結構不良問題解決：高中物理深度學習的有效途徑*

任虎虎

(江蘇省太倉高級中學 江蘇 蘇州 215411)

傳統(tǒng)教學是在知識學習后解決問題，將知識學習和問題解決割裂開來，而深度學習倡導在實際問題解決過程中獲取知識，發(fā)展高階思維，提升關鍵能力.日常生產(chǎn)生活中遇到的實際問題基本都屬于結構不良問題，基于結構不良問題組織和實施教學,促進學生深度學習是發(fā)展關鍵能力、落實物理學科核心素養(yǎng)的有效途徑.

1 結構不良問題和深度學習的內(nèi)涵

1.1 結構不良問題的內(nèi)涵

問題的核心要素包括：初始狀態(tài)、目標狀態(tài)及算子[1].初始狀態(tài)是指所需解決問題的信息；目標狀態(tài)是指問題所要得到的結論；算子是指問題解決中使用的方法和途徑.其中，初始狀態(tài)和目標狀態(tài)均明確給出，有確定運算規(guī)則的問題為結構良好問題；反之，初始狀態(tài)、目標狀態(tài)中有一項或兩項沒有明確給出，造成解決途徑及解決標準不唯一的問題就為結構不良問題.人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中有待解決的實際問題大多為結構不良問題，如電路故障的排除等.

筆者認為：結構不良問題的解決過程能有效激發(fā)學生求知欲、幫助學生多角度把握問題本質(zhì)、聯(lián)結生活生成意義、追尋知識背后的價值、形成跨學科綜合解決問題的關鍵能力.因此，基于結構不良問題的解決實施教學具有深遠意義.

1.2 深度學習的內(nèi)涵

深度學習是指在教師引領下，學習者以高階思維發(fā)展和實際問題解決為目標，以整合的知識為內(nèi)容，積極主動地、批判性地學習新的知識和思想的過程[2].這一過程中，學生圍繞著具有挑戰(zhàn)性的學習主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發(fā)展，掌握學科的核心知識，理解學習的過程，把握學科的本質(zhì)及思想方法，形成積極的內(nèi)在學習動機、高級的社會性情感、積極的態(tài)度、批判性理性精神、正確的價值觀.

筆者認為：深度學習是觸及心靈深處的對話式學習；深度學習是深入學科本質(zhì)的反思性學習；深度學習是促進學科融合的整合式學習；深度學習是追尋意義價值的理解性學習；深度學習是指向核心素養(yǎng)的發(fā)展性學習.

2 結構不良問題解決促進深度學習的路徑

結構不良問題的初始狀態(tài)、目標狀態(tài)及算子至少其中之一不明確，這就需要在解決過程中聯(lián)系實際進行類比、抽象、建模，一些數(shù)據(jù)還要學生自己去測量、去查閱資料，這些體驗過程將極大地豐富學生的學習經(jīng)歷，為深度學習的發(fā)生提供良好的土壤.

首先，從學科知識的角度看，結構不良問題的解決，需要經(jīng)過類比、綜合運用所學知識，并在實際問題情境的解決中學習新知識，認識和追尋知識背后的邏輯、意義和價值.幫助學生深度把握知識的產(chǎn)生與來源、事物的本質(zhì)與規(guī)律、知識的關系與結構、知識的意義與價值，達到深度學習的層次.

其次，從學科思維的角度看，結構不良問題是有思維空間和挑戰(zhàn)性的學習任務，基于學生生活背景的實際物理問題能有效激發(fā)學生的學習興趣和熱情，促進學生深度思考.尤其教師可以設計一些“兩難”的問題情境，引發(fā)認知沖突，讓學生在辯論中學習知識，忽略事物的次要因素把握關鍵因素的科學建模過程，發(fā)展分析、評價、批判等高階思維能力，深刻把握學科思想與方法，促進深度學習.

