题的一套典型做法［1］。

相对于学科探究和学科活动，学科实践是一个更具包容性和概括性的概念，指向做中学、用中学和创中学，任何基于实践、通过实践的学科学习，都是学科实践的表现。尤其是物理教学，作为一门以观察和实验为基础的学科，须在学科实践中促进深度学习真实发生，培育学生的物理学科核心素养。

实验探究是学科实践的重要内容与表现形式，同时学科实践是实验探究的主要价值引领，体现实验探究的学科性和育人性［2］。

2    促进深度学习的高中物理学科实践的教学意义

物理学科实践从形式上划分，可以分为外部实践和内部实践。外部实践的核心是体验，主要包括：观察、实验、调研、操作、设计、策划、制作和阅读等；内部实践的核心是思维，主要包括模型建构、等效转化、分析、综合和抽象概括等，突出反思性思维、批判性思维和创造性思维等高阶思维能力发展。物理学科实践是“外部-内部-外部”不断交互迭代的过程。

2.1    学科实践有助于学科公共知识向个人意义知识转化

物理公共知识是经过无数物理学家辛苦研究形成的概念、规律和方法，是经过几千年实践、思考和凝练的结果，但其对学生而言是静态的、冰冷的、身外的和符号的，只有通过学生的切身体验与学科实践过程才能与学生建立联系，实现理解学习内容本质的意义化学习。只有在学科体验和实践的过程中，公共知识才能和学生的经验、已有知识结构和情感意志充分关联与融合，进入学生的认知结构和生命历程。通过物理的方式来学习物理，深刻体现物理的“学科味”，从而实现物理学科公共知识向个人意义知识的转化和发展［3］。

2.2    学科实践有助于学科核心知识向学科核心素养转化

学科核心知识是学科知识网络中的节点，是学科实践的主要对象和基础。物理学科核心知识往往需要通过不良结构问题解决的形式进入学习主体的实践，通过不良结构问题解决不断促进物理知识的结构化、系统化和素养化，其本身就是学科实践的过程和促进深度学习的过程。在学科实践的基础上，引导学生对实践的内容、过程和方式不断反思内化，形成物理观念、物理思想方法、物理学科能力和科学态度与责任，升华形成物理学科核心素养。

3    促进深度学习的高中物理学科实践教学策略

指向深度学习的高中物理学科实践教学倡导基于真实情境、核心问题、学习任务、探究整合和反思内化进行学习，依据上述教学思考，具体的教学策略包括：激发认知冲突，突出核心任务；基于合作实践，实现思维进阶；探寻科学本质，迁移解决问题。

3.1    激发认知冲突，突出核心任务

每个小组提供一块天然磁铁矿石、一个消磁后的条形磁铁（外壳上标注有N，S极）和一盒回形针，先让学生说说谁能够將回形针吸起来，大家一致认为是“条形磁铁”。接下来，让学生动手试一试，结果发现不起眼的磁铁矿石吸起了很多回形针，而“条形磁铁”却一无所获，真是“磁不可貌相”。说明磁铁矿石具有磁性，周围产生磁场。 磁场是磁体周围客观存在的特殊物质，磁场看不见、摸不着，如何来研究和描述这种特殊物质的分布呢？这是本节课的核心问题。首先，引导学生思考用什么来反映磁场是否存在？学生很容易想到用小磁针，如果小磁针拨动后N极最终指向某一确定方向，说明该处存在磁场，N极指向即为该处的磁场方向。其次，引导学生思考用什么来反映磁场的分布情况？学生想到可以用细铁屑。教师将天然磁铁矿石放在一个塑料平板上，在其周围均匀洒一层细铁屑，轻敲塑料平板，发现细铁屑按照一定纹路规则排列，再用一个透明玻璃板轻轻覆盖在细铁屑上面，用记号笔画线，最后再放上小磁针，确定磁场的方向（图1），得到的曲线上如果每一点的切线方向都跟这点的磁场方向一致，即为磁感线，强调磁感线是一个理想化模型。

教学意图：通过学生的亲生体验有效激发认知冲突，再通过问题引领促进学生联系初中所学知识，通过合作实践将抽象的、看不见的磁场具体化、形象化。这也为后面的学习提供方法指导。

3.2    基于合作实践，实现思维进阶

3.2.1    探究条形磁铁周围的磁场分布

引导学生小组合作，利用所给的器材研究条形磁铁周围空间磁场的分布情况（图2），每个小组分别研究4个互成45°角的特殊平面内磁场分布情况，俯视图如图3所示。

将学生研究画出的4个平面内的磁感线用事先制作好的底座竖起来固定，得到条形磁铁周围立体空间中的磁感线分布情况。

3.2.2    探究通电直导线周围的磁场分布

学生已经知道，1820年丹麦物理学家奥斯特发现通电导线周围也存在磁场。接下来，教师通过实验进行验证：直导线先不通电，在直导线上方和下方某处各放两个小磁针，让两个小磁针南北极指向与导线平行，但通电后小磁针的指针偏转到与导线垂直，并且上下两个小磁针的方向相反（图4），先让学生猜想通电直导线周围磁场的分布特点。

