基于“深度学习理论”的高中物理教学实施策略——以《机械能守恒定律》为例

王 磊

(江苏省常熟市中学 215500)

新课标明确要求在物理教育教学过程中要把学科核心素养贯穿始终，使学生在接受教育的过程中，逐步形成适应个人终身发展和社会发展所需要的必备品格和关键能力.而“深度学习”，不同于“浅层学习”，它是基于理解的学习，深度学习者能够批判地学习新的思想和事实，将其融入原有的认知结构，并能将已有的知识迁移到新的学习情境中，从而做出决策并解决学习中的问题.这种逐步“内化”的过程正是学生必备品格和关键能力的形成过程.本文基于深度学习理论，以人教版高中物理必修二第八章第四节《机械能守恒定律》为例，探索如何高质高效地开展深度学习.

1 通过实验创设物理情境，引导学生深入思考

深度学习是一种具有主动性和批判性的学习方式，它要求学习者在激活先前知识的基础上，对于所获得的新知识进行有效的深度加工.是基于一定的理论基础，再到情境认知，继而过渡到元认知的过程.所以课堂上可以通过趣味实验，创设与所学知识相关的物理情境，更好地激发学生学习的主体性、能动性和发展性.因此，本节课新课导入部分，设计如下实验：

实验1：装有小钢球的药丸壳沿杯壁下翻越来越快，猜想:过程中重力势能转化为动能.(图1)

图1 图2

实验2：悬挂着的小球从紧贴杯壁处释放，摆回时，看还能不能碰到杯壁？(图2)

问题：为什么每次小球摆到杯壁处都碰不到杯壁？

猜想：小球过来时的动能太小了，如果小球的动能没有减为零，它就会碰到杯壁.

问题：为什么小球到来时的动能总为零呢？有什么规律吗？

猜想：由于空气阻力的影响，小球的机械能有损耗，所以总不能碰到杯壁；若忽略空气阻力，小球摆动过程中动能与势能相互转化，总的机械能恒定不变，小球就能碰到杯壁了.

问题：既然总的机械能保持不变(守恒)，那么你知道哪些情况下机械能守恒吗？

通过以上两个小实验，一方面帮助学生回忆动能与势能相关知识，建立一定理论基础，同时，创设新的物理情境，引发学生对动能和势能之间的相互转化进行思考，激发学生的探究欲望和学习兴趣，为后面的深入学习做铺垫.

2 问题链引导思维，注重知识的保持与迁移

问题能够引发思考，而层层递进的问题链能够促进学生更深入地进行高阶思维，引发深度学习.所以教学过程中教师要善于设问，巧于设问，且所设问题要具有引导性、阶梯性和驱动性，帮助学生进行知识的保持与迁移.因此，在本节课的理论分析部分，通过二个过渡性的问题加上三个典型模型对机械能守恒定律进行定量分析：

模型1：物体只受重力时的机械能

质量为m的物体自由下落过程中，经过高度h1时速度为v1，下落至高度h2处时速度为v2，不计空气阻力，分析物体由h1下落到h2过程中机械能的变化(教师引导学生进行思考分析).

结论：物体只受重力时机械能守恒.

问题1：物体除受重力还受其他力时，机械能守恒吗？猜想：应该也守恒.

模型2：物体除受重力之外还受其他力，但其他力不做功

光滑曲面下滑的小球，经过高度h1时速度为v1，下滑至高度h2处时速度为v2，不计空气阻力，分析物体由h1下滑到h2过程中机械能的变化(学生自主进行推导).

结论：在只有重力做功的情况下，物体动能和势能可以相互转化，而机械能总量保持不变.

问题2：势能包括重力势能和弹性势能，只有重力做功时机械能守恒，那么只有弹力做功时机械能是否也守恒呢？猜想：一定也是守恒的.

模型3：系统内弹力做功时物体的机械能

水平面内的弹簧振子，简要分析系统弹性势能与动能的相互转化，注意动能和弹性势能之间的转化是通过弹力做功实现的.

结论：在只有弹簧弹力做功条件下，物体系统的动能与势能可以相互转化，总的机械能保持不变.

