曾淑煌 肖永琴
(1.福州教育學(xué)院附屬中學(xué),福建 福州 350001;2.福州教育研究院,福建 福州 350001)
近年來,以5G 為基礎(chǔ)的人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等一系列新技術(shù),人類的許多常規(guī)性思維活動,如記憶、復(fù)述,甚至一些基于邏輯推理的分析與判斷,人工智能已經(jīng)完全勝任。因此,人類思維重心位置高移已在所難免,淺層學(xué)習(xí)已不適應(yīng)時代的要求,深度學(xué)習(xí)正是培養(yǎng)高階思維和能力的搖籃,是培育核心素養(yǎng)的基本途徑。2018 年9月召開的全國教育大會,提出立德樹人的培養(yǎng)目標,教育過程實施“五育并舉”,發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng),國家使命使深度學(xué)習(xí)成了基礎(chǔ)教育的“剛需”。
《普通高中物理課程標準(2017 年版)》,以“學(xué)科核心素養(yǎng)”培育為導(dǎo)向的“課程目標”,取代了原來的“三維目標”,在概念界定、意義、結(jié)構(gòu)與內(nèi)涵上,都形成了對人工智能時代人才五種必備高階思維能力[1]的緊密對接(圖1)。這是國家面對新一輪技術(shù)革命浪潮的沖擊,為中學(xué)物理教學(xué)領(lǐng)域做好的頂層設(shè)計。
圖1 物理學(xué)科核心素養(yǎng)與現(xiàn)代職業(yè)人現(xiàn)代化智能結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)
因此,我們探索“深度學(xué)習(xí)”的實踐,并不僅僅是對一種教學(xué)方法的學(xué)術(shù)性探討,而是基礎(chǔ)教育對當(dāng)下社會需求出現(xiàn)重大變化的一種主動與積極的反應(yīng),這不是趕時髦的“應(yīng)景”,而是加快發(fā)展新產(chǎn)業(yè)亟需的高素質(zhì)人才培養(yǎng)的“應(yīng)急”舉措。
“學(xué)科核心素養(yǎng)”源于學(xué)科知識又超然于學(xué)科知識,它形成后能夠脫離學(xué)科而單獨存在,即使學(xué)科知識記憶殘缺甚至消失后仍然能夠保留下來,最終成為一種跨學(xué)科甚至超學(xué)科的思維智慧。從這個意義上說,“物理觀念”已經(jīng)不再只是浮在記憶表層的物理現(xiàn)象、名詞、定律等,“物理思維”也不只是應(yīng)用物理概念與定律解答物理習(xí)題的思考過程,而是固化于習(xí)得者心靈深處的理解方式與思維存在。例如,看到道路上行駛的車輛,人們就明白它們與太空中的星星,無論是能量轉(zhuǎn)換還是受力系統(tǒng),都遵循著同樣的科學(xué)規(guī)律;我們談?wù)搩蓚€城市之間距離時,潛意識中總是將兩個偌大的城市默認成兩個“點”;站在潮漲潮落的海灘上,我們知道,人類盡管與潮水是完全不同的存在,但一樣都受到萬有引力的作用。
物理學(xué)科核心素養(yǎng)是一種完全開放的思維系統(tǒng),它在學(xué)習(xí)過程中,能夠自動地與中學(xué)其他學(xué)科的核心素養(yǎng)相互疊加、相互融合、相互強化,在學(xué)習(xí)過程中,能夠奠定下學(xué)生應(yīng)對人工智能時代各種新技術(shù)的能力基礎(chǔ)。顯然,傳統(tǒng)的以知識記憶、機械性重復(fù)訓(xùn)練為特征的“淺層次”學(xué)習(xí),或者說,“應(yīng)試式”的教與學(xué),無法讓大多數(shù)學(xué)生獲得科學(xué)思維能力的真正提升,深度學(xué)習(xí)是中學(xué)物理教學(xué)價值有效的“變現(xiàn)”路徑。