再引导学生设计描绘通电直导线周围磁感线的实验方案，然后应用细铁屑和小磁针进行实验探究。引导学生仔细观察和分析磁场的分布特点，画出通电直导线周围空间的磁感线，方法和画条形磁铁周围磁感线类似，得到某一个与导线垂直的平面内的磁感线情况。为了帮助学生形象直观地理解磁感线，可以制作一个实物模型进行演示（图5）。

让学生仔细分析直导线中电流方向与周围磁场方向的关系，总结规律，得到安培定则：用右手握住直导线，让伸直的拇指所指的方向与电流方向一致，弯曲的四指所指的方向就是磁感线环绕的方向。

3.2.3    探究通电螺线管周围的磁场分布

将上述制作的实物模型弯曲，变成一个环形，让学生分析环形导线通电后周围磁场的分布情况。学生提出，可以将环形导线分割成很多小段，每一小段近似为直导线，即微元法处理，再用安培定则判断磁场方向，这是很好的分析方法。接下来用实验进行验证，同样用细铁屑和小磁针进行研究，观察磁场的分布特点，分析并推理得到环形电流周围的磁感线（图6）。最后将很多个环形电流串联，组成通电螺线管，进一步分析得到其周围空间的磁感线分布（图7）。

通过对条形磁铁、通电直导线、环形电流和通电螺线管周围磁场分布和磁感线的研究，不仅实现了知识的进阶，更重要的是通过观察体验、分析推理，实现思维的逐步进阶，体会引入磁感线这个理想化模型的重要意义。

教学意图：学生的学习是在学科实践过程中不断进阶和抽象概括的过程，通过对条形磁铁周围磁感线的探究，尤其是通电直导线、环形导线的研究，抽象归纳得到右手螺旋定则，在实验探究的过程中体验和感悟学科知识建立的过程，理解学科的本质。

3.3    探寻科学本质，迁移解决问题

教学中引导学生仔细观察图7，发现通电螺线管周围的磁感线与条形磁铁的磁感线非常相似。基于结构决定功能，通电螺线管周围的磁场是一个个环形电流有序排列而产生的，那么条形磁铁内部是否也存在相似的结构呢？在这个类比中实现从宏观现象到微观本质的研究，也帮助学生理解安培分子环流假说。

进一步引导学生分析物质的组成，原子内部的电子围绕原子核高速旋转，从而形成环形电流。这些环形电流如果像螺线管的每匝一样有序排列，则对外显示出磁性；如果杂乱排列，内部会相互抵消，对外不显磁性。这就是安培分子电流假说，它将电和磁有机联系在一起，帮助学生理解磁现象产生的本质，初步建立统一性的物理观念。

还可以对安培分子电流假说进行实验验证，对于没有磁性的铁钴镍等金属，如何让它们有磁性呢？只要让内部电子旋转的方向大致相同即可。电子运动形成的环形电流相当于一个小磁针，因此，可以通过外加强磁场的作用实现内部环形电流的方向基本相同。可以用一个通电大线圈，将消磁的条形磁铁放在大线圈外部边缘，通电后发现消磁的条形磁铁被一个较大的力拉进去，过一会儿将其取出，结果发现其能吸起大量回形针，说明这个过程中其被磁化，间接证明了安培分子电流假说的正确性。

最后，让学生应用本节课所理解的核心知识解决一个实际问题：科学研究发现地球表面带负电，根据地球的自转情况说明地球为什么会有磁场？并且地磁场的北极为什么在地理南极附近？

教学意图：电和磁的关联是什么？历史上也经历过很长一段时间的争论和研究。本节课通过一个磁化过程的对比实验，一方面激发学生对科学研究的热情；另一方面与实际问题相关联，培养学生综合应用所学知识解决问题的能力。

学科实践作为一种重要的学习方式，帮助学生与知识真实相遇，让学习可见，让思维发生，让情感升华。对促进物理学科学习方式变革和课堂深度学习真实发生具有重要的意义，有助于思维过程的表现、思维方式的建立和思维品质的提升，有助于物理学科知识转化、物理学科思想活化和物理學科能力升华，培育物理学科核心素养。

参考文献：

［1］崔允漷，张常红，郭洪瑞.溯源与解读：学科实践即学习方式变革的新方向［J］.教育研究，2021（12）：55-63.

［2］郭元祥.论学科育人的逻辑起点、内在条件与实践诉求［J］.教育研究，2020（4）：4-15.

［3］任虎虎.指向深度学习的高中物理教学研究［M］.合肥：中国科学技术大学出版社，2019：33-42.

（栏目编辑    刘   荣）