基于深度学习的高中物理PBL教学模式研究

侯语嫣，李德安

华南师范大学物理与电信工程学院，广州 510006

在新课改强调培育学生核心素养的背景下，深度学习理念、PBL模式与物理教学的融合成为研究热点，但缺乏对深度学习、PBL模式与物理教学的整合研究。深度学习与PBL教学模式相互兼容、相互作用，基于深度学习理念设计高中物理PBL教学模式，为物理教学提供一种参考范式，能够实现学生的深度学习，提高学生的问题解决、科学推理、迁移应用、批判思考的能力。

1 基于深度学习的PBL教学模式的内涵

1.1 深度学习的内涵

深度学习起源于计算机领域，后广泛应用于教育领域。而对于深度学习的内涵，国内外学者有以下几种观点：认知-生成说，深度理解说，理解-迁移说，体验学习说，三元学习说[1]。

综合几种观点来看，深度学习是一种基于知识理解的高水平的学习。在已整合的知识为基础上，学习者主动、批判地学习新知识，将它们融入原有认知结构中，并且用旧知识解决新情境下的问题[2-3]。深度学习目的在于发展高水平、高阶的思维的认知。与之对应，浅层学习的学习认知程度水平则比较低，只是简单单向地获取数据信息，不能深层获取与加工数据信息，对其理解更多停留在表面意义。浅层学习与深度学习在学习发展上有递进关系，浅层学习是深度学习的基础，深度学习是浅层学习的进阶和深化。与浅层学习不同，通过深度学习能获得高阶的知识、能力及智慧。但深度学习和浅层学习不是完全对立，深度学习并不等于否定浅层学习[1]。学习者需具备一定的浅层信息（如数据、事实、程序和定义）才能进行深度的更有意义的学习，二者的关系是递进的，如图1所示。

图1 浅层学习与深度学习的过程

与浅层学习相比，深度学习更强调信息整合、重视知识建构，更注重批判理解、问题解决、迁移运用等能力的形成，着力生成智慧。总而言之，深度学习着重学习的本质，强调学习的思维和认知的发展，力促知识本质的理解和对所学内容的批判性吸收，追求有效的学习迁移和真实问题的解决，属于基于高阶思维的有意义学习。

1.2 PBL教学模式的内涵

PBL模式起源于国外医学教育领域。20世纪80年代，美国研究型大学在高等教育改革中把培养创新人才作为教育目标。而后，PBL教学模式在美国大学中被广泛应用并取得一定成效。

PBL教学模式是基于问题的教学，即以问题为基础的教学模式。PBL教学模式以问题驱动学生，将真实、有意义、有联系的问题情境作为学生探索知识、发展能力的载体，学生以自主探究及共同协作的方式解决问题。在问题解决过程中，激发学生学习的能动性，使其掌握问题背后的科学知识，形成问题解决和自主学习的能力[4]。

1.3 基于深度学习的PBL教学模式的内涵

将深度学习与PBL教学进行对比，如表1所示。

表1 深度学习与PBL教学模式的对比

对比发现深度学习与PBL教学模式的各种教学元素，发现二者在许多方面有共同点、关联性强，可以相互兼容，并且有相互作用：应用PBL教学模式可促进学生的深度学习，反过来深度学习也能将PBL教学模式带入课堂。在教学特点、教学内容、教学方法和环节、学习方法及评价方式上，深度学习与PBL教学模式具有共通性。它们都通过提供真实问题情境，让学生自主思考、分析研究问题，进行小组合作，最后构建知识体系、培养自主学习能力和高阶思维。另一方面，由于PBL教学模式对深度学习有促进作用（从教学目的、教学意义出发，PBL教学模式契合深度学习理念），基于深度学习的理念设计PBL教学模式是很适切的方法，PBL教学模式的开发，能够实现学生深度学习，在真实情境中提高解决问题的能力[5-6]。

2 基于深度学习的PBL物理教学模型

在问题教学中会伴随有深度学习。在深度学习和PBL教学模式基础上，开发基于深度学习的PBL教学模式来辅助实际教学。根据问题教学的基本过程，将该教学模式分为六至七个阶段，每个阶段都对应相应的教学理念、教学环节及教学活动。

