深度学习视角下试题情境资源的开发

摘 要：优质的情境化试题是教师进行习题教学的重要素材，但“学生做题，教师评讲”的传统教学方式无法充分发挥情境的育人价值。因此，以深度学习的基本特征为依托，以情境化试题为载体，选取“摩擦自锁”问题中的经典试题为案例，尝试探索高中物理试题中优质情境资源的开发和利用模式，借此实现习题教学向问题解决教学的深层化转变。此工作可供高中物理教师借鉴，为其在全方位促进学生学科核心素养发展方面提供思路。

关键词：深度学习；情境化试题；习题教学；资源开发

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2024）8-0078-5

《普通高中物理课程标准（２０１７年版）》在实施建议中明确指出：要从培养物理学科核心素养的视角审视习题教学的目的，应通过习题教学，使学生在科学思维、探究能力、实践意识、科学态度等方面得到有效提升。习题教学的作用不仅仅是为了得到答案，而是要全面提高学生的问题解决能力［１］。因此，如何创新习题教学的内容、形式和手段以实现习题教学向问题解决教学的转变，一直以来都是教师们重点关注的问题。

近年来，以情境或情境活动为载体的各类情境化试题大量涌现，注重考查学生运用必备知识和关键能力去解决实际问题的能力，成为众多教师进行习题教学的素材来源。然而，在日常教学中，若是将该类试题直接拿来作为习题使用，且依旧沿用“学生做题，教师评讲”的传统教学方式，会导致学生因为思维跨度过大而无法进行知识的有效建构，也会造成优质情境资源的浪费，试题的育人功能难以得到充分实现。因此，本文将以深度学习理论为指导，以“摩擦自锁”问题中的经典试题为案例，尝试探究高中物理试题中优质情境资源的开发和利用，为高中物理教师习题教学的开展提供一些参考与借鉴。

１ 深度学习理论

１．１ 深度学习之于习题教学的意义

深度学习是指“在教师的引领下，学生围绕着具有挑战性的学习主题，全身心积极参与、体验成功、获得发展的有意义的学习过程”［２］。在这个过程中，学生掌握学科的核心知识，理解学习的过程，把握学科的本质及思想方法，形成积极的内在学习动机、高级的社会性情感、积极的态度、正确的价值观［２］。由此可见，深度学习与新课标对于习题教学的实施建议具有较高的契合度，是形成学生核心素养的基本途径，可使学生在科学思维、探究能力、实践意识及科学态度等方面得到有效提升。因此，深度学习之于习题教学具有一定的借鉴意义和实施价值。

１．２ 深度学习强调情境价值

深度学习理论强调“真实、具体、富有价值的问题情境是学生学科核心素养形成和发展的重要载体，也为学生学科核心素养提供了真实的表现机会”［２］。而情境又是试题的重要载体，也是设问的具体化实现。优质的情境是学生思维生长的沃土，对于提升学生的问题解决能力和发展核心素养有重要价值。因此，在深度学习理论的指导下，以开发和利用优质试题情境资源为途径来尝试实现习题教学的深层化，具备一定的可操作性和现实意义。

２ “摩擦自锁”问题

当物体的某一物理量满足一定条件时，无论施以多大的力都不可能让它与另一个物体间发生相对运动，这种现象在物理学上称为“摩擦自锁”。

高中阶段，“摩擦自锁”现象通常作为一种较为复杂的问题情境来考查学生对于“共点力平衡”中临界问题的把握。受中学生认知水平和知识储备的限制，该类问题以斜面自锁和平面自锁两种基本形态展开，其基础模型如表１所示。而与“摩擦自锁”问题相关的试题情境与我们日常的生产生活密切相关，涉及一些有趣的生活现象和一些较为复杂的装置及工具，极具现实价值和体验感，其对学生的问题解决能力提出了较高的要求，是非常优质的教学资源。因此，为充分发挥该类问题情境的育人价值，应对其进行精心开发和利用。

３ 案例分析与实施

３．１ 原题呈现及试题评析

小明在观察如图１所示的沙子堆积时，发现沙子会自然堆积成圆锥体，且在不断堆积的过程中，材料相同的沙子自然堆积成的圆锥体的最大底角都是相同的。小明测出这堆沙子的底部周长为３１．４ m，利用物理知识测得沙子之间的摩擦因数为０．５，估算出这堆沙子的体积最接近（ ）