初高中物理教學(xué)的臺階大,是不可否認的事實,本身這兩學(xué)段的能力要求差異就較大。當(dāng)下全國高中階段毛入學(xué)率已達到89.5%,高中教育趨向普及,而初高中是基礎(chǔ)教育人才培養(yǎng)的上下游關(guān)系,夯實義務(wù)教育學(xué)段的知識能力基礎(chǔ),才能提升教育全局質(zhì)量。因此,初中教育不能只把培養(yǎng)視野局限于本學(xué)段內(nèi)部,應(yīng)當(dāng)建立初高中一體化的培養(yǎng)思維。那么,如何讓學(xué)生在初中形成必備的物理能力和素養(yǎng),較好地實現(xiàn)高初中教學(xué)的銜接,為高中學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ),是初中物理教師必須研究的課題。
《義務(wù)教育物理課程標準(2011 年版)》雖未提出“學(xué)科核心素養(yǎng)”概念,但是我們看其課程目標的要求:通過“知識與技能”的學(xué)習(xí),“過程與方法”的體驗,“情感態(tài)度價值觀”的培養(yǎng),讓學(xué)生“養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣,在分析問題與解決問題時嘗試運用科學(xué)知識與科學(xué)研究方法”;“具有初步的科學(xué)探究能力,……有運用研究方法的意識”;“能獨立思考、敢于質(zhì)疑、尊重事實、勇于創(chuàng)新”;“具有環(huán)境保護與可持續(xù)發(fā)展的意識,樹立正確的世界觀,有振興中華,將科學(xué)服務(wù)于人類的使命感與責(zé)任感”。這些描述,實際上就是一種“基于學(xué)科,但又超越了學(xué)科”的核心素養(yǎng),而且是核心素養(yǎng)中最為基本也最為精粹的內(nèi)核。
應(yīng)當(dāng)看到,物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培育,實際上是啟動于義務(wù)教育,完成于高中的一個完整過程。所以,在深度學(xué)習(xí)的目標定位上,需要初高中一體化,以高中牽引義務(wù)教育,而在具體行動的階段化設(shè)計與實施中,則以初中對接高中,以初中促進高中,良性互動,提高站位,加深理解,形成“深度學(xué)習(xí)”的真實踐。
在初高中一體化培育體系中,初中物理主要著力方向有以下三方面。
1.養(yǎng)成持續(xù)的科學(xué)興趣。部分學(xué)生對于物理學(xué)科的“恐懼感”甚至于“厭學(xué)”情緒,主要來源于不當(dāng)?shù)慕虒W(xué)策略,如教師錯把學(xué)生當(dāng)成“零起點”的“知識容器”,無視學(xué)生“是帶著日常經(jīng)驗和在其他情境中獲得的先前知識、信念等走進教室的”[2],前期不注意定位學(xué)生已知與未知的“最近發(fā)展區(qū)”,不設(shè)法尋找學(xué)生可能的認知障礙,事先不做足“功課”,在課堂上一味按照自己先前設(shè)計的“腳本”單向灌輸知識,教師的“敘述線”與學(xué)生的“認知線”始終不能同頻共振,抑制了學(xué)生的求知欲望。“深度學(xué)習(xí)”的理念正是對癥下藥,教師引導(dǎo)學(xué)生自主地把日常生活情境中形成的“前概念”與當(dāng)下的知識學(xué)習(xí)進行整合,促進學(xué)生的舊知領(lǐng)悟升華,建構(gòu)新知,從而掌握物理核心知識?!吧疃葘W(xué)習(xí)”的課堂,就是依靠一系列的具有積極意義的學(xué)生活動,讓他們能夠獲得親歷親為的成就,從而鏟除了讓其生成“恐懼”與“厭學(xué)”的土壤。