2.1 指向深度学习的PBL物理概念教学模型

表2为基于深度学习的PBL物理概念教学模型。

表2 基于深度学习的PBL物理概念教学模型

基于问题的研究步骤设计物理概念教学，可将概念教学分为创设问题、表征问题、研究问题、解决问题、交流问题和反思问题六个阶段，每阶段对应深度教学的相应教学环节的理念，再根据物理概念教学的特点设计教学环节和教学活动。首先，通过利用实验、生活实例等创设情境，提供有意义的正确前概念问题；其次，通过构建表征模型，重现学生的相关前概念，分析拆解所提问题；再次，在同化、顺应前概念的基础上设置与物理概念有关的体验活动，使学生感知概念的形成过程；接着，通过提供解决问题的思维方法引导学生应用物理概念解决问题；最后，组织小组讨论，辨析相关物理概念，提供与物理概念相关的正反例，以深化对物理概念的认识，掌握认识相关概念的联系和区别，理解概念的内涵与外延[1]。

2.2 指向深度学习的PBL物理规律教学模型

表3为基于深度学习的PBL物理规律教学模型。

表3 基于深度学习的PBL物理规律教学模型

基于问题的研究步骤设计物理规律教学，同样将规律教学分为六个阶段和对应深度教学环节的理念，然后依据物理规律教学的特点设计教学环节、教学活动。首先，通过实验、逻辑推理等创设“两难”情境，激发学生的认知冲突；其次，引导学生找出问题涉及的物理概念或物理现象以显化问题的要素；再次，设置与规律建立相关的探究实验或体验活动，还原规律的建立过程；接着，通过渗透学习规律的科学方法和解决问题的思维方法内化物理规律，理解有关物理概念间的必然联系，应用其解释所提问题；最后，组织小组讨论，辨析相关物理概念及规律的联系、引导学生反思规律建立的过程，得出物理规律与相关概念及规律间的关联，知悉物理规律的近似性和局限性[1]。

2.3 指向深度学习的PBL物理实验教学模型

表4为基于深度学习的PBL物理实验教学模型。

表4 基于深度学习的PBL物理实验教学模型

物理实验是开展科学探究最主要的一种方式。根据实验探究的基本步骤结合PBL教学设计实验教学模型。科学实验的7个探究步骤为提出问题、猜想假设、设计实验、进行实验、分析论证、得出结论、交流评估。因此，将PBL教学阶段划分为创设问题、表征问题、研究问题、分析问题、解释问题、交流问题、反思问题7个阶段，与实验流程一一对应，再根据深度学习设计适配的教学理念，补充教学环节和教学活动，完成基于深度学习的PBL物理实验教学模型建构（表4），以培养学生的科学思维，发展科学探究能力。

3 基于深度学习的PBL物理教学策略

3.1 问题搭桥策略，深度导入问题

搭桥类比策略是一种能有效促进学生概念转化的教学策略。搭桥类比策略以学生的参照情境为基础，通过提供一系列渐进式的桥接问题，来扩展学生正确的直觉判断，以解决困难情境的目标问题。物理教学中运用问题搭桥策略进行提问，有利于学生物理观念的形成与知识的意义建构，教师以问题搭桥引导学生探寻解决问题的方向，而不是一味地把答案呈现给学生[7]。

案例1楞次定律——研究感应磁场的方向和原磁通量变化之间的定性关系，教师将磁铁的两极分别靠近载有线圈的小车。提问：当N极靠近线圈时，线圈中磁通量是增加还是减少？由同性相斥可知感应磁场和原磁场方向相同还是相反？感应磁场此时会阻碍线圈中磁通量的？（增加／减少）

这个案例的实质是应用问题搭桥策略突破教学难点（图2）。教师采用提问的方式，用问题引发学生的学习需求，引导全体学生进行思考，在接下来的讲解中就变传统的灌输式的讲解教学为探讨性的引导和帮助，使课堂教学气氛更融洽自由[8]。通过系列问题搭桥形成问题串，由易到难、由浅入深、由简入繁，对楞次定律的形成过程进行方法总结。这与维果茨基的最近发展区理论相契合，即教学应走在发展前面，教师应引导学生一步一步建立物理概念和物理规律，逐步形成高阶思维。

图2 应用问题搭桥策略研究感应磁场与原磁场间的定性关系

3.2 实验探究策略，深入研究问题

实验探究策略是通过具体情境引导学生积极自主地开展实验，探索物理现象产生的原因，从而解决问题疑惑的过程。从故事情境出发，利用学生的认知内驱力，使探究实验成为学生的内在需求。根据问题开展探究实验，不仅创设了轻松有趣的学习氛围，而且能令学生体会到学习物理的现实意义，使物理知识的作用鲜活生动起来。