Ａ．６０ m3

Ｂ．２００ m3

Ｃ．２５０ m3

Ｄ．５００ m3

分析：本题的问题情境为沙子的自然堆积，是一种有趣的生活现象，其本质为斜面的“摩擦自锁”问题。学生需对斜面上的沙粒进行受力分析，运用假设和推理等思维方法掌握沙子堆积过程的动态变化规律及最大底角为定值的成因，求出使沙粒处于临界静止状态（即所受摩擦力达到最大静摩擦力）时斜面倾角的正切值，并借助圆锥体的体积公式求解。由此可见，本题的思维跨度较大，对学生的模型建构、科学推理和论证能力都提出了极高的要求。从教学的角度来看，若以传统的讲授形式进行该题的讲评，学生会因缺乏对沙子堆积过程的动态体验而难以将该情境与物块在斜面上的滑落及临界静止状态联系起来，对“摩擦自锁”问题更是缺乏系统且全面的认知。同时，该问题情境涉及一种沙子体积的估算方法，这与生产生活关系紧密，若加以利用可充分实现试题的育人功能。

３．２ 实施过程

现基于深度学习理论，尝试对上述案例中的试题情境进行开发和利用。由于深度学习以联想与结构、活动与体验、本质与变式、迁移与应用、价值与评价为基本特征，而试题情境已经将问题和现象进行了初步关联。因此，参考后四个特征并结合习题教学的特点来设计深度学习，具体的实施步骤如图２所示。

３．２．１ 活动与体验：亲历试题情境，依托感知体验激发内部动机

在传统的习题教学模式下，学生会因为对该情境缺乏切身感知体验而将其当作既定事实被动接受，并在教师指导下对其进行程序化和规范化处理，最后以文字和符号的形式给予思维呈现。这将难以激发学生的内部动机，更无法凸显情境在激发学生探究兴趣上的意义和价值。因此，教师可以通过小组活动的形式让学生模拟试题情境，并亲身经历该现象的形成过程，从而引发学生质疑，促进问题生成。案例试题所提供的情境贴合生活，完全可以通过实验进行情境再现，其具体操作流程如表２所示。

３．２．２ 本质与变式：开展试题深度设计，依托进阶性任务培养高阶思维

原题要求学生依据所给条件估算沙堆体积，该过程思维跨度较大，学生无法从中抽象出沙粒与沙堆组成的“斜面自锁”模型，进而难以建立起沙堆底角与沙粒间摩擦因数之间的关系，对沙堆体积的估算方法更是一筹莫展。因此，教师可基于先前实验现象所引发的问题，结合试题自身逻辑，开展试题的深度设计，通过梯度设问让学生进阶式地解决问题。同时，该题所涉及的估料方法与生产生活密切相关，对于物料堆放场地的选择更是具有现实意义。因此，可在该题基础上进一步设计进阶性任务来培养学生的高阶思维和解决实际问题的能力。具体设计方案如下：

任务１：初始阶段沙堆底角可持续增大而不发生崩塌，但随着沙子的持续注入，沙堆在某一瞬间突然发生崩塌，即大量静止在沙堆表层的沙粒突然沿斜面自然滑落，试分析整个过程的成因。

学生活动：

（１）发掘初始阶段沙堆底角持续增大而不发生崩塌这一表层现象的深层物理含义，将其转化为“沙粒可持续停留在沙堆表层而不发生滑落”这一物理问题进行深入思考。

（２）选取沙粒为研究对象，分析其在沙堆表面的受力情况，并采用矢量分解法和假设法对其沿斜面方向的受力进行动态分析，体会静摩擦力逐步增大并最终转化为滑动摩擦力的过程。

任务２：为何沙堆在发生崩塌后能自动恢复至静止状态，试对该动态变化过程进行分析，并解释最大底角的成因。

学生活动：

（１）对沙粒沿斜面滑落所引发的沙堆底角的变化进行推理，运用假设法对表层沙粒在此过程中的受力变化和运动变化进行分析，体会其由运动向静止状态转变的自动“锁定”过程，深入理解临界静止状态的物理意义。

（２）依据共点力平衡条件，列出表层沙粒处于自锁状态时沙堆最大底角满足的表达式μ=tanφ，理解物料自然堆积形成的圆锥体的最大底角由物料自身的摩擦因数决定。

任务３：若已知沙堆底部周长和沙粒间的摩擦因数，如何估算沙堆体积？

学生活动：利用沙堆最大底角满足的表达式和圆锥体的体积公式进行联立计算。同时，深入思考和体会该种估料方法的现实价值。

任务４：若有一些物料需要自然堆放在地面上，则事先必须估算出其堆放后形成的圆锥体的底面积大小，以便准备合适的场地，试设计一种方案来估算物料所占底面积（物料体积已知）。