2.培養(yǎng)基本的科學(xué)思維。科學(xué)的思維方法是人們思考問題、認識問題的方法,包括比較和歸類、分析和綜合、抽象和概括、演繹和歸納、合理想象和創(chuàng)造性思維等。高中物理的“科學(xué)思維”素養(yǎng)的培育,以模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新這四個要素為切入點,初中有足夠的材料引導(dǎo)學(xué)生打開思路打下基礎(chǔ)。例如,物理模型在高中有點狀的質(zhì)點和電荷、線狀的電流、立體的電場磁場等,初中有光線、磁感線等,其中磁感線模型為高中磁場模型建構(gòu)奠定了基礎(chǔ);初中的真空不能傳聲、伽利略理想實驗,以至牛頓第一定律的得出,讓學(xué)生領(lǐng)會了科學(xué)推理的方法;歐姆定律等多個探究實驗,提供了基于證據(jù)的推理、科學(xué)論證的基礎(chǔ)等。其次,老師需要經(jīng)常讓學(xué)生關(guān)注現(xiàn)象后面的本質(zhì)、過程后面的方法、數(shù)據(jù)后面的規(guī)律、生活后面的科學(xué)、概念后面的推理、結(jié)論后面的論證、行動后面的反思、事實后面的判斷。最后,讓學(xué)生形成意識自覺,即當(dāng)自己日常的學(xué)習(xí)行為可以用諸如判斷、解釋、分析、概括、交流、反思、運用等動詞來描述時,自己的思維正在操作進行時。
3.夯實科學(xué)探究基本功??茖W(xué)探究是學(xué)生能力生成的必由之路,是未來職業(yè)的“模擬預(yù)演”,也是高階思維培養(yǎng)的搖籃。初中課標提出科學(xué)探究的七要素:提出問題、猜想與假設(shè)、制定計劃與設(shè)計實驗、進行實驗與搜集數(shù)據(jù)、分析與論證、評估、交流與合作,高中課標與之對應(yīng)的是“問題、證據(jù)、解釋、交流”四個要素,都有相應(yīng)的能力要求。因此在初中物理課堂上,教師要善于引導(dǎo)學(xué)生,運用科學(xué)方法,一次又一次的體驗、感悟,形成對學(xué)生科學(xué)探究實踐規(guī)范操作的正面強化,直至領(lǐng)悟,最終形成“自動化”習(xí)慣,為學(xué)生留下受益終生的探究意識、探究能力和良好的思維品質(zhì)。
STAM 教育引進我國基礎(chǔ)教育領(lǐng)域之后,作為跨學(xué)科綜合教育的有效形態(tài),STEM 元素目前已經(jīng)進入到我國國家課程標準之內(nèi),包括《普通高中物理課程標準(2017 年版)》。STEM 教育是包含科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)多學(xué)科的綜合教育,它“以整合的教學(xué)方式培養(yǎng)學(xué)生掌握知識和技能,并能進行靈活遷移應(yīng)用解決真實世界的問題。融合的STEM 教育具備新的核心特征:跨學(xué)科、趣味性、體驗性、情境性、協(xié)作性、設(shè)計性、藝術(shù)性、實證性和技術(shù)增強性等?!保?]顯然,STEM 教育與深度學(xué)習(xí)之間,存在著天然的相互依存關(guān)系。
初中物理教學(xué)推進“深度學(xué)習(xí)”,要像STEM 教育那樣,設(shè)計“真實情境的沉浸,激發(fā)深度學(xué)習(xí)”,注重“跨學(xué)科知識的融合,促進深度學(xué)習(xí)”,提供“項目式學(xué)習(xí),支持深度學(xué)習(xí)”,促進“評價遷移,達成深度學(xué)習(xí)?!保?]鑒于初中學(xué)生的心理與認知特點,在這些活動中,我們可以突出趣味性、體驗性、情境性、藝術(shù)性。
學(xué)習(xí)的本質(zhì)就是要重塑大腦結(jié)構(gòu)和思維模式。不論學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)還是學(xué)科核心素養(yǎng),最核心的都是思維。[5]學(xué)物理,關(guān)鍵在學(xué)習(xí)物理思維。在物理教學(xué)實施深度學(xué)習(xí),教師須以知識為載體,啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生,從知識的建構(gòu)過程中體驗科學(xué)方法,從知識的體系脈絡(luò)中領(lǐng)悟科學(xué)本質(zhì),從知識的應(yīng)用中感受科學(xué)價值,大師思維與工匠精神兼收并蓄,讓學(xué)生獲得全面和長遠發(fā)展。