案例2共振——探究受迫振动振幅与驱动力频率的关系。

此案例探究受迫振动的振幅与驱动力频率之间的关系（共振现象），学生已经学习过自由振动和受迫振动，知道受迫振动的频率由驱动力频率决定，但不清楚受迫振动振幅与驱动力频率的关系。

教师放映动图，将小猪放在桌面的小方块上，小鸟悬挂到与小猪等高的高度，扇动小鸟，小鸟摆动但是无法将小猪撞倒。怎么用力扇，发现小鸟都撞不倒小猪？提问：怎样通过扇扇子让小鸟撞倒小猪呢？接着引导学生回顾受迫振动，猜想小猪的状态、受迫振动的振幅（剧烈程度）与扇动频率有关。随后组织学生分组实验，分别探究扇动频率小于、等于、大于小鸟原振动频率（固有频率）时小猪是否被撞倒。

教师设置的“愤怒的小鸟”实验情境既能激发兴趣，又引人深思，学生既不完全陌生，又不完全理解，教师利用这一情境引出探究实验的主题。学生在应用原有的知识进行分析问题时遇到困难，要彻底解决问题就需要在旧知识的基础上进行实验探究新知识点——受迫振动振幅与驱动力频率的关系。而这位教师能把握时机，应用逻辑发展的特点，启发学生思维，引导学生以实验来探究问题——小猪的状态与扇动频率的关系，亦即受迫振动振幅与驱动力频率的关系。可见，教师设置探究任务，不但能激发学生的学习动机、实现课堂主题的自然呈现，而且可以发展学生的科学探究思维和问题解决能力，有一举多得的教学效果。

3.3 认知诊断策略，深化评估问题

认知诊断就是将认知理论和心理测量模型结合起来，应用心理计量模型对被测者的认知优势、劣势进行分析诊断。简单来说，就是将题目涉及到的知识点、思维过程转化为问题测量模型，获得被试者对知识的掌握情况和思维的发展情况。根据认知诊断策略有针对性地检测学生所遇障碍，来确定学生是否遇到学习障碍，遇到什么样的障碍，以达到深入理解物理概念和物理规律的目的。

案例3点电荷——反思库仑定律的近似性和局限性（图3）。

图3 应用认知诊断策略反思库仑定律的局限性

库仑定律的适用范围是：只对真空中的点电荷成立，电荷不是点电荷时，若r远大于电荷的尺度，公式仍然适用。若教学只及于此，学生的认知是机械片面的，实际问题中也只会代公式，不能实现深度学习。为解决这一问题，提出问题：两电荷间的距离r→0时，库仑力多大？根据，当两电荷间的距离r→0时，F库=∞，此时库仑力无穷大。但r→0时，F库不应为无穷大，这与实际不相符。引导学生进行认知诊断分析，为什么会存在矛盾？此时库仑定律仍然适用吗？经过反思诊断得到：库仑定律的成立条件是电荷为真空中的点电荷，而r→0时，电荷本身的形状大小与距离r相比较大，已经不能忽略了，此时点电荷模型不再适用[8]。

以问题形式测试学生，然后结合实际情况分析，进行认知诊断，在矛盾中找出思维障碍及存在障碍的原因，在过程中学生对于点电荷有了更深刻的认识，实现了概念的外延。采用认知诊断策略，学生获得的不仅是结论，更是深刻的思维方法，体会物理规律之美，对于科学思维、科学态度也产生深刻理解，形成对深度学习和PBL教学模式的实际体会[9]。

4 结语

基于深度学习PBL物理教学模式，给物理概念、物理规律、物理实验教学提供详细的教学模型、教学策略及教学案例参考。指向深度学习PBL物理教学模式对学生深度学习、教师深入教学具有借鉴意义，这种以问题为线索、根据问题的处理解决阶段来确定教学环节和教学活动的模式，有助于学生知识的意义建构、思维的高阶提升、能力的向上发展、智慧的积累形成。教师从知识的传授者转为知识建构和多维能力培养的引导者和辅助者，实现课堂教学的深层变革，为学生科学推理、问题解决、迁移应用、质疑创新等高阶思维的培养创设一种行之有效的方案模式。