学生活动：

（１）借助任务３中提出的物料体积估算方法，对表达式V=πr3tanφ进行处理和转化，推导出物料所占底面积公式S=πr2=π（）2/3，建立未知量与已知量之间的数学关系。

（２）利用同种物料自然堆积形成的圆锥体底角相同的结论，用该物料做一个小型模拟实验，测出最大底角φ，并代入计算。

整体架构思路及设计意图如图３所示。其中，任务１和任务２要求学生对沙子自然堆积过程中出现的所有现象和细节进行合理解释。这两个任务由步骤１中呈现的６个子问题驱动，旨在帮助学生建立起对现象本身的认知，主要培养以下物理观念和科学思维：能以运动和相互作用的观念审视沙粒在沙堆表面累积和自然滑落的现象，能从中抽象出沙粒与沙堆组成的“斜面自锁”模型，能通过假设、推理对沙堆的动态变化过程进行全面分析和论证。而任务３和任务４分别是原题的设问和延伸，注重相关物理原理在生产生活中的实际应用，培养学生用科学的态度和眼光来审视和解决现实问题。

３．２．３ 迁移与应用：精选同类试题，依托多元情境促成模型迁移

为加深学生对“斜面自锁”模型的理解和临界最大倾角——摩擦角的认知，教师可精选同类试题情境进一步促成模型的多元迁移和深度应用。除了沙子自然堆积的生活现象，一些结构较为复杂的装置和工具也利用了摩擦自锁原理，比如，汽车维修时常用的螺旋千斤顶（图４）以及门上的暗锁（图５）等。这些结构复杂的装置对学生的模型建构能力提出了更高的要求。以螺旋千斤顶为例，教师可充分利用该情境资源，引导学生从摩擦自锁的角度思考该装置的工作原理，从中抽象出物理模型，推导出能够实现自锁的千斤顶，其螺纹与水平面夹角满足的条件，尝试解释向螺纹槽中滴入润滑油后重物回落的原因。通过接触同类试题情境，学生能够对“摩擦自锁”问题产生更为全面且系统的认识，深入思考并体会该类模型的应用价值。同时，丰富多元且贴近生活的情境也能够彻底激发学生的探究兴趣和质疑创新精神，这将有效促进学生思维能力的提升。

３．２．４ 价值与评价：体会情境价值，依托反思评价发挥试题育人功能

在经历了活动与体验、本质与变式以及迁移与应用三个步骤之后，教师需要引导学生对所有涉及到的问题情境和整个学习过程进行反思评价，唤醒学生对于知识背后动机和问题本质的认识，将落脚点最终放在发挥试题的育人功能上。回顾问题情境，人们从物料自然堆积背后的自锁原理中汲取灵感，提出了简便的估料方法，还将该原理巧妙融入到了基本装置和工具的设计中，给我们的生产生活带来了便利，这充分体现了科学、技术和社会之间的紧密联系。回顾整个基于情境的深度学习过程，学生经历了从自然现象中发现问题、通过推理假设解释问题和将物理原理应用于生活实践几个阶段，这是科学本质，也是科学研究的一般过程和最终目的，值得深入体会和感悟。

４ 结 语

纵观整个试题情境资源的开发和利用过程，每个阶段都指向学科核心素养的培育和发展。学生通过亲历试题情境获得感知体验，在科学探究中产生质疑并促进问题生成，在面对进阶性任务时能通过不断推理、假设和论证发掘现象背后的本质，螺旋式地解决问题。学生还能在接触多元情境的过程中进一步体会模型价值，通过反思评价认识科学本质并形成正确的价值观。但需要注意的是，深度学习对学生的思维能力和认知水平有较高的要求。因此，教师需要在学生已经建立基本知识结构的基础上开展该类习题教学，以确保达到最好的教学效果，并最大程度发挥情境价值。

参考文献：

［１］中华人民共和国教育部．普通高中物理课程标准（2017年版）［Ｓ］．北京：人民教育出版社，２０１８：５５．

［２］刘月霞，郭华．深度学习走向核心素养［Ｍ］．北京：教育科学出版社，２０１８：３２－３３．

［３］李鸿，李建，李群．基于深度学习的初中物理习题教学实践与思考［Ｊ］．物理教学，２０２２，44（１０）：２９－３２．

［４］周伟波，宣文涛．体验式教学下“晾衣架”模型的教学研究［Ｊ］．物理教学，２０２２，44（３）：６－８．

［５］马文蔚，苏惠惠，解希顺．物理学原理在工程技术中的应用（第三版）［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００６：４－６．

（栏目编辑 贾伟尧）