最后，從學科價值的角度看，能解決真實生活中的復雜問題是深度學習的根本價值，也是落實學科核心素養(yǎng)的重要標志.由于結構不良問題具有條件模糊、解決方案多樣、結果開放等特點，因此，基于結構不良問題的解決來組織和開展教學，幫助學生模擬社會實踐，能有效提升學生的批判性思維能力和解決復雜問題的能力，為終生學習和發(fā)展奠定堅實的基礎.

3 結構不良問題解決促進高中物理深度學習的教學策略

借助結構不良問題促進高中物理深度學習首先需要回答：適合高中物理教學的結構不良問題如何獲得？

生產(chǎn)生活中的實際問題雖然基本都屬于結構不良問題，但并不是所有都適合學校課堂教學，筆者這里提供3個途徑：從教材中篩選尋找；結構良好問題的還原；模擬生活實際情境.采用體驗式、案例式、項目式的教學策略實現(xiàn)深度學習.

3.1 甄別教材中的問題 開展體驗式學習

有研究發(fā)現(xiàn)：在人教版物理教材中的“說一說”“問題與練習”“思考和討論”3個欄目存在大量的結構不良問題[3].這就要求平時教學時仔細研究教材，把結構不良問題甄別并篩選出來有效組織教學，可以通過交互的親身體驗和探究，獲得相應知識及生成意義.

案例分析：人教版教材必修2第19頁“問題與練習”中的第4題就是一個典型的結構不良問題.原題如下.

如圖1所示，是自行車傳動機構的示意圖.假設腳踏板每2 s轉(zhuǎn)一圈，要知道這種情況下自行車前進的速度有多大，還需要測量哪些量？請在圖中用字母標注出來，并用這些量導出自行車前進速度的表達式.用自行車實際測量這些數(shù)據(jù)，計算前進速度的大小，然后實測自行車的速度.對比一下差別有多大？

圖1 自行車傳動機構示意圖

所以需要測量大齒輪半徑r1，小齒輪半徑r2，后輪的半徑R.

課后，筆者把學生分為4人一組，讓學生實際測量自行車上述3個量，先理論計算速度大小，然后1人實際騎自行車，1人旁邊負責保護安全，其他2人測量和記錄實際數(shù)據(jù)，在下節(jié)課上展示各組測量結果，比較理論計算和實際測量結果并分析產(chǎn)生誤差的原因.

通過這一實際的親身體驗過程，學生學習有關測量、圓周運動的規(guī)律、誤差分析等相關知識，真正實現(xiàn)“做中學”，提升解決實際問題的能力.教材中的一些問題完全可以讓學生去親身體驗，獲得更深層次的理解，實現(xiàn)意義建構.

3.2 還原結構良好問題 開展案例式學習

很多結構良好問題都是在學習知識后作為鞏固練習提供給學生解決，這是本末倒置.應該倒過來：將結構良好問題轉(zhuǎn)化為結構不良問題在學習知識之前提供給學生解決，此時是將這一結構不良問題作為知識學習的載體和典型案例，在解決的過程中學習一類知識,掌握學科思想與方法，將結構不良問題作為“打開”核心概念學習的一把鑰匙.

案例分析：在平拋運動學習后，有如下結構良好問題.

如圖2所示，女排比賽時，排球場總長為18 m，設球網(wǎng)高度為2 m，運動員站在網(wǎng)前3 m處正對球網(wǎng)跳起將球水平擊出，若擊球的高度為2.5 m，為使球既不觸網(wǎng),又不越界，求球的初速度范圍.

圖2 排球場示意圖

可以將這一結構良好問題轉(zhuǎn)化為結構不良問題：2015-2017年中國女排分別獲得世界杯冠軍、奧運冠軍、大冠軍杯冠軍，展現(xiàn)了強大的統(tǒng)治力.朱婷發(fā)球時在最高點將球水平擊出，請你通過定量推導說明，發(fā)球速度在什么范圍內(nèi)，才能保證發(fā)球時排球既不觸網(wǎng),又不越界.

將這個問題放在學習平拋運動相關知識前，引導學生聯(lián)系實際經(jīng)歷建構模型、分析、數(shù)學計算等過程.