以滬科版八年級《第七章力和運動》為例,本章包括牛頓第一定律、力的合成與力的平衡三節(jié)內(nèi)容。在《小學(xué)科學(xué)課程標準(2017 年版)》中,就已要求通過觀察和實驗,感知常見的力,了解力對物體形狀和運動狀態(tài)的改變。八年級的學(xué)生在進一步學(xué)習(xí)了力、運動的基本概念后,進入了“力與運動的關(guān)系”這一核心知識領(lǐng)域。《義務(wù)教育物理課程標準(2011 年版)》雖要求“知道二力平衡的條件”“通過實驗,認識牛頓第一定律”,使用的描述課程目標的行為動詞“知道”與“認識”似乎要求不高。但是,這卻是力學(xué)大廈中的一塊奠基石,也是高中物理直接對應(yīng)知識的進階踏腳石。課標要求對不同學(xué)段是螺旋式上升,圖2 是兩個學(xué)段的知識關(guān)聯(lián)。
圖2 初高中兩學(xué)段的知識對應(yīng)
鑒于知識在體系中的核心地位,《普通高中物理課程標準(2017 年版)》中關(guān)于這一部分的學(xué)習(xí)要求是比較高的:“通過實驗,了解力的合成與分解,……,能用共點力的平衡條件分析生產(chǎn)生活中的問題?!薄巴ㄟ^實驗,探究物體運動的加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系。理解牛頓運動定律,能用牛頓運動定律解釋生產(chǎn)生活中的有關(guān)現(xiàn)象、解決有關(guān)問題。”學(xué)生要達成標準設(shè)定的“分析”“探究”“理解”“解釋”“解決”的高認知水平,需要較高的知識內(nèi)化能力。也正如此,《義務(wù)教育物理課程標準(2011 年版)》要求能夠“用物體的慣性解釋自然界與生活中的有關(guān)現(xiàn)象”,能夠“解釋”其實已屬于認知性目標中的“理解”層次,意在推進深度理解,為高中學(xué)習(xí)做好堅實的知識與能力鋪墊。
因此,教師應(yīng)針對不同學(xué)段課標的要求和學(xué)生的學(xué)情,進行單元教學(xué)設(shè)計,先確定單元教學(xué)的目標,再細化落實到每課時的教學(xué)目標。
針對初高中物理的課標要求和兩學(xué)段教學(xué)的銜接需求,教師需要給學(xué)生提供學(xué)習(xí)的支架,包括方法和工具,同時注意把握知識和能力要求的“度”。如:
1.深化“力是物體間的相互作用”認知,適當(dāng)回顧《第六章熟悉而陌生的力》中的幾種力而正向強化相關(guān)概念,為此后的物體受力分析、受力與物體運動狀態(tài)之間量化關(guān)系分析建立思路。
2.經(jīng)歷動手探究阻力對運動的影響,深刻理解伽利略理想實驗的構(gòu)思創(chuàng)意與牛頓第一定律的科學(xué)推理,為牛頓第二定律的實驗驗證,以及解釋現(xiàn)象解決問題搭建意境。
3.悟透二力平衡的原理,通過回溯、聯(lián)想和遷移,為高中解決共點力平衡問題提供入門工具。
4.尤其要注意引導(dǎo)學(xué)生建立結(jié)構(gòu)化知識的意識,整合自己大量的“前知識”,自主自覺融入新知識體系中,在不同階段思維進階,并應(yīng)用所學(xué)解決實際問題。
下面以第七章第三節(jié)《力的平衡》教學(xué)為例(福州教育研究院肖永琴主設(shè)計、福州教育學(xué)院附中賴曉嵋執(zhí)教),來說明我們的實踐探索。
1.創(chuàng)設(shè)玩一樣的情境,以問驅(qū)動