上述过程是本节课的重心，为了更好地推进学生进行深度学习，笔者以层层推进的问题链为导向，由浅入深，由简及繁，让学生从已学知识更好地迁移到新知识的学习.三个模型看似条件越发苛刻，其实是对机械能守恒定律从特殊到一般的推广，促进学生的高阶思维，帮助学生利用一定的线索把相关体系有机联系在一起.这样一方面大大提升学生对于宏观知识的把握，另一方面也培养了学生的逻辑思维能力.

3 启发学生自主总结和归纳，推进知识的再建构

深度学习要求学习者必须对所学内容具有较强的宏观把握能力.而当前的教育教学过程中，教师往往追求知识的细枝末节，生怕遗漏一个考点，过于关注考什么，而忽略了学生学什么.学生在学习过程中也由于缺少自主消化和吸收新知识的时间，很少对所学知识进行归类总结.这也是很多学生在当前新高考模式下不能举一反三，继而畏惧创新题型的原因.所以在平时的教学过程中，教师要有意识地启发学生及时总结和归纳，推进知识的再建构.因此，在上述模型1的推导过程中，笔者通过以下两种方程表示，引导学生推出机械能守恒定律的表达式：

(1)

表达式(1)△Ek=-△EP， 这是从能量转化的角度，认为过程中物体动能的增加等于势能减小量，反之亦然.

(2)

表达式(2)Ek1+Ep1=Ek2+Ep2，这是从能量守恒的角度，认为物体运动过程中，初状态和末状态机械能相等.

同时，总结出机械能守恒定律的适用条件：只有重力或弹力做功(自由落体，光滑曲面下滑小球，弹簧振子等).

该部分通过总结归纳，旨在帮助学生在掌握定律内容的同时形成所学知识的框架和体系，从而完成自我构建的过程，也为学生初步应用定律提供了科学的方法.

4 转变教学评价方式，让学生所学内容真正“内化”

深度学习是以学习者为中心的，是自我导向的，是学生在已掌握知识的基础上，不断地深入理解，加上批判性思维，继而不断的反思，最后将所学知识应用于实践的过程.而教学评价是教学的重要环节，深度学习理论下的教学评价不能仅仅停留在做题、解题，应该更多地关注过程性评价，贯穿整个学习过程，同时关注学生的自我反思，让学生所学内容真正“内化”.

例如，本节课理论分析第一个实例结束后，笔者给学生布置了分组实验，要求学生利用已有器材(铁架台、打点计时器<附纸带>、刻度尺、重锤)设计实验验证机械能是否守恒.这样就从理论推导和实验验证两个方面对自由落体运动机械能守恒的结论进行了深入而严密的分析.一方面把实验探究贯穿到理论推导中，让课堂教学“活”起来；另一方面，在实验探究过程中的数据处理、误差分析等也能帮助学生更好地理解机械能守恒的条件，以便后续更好地应用于实践.

再如，当学生得出机械能守恒成立条件时，笔者让学生举例说出生活中有哪些情况下物体机械能守恒，而没有直接展示生活情境让学生判断.这样可以充分发挥学生作为学习者的能动性，也能关注到更多真实场景下的实际结论，使后续教师教学更具有针对性.同时，学生在思考讨论的过程中，发散性思维也可以提升自我反思和自我评估的能力.

最后，针对学生举出的生活实例，我又布置了两个小任务留待学生课后自行解决，巩固学生对机械能守恒定律的理解和掌握.

任务一：新课开始时演示的小球碰杯实验，请大家想出一个办法使小球总能碰到杯壁，并且听到敲击的声响？

任务二：质量为m的运动员从一定高处自由下落到蹦床上，试分析该过程中的能量转化关系.

(1)系统涉及几种形式的能量？

(2)哪些力对运动员做了功？

(3)机械能是否守恒?

(4)运动员运动过程中的能量转化情况？

这样，让学生充分体会到物理来源于生活，又回归于生活、服务于生活.让物理学习从“外界灌输式”变成“自我要求式”，促进以自我为需求的深度学习.

本节课以深度学习理论为指导，开展高中物理《机械能守恒定律》的教学活动.过程中通过四种方式推进学生深度学习，从典型的物理情境出发，总结出科学的结论.这只是深度学习理论用于高中物理教学的一个案例，而深度学习作为高中生学习物理行之有效的方式，值得我们更进一步地研究和推广.