首先需要學生抽象出模型：忽略空氣阻力和排球的旋轉(zhuǎn)，把它看成一個速度水平、只受重力的質(zhì)點.如圖3所示，設置問題串.

(1)排球運動的軌跡是什么?大家嘗試畫出來.

(2)對于這個曲線運動如何處理？

(3)理論上曲線運動可以向任何兩個直線上分解，這里為了研究問題的方便，可以分解在什么方向上？

(4)在這兩個方向上分別做什么運動？為什么？

圖3 排球抽象模型

接下來結合實際進行賦值：設排球場的總長度為2l，排球網(wǎng)的高度為h，朱婷發(fā)球時排球距地面的高度為H，讓學生做出運動情境圖，如圖4所示.

圖4 排球運動情境示意圖

然后利用上面得到的規(guī)律進行數(shù)學計算，得出結果，這里不再贅述.

上述分析過程是結構良好問題缺失的，卻是深度學習發(fā)生的必要條件.作為一個典型案例，是學習斜拋運動和類平拋運動的基礎.學生在解決這個問題的過程中不僅學習到平拋運動相關知識、“化曲為直”的物理思想，還體驗到建模、分析、評價等高階思維.

3.3 模擬實際生活情境 開展項目式學習

很多實際問題由于空間、時間和資金需求量巨大，無法在課堂和學生有限的時間、空間和資金能力上完成，此時教師可以變通，模擬相似的情境，讓學生去解決.為了模擬得更加真實，可以采用項目式的學習方式，培養(yǎng)學生的綜合思維、知識遷移能力和跨學科解決復雜情境問題的能力.

案例分析：在進行動量定理學習前提供實際待解決的問題.在抗震救災時，往往需要飛機空投物資，但為了飛機飛行安全，物資一般需要從上千米的高空拋下，大家想一下，現(xiàn)在空投的是醫(yī)療器械，采取怎樣的措施避免物資摔壞呢？

由于教學中沒有飛機，可以用雞蛋落地過程來“縮短時空”模擬上述情境.

4人一組開展項目式學習.項目要求：看哪一組設計的裝置雞蛋不碎，落地用時最短且造價最低.讓學生體驗這一實際問題的解決過程.先讓學生估算這樣兩個問題：

(1)一個雞蛋從4樓自由下落，試估算雞蛋在與地面作用前瞬間的速度大小？

(2)如果雞蛋與地面的作用時間為0.1 s，試估算這個過程中雞蛋受到地面的平均作用力？此過程中學生需要具備每層樓的高度大概多少、每個雞蛋的質(zhì)量大概多少等基本生活常識.然后運用自由落體和動量定理的知識解決問題.

學生分組購買材料，動手制作，進行實踐嘗試：如何讓雞蛋從4樓最快落地，而不摔碎？這個過程中需要學生經(jīng)歷分析、建模等科學思維過程，查閱資料，要減小作用力，必須延長作用時間和減小落地時的速度，這就需要設計緩沖裝置和減速裝置.雖然對于這一問題網(wǎng)上有不少方案，但學生根據(jù)自己的理解設計了更加豐富的方案，并且所做裝置做工也非常精良.學生參與的主動性和比賽的熱情都非常高.在解決問題的過程中掌握了動量定理的知識、意義和本質(zhì).

這一結構不良問題的解決需要綜合運用自由落體和動量定理等相關知識.還需要方案設計和經(jīng)濟預算等跨學科整合項目的知識.各組內(nèi)根據(jù)各成員的特長進行分工，提升了學生的合作交流能力和思維品質(zhì).

結構不良問題解決過程能將書本中符號化的知識“打開”、將靜態(tài)的知識“激活”.雖然在現(xiàn)在人教版教材中占有一定比例，但和美國教材《物理原理與問題》等相比還是偏少，且缺乏系統(tǒng)性.所以教師在平時教學中要創(chuàng)造性地設置待解決的結構不良問題，組織教學方案，讓學生在結構不良問題的解決中學習物理知識，發(fā)展高階思維，促進深度學習，落實物理學科核心素養(yǎng).