創(chuàng)設(shè)“玩”一樣的教學(xué)情境,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在動機,促進積極思維,以“玩”推動學(xué)生主動學(xué)習(xí)。課前,教師布置了動手實踐作業(yè):兩個礦泉水瓶內(nèi)裝質(zhì)量不等的水,用繩系在小車上(如圖3),小車就會動起來。如何通過增減水量實現(xiàn)讓運動的小車停下來呢?上課時,將學(xué)生提出的解決方案作為引入,如有的學(xué)生是使兩邊瓶子里的水質(zhì)量相等,這樣繩子對小車左右兩邊的拉力相等。
圖3
(2)設(shè)計認知沖突促進思考,建構(gòu)知識
通過引導(dǎo)學(xué)生對小車進行受力分析,說明在一定條件下,物體即使在受到外力作用的時候也能保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運動狀態(tài)。然后回顧牛頓第一定律,似乎這與一切物體在沒有受到外力作用的時候,總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)有矛盾。由此引發(fā)了學(xué)生的認知沖突和深入思考。
圖4
通過對平衡狀態(tài)的認知,教師進一步引導(dǎo)學(xué)生通過實驗設(shè)計,改變物體受到的兩個力的三要素,探究需要什么樣的條件才能滿足二力平衡。利用如圖4 所示裝置,讓學(xué)生學(xué)會應(yīng)用控制變量等研究方法進行實驗,并基于證據(jù)進行思考,進而總結(jié)出“二力平衡必須滿足兩個力大小相等、方向相反,作用在同一直線上的條件”的結(jié)論,同時強調(diào)表達觀點的時候要有依據(jù)。
課后對此實驗教具又做了進一步的改進,如圖5所示。改進后的裝置除了可以探究在水平線上的二力平衡外,還可利用電路演示板的小孔快速、方便地將兩滑輪安裝在不同的高低差位置,實現(xiàn)了對不同方向的同一直線二力平衡問題的深入探究(圖6、7),板上畫的不同顏色的虛、實線便于學(xué)生對二力方向和鉤碼所處位置的觀察,使他們對二力平衡條件的理解更加深刻。
圖5
圖6
圖7
3.利用學(xué)生自主創(chuàng)新實驗,提升思維的品質(zhì)
探究實驗結(jié)束后,教師播放一學(xué)生自主創(chuàng)新實驗的過程視頻,他給瓶中注入不同量的水時,桌面上的小車交替呈現(xiàn)“變速運動”“勻速運動”“靜止”等狀態(tài),最后學(xué)生驚奇地發(fā)現(xiàn)“在兩個礦泉水瓶內(nèi)注入質(zhì)量不等的水,小車也能停下來(圖8、9)”。這與大部分學(xué)生的所想不同,究竟是怎么回事?實驗把學(xué)生引入了摩擦力作用的情境,引發(fā)學(xué)生對系統(tǒng)的全局思考。進一步分析繩子除了受到礦泉水瓶對它的拉力外,還受到摩擦力,引導(dǎo)學(xué)生從力的作用效果出發(fā)對問題簡化,先將同一方向的二力合成,然后再比較合成后不同方向的新二力,當(dāng)整個系統(tǒng)受到的合力為0 時,小車就處于靜止?fàn)顟B(tài),進而教師提出對實驗進一步改進和優(yōu)化,培養(yǎng)學(xué)生深入尋找與分析隱性因素的能力,也為高中的共點力的平衡打下了良好的基礎(chǔ)。學(xué)生通過分析和綜合,由具體問題走向了系統(tǒng)思考,提升了思維的深刻性和全面性,同時也培養(yǎng)了創(chuàng)新意識、審辯思維和創(chuàng)新思維,提升了解決問題的能力。
圖8
圖9
4.溯源和聯(lián)想,實現(xiàn)應(yīng)用遷移
在真實的情境中解決復(fù)雜問題時核心素養(yǎng)才能表現(xiàn)出來,因此應(yīng)用遷移有兩個方面:
一是將所學(xué)的知識與方法應(yīng)用遷移到實際情境中去,應(yīng)用遷移到其他領(lǐng)域,解決實際問題[5]。如在這個環(huán)節(jié),教師引導(dǎo)學(xué)生回溯第六章第四節(jié)“探究物重與物體質(zhì)量的關(guān)系”和第五節(jié)“探究摩擦力大小的影響因素”兩實驗,分析其原理,說明二力平衡條件的應(yīng)用,再通過起重機吊貨物的工程應(yīng)用的不同情況(靜止、勻速、變速等)進行受力分析,進一步理解力與運動的關(guān)系,區(qū)分平衡力與相互作用力,解決實際問題。
二是將學(xué)習(xí)過程中形成的科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神以及一些行為規(guī)范和價值觀,以不同形式遷移到日常生活中,實現(xiàn)能力、態(tài)度和方法的遷移。如,我們以擊破“NASA立掃把挑戰(zhàn)”所言“唯一一天可以讓掃把獨自站立的日子”出發(fā),以實驗說明只要找準重心,利用二力平衡條件,每天都可以把掃把立起來,不僅可以立掃把,也可以立剪刀、椅子、石頭,還可以立人……等等,培養(yǎng)學(xué)生對事物的認識和判斷要養(yǎng)成基于證據(jù)的習(xí)慣,不隨意聽信謠言,掌握了平衡,可以創(chuàng)造和諧之美。同時以福建東山的風(fēng)動石、央視節(jié)目《挑戰(zhàn)不可能》的“測繪工程師在4米高的懸空畫框上立約2000N的摩托車”為例,來說明自然界與人創(chuàng)造的“平衡的力量”。
5.畫龍點睛之悟理,以情致知,以文化人
課的尾聲,教師展示68 歲的汪留成老人疊加32根木條圖片,說明人可以活到老、學(xué)到老、做到老,形成終身學(xué)習(xí)的意識。最后讓學(xué)生欣賞一小段《平衡之美》視頻[6],當(dāng)表演者小心翼翼搭建出一個棕櫚枝“棚”,并用最后一根枝條撐起棕櫚枝“棚”,整個結(jié)構(gòu)穩(wěn)穩(wěn)地矗立在舞臺上,羽毛也始終輕盈地“躺”在第一根枝條末梢,觀眾屏住了呼吸,驚嘆不已,平衡之美顯出神奇的力量??墒?,當(dāng)表演者輕輕地抽走那羽毛(圖10),整個棕櫚枝“棚”瞬間崩塌。這段視頻生動地說明了物理學(xué)平衡系統(tǒng)的生成與解體,同時教師借此引導(dǎo)學(xué)生“悟理”,其實每個人都有如那根羽毛,雖很輕、很小,但潛能很大,且都是社會的一分子,每個人做好自己就是對社會的一大貢獻,否則“一旦雪崩來臨,每個人都逃脫不了,都是罪惡的推手”。人生平衡、生態(tài)平衡莫不如此。這樣,在視覺和認知上都達成了“觸及學(xué)生心靈”的效果,將科學(xué)教育與人文教育有機地融合一體,實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)最終是培養(yǎng)人的目標。
圖10
課后的實踐作業(yè),再次將科學(xué)探究和實踐與我國民俗文化結(jié)合起來。結(jié)合隨后到來的春分節(jié)氣,讓學(xué)生完成實踐作業(yè):“春分豎蛋”的民俗起源于4000 年前的中國,人們以此來慶賀春天的到來。請你也動手試試。怎么立蛋容易成功?知道其中的原理嗎?是生雞蛋容易立起來還是熟雞蛋容易立起來?或者再嘗試一下你還能把什么東西立起來。
作為深度學(xué)習(xí)的積極實踐者,我們深刻認識到“以學(xué)生為中心”核心的意義是以學(xué)生的“發(fā)展”為中心。這就是說,課堂上的學(xué)生活動必須能夠引導(dǎo)學(xué)生進入“獲得發(fā)展的有意義的學(xué)習(xí)過程”“在這個過程中,學(xué)生掌握學(xué)科的核心知識,理解學(xué)習(xí)的過程,把握學(xué)科的本質(zhì)及思想方法,形成積極的內(nèi)在學(xué)習(xí)動機、高級的社會情感、積極的態(tài)度、正確的價值觀”[2]??梢源_定的一點是,“動手”“思維”“思考”是把物理學(xué)習(xí)引向深度的關(guān)鍵,因此,認識需要深化梳理,實踐需要主動推進,感悟需要精細總結(jié),行穩(wěn)致遠,方可讓“深度學(xué)習(xí)”成為教學(xué)常態(tài)。