基于深度學習的初中物理實驗教學策略初探

李雅芬，鄭衛峰

[摘 要] 從深度學習概念內涵的發展出發，依據深度學習能力的分類，結合實際教學案例提出促進深度學習的初中物理實驗教學策略：教學聯系真實世界，還原探究過程，建立積極的學習共同體，建立學科聯系，學會學習，掌握學科核心知識，發展批判性思維、有效合作溝通、學會學習、學會毅力等，促進深度學習。

[關 鍵 詞] 深度學習；物理實驗；教學策略

[中圖分類號] G612 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）10-0160-03

在信息技術日新月異的今天，終身學習和深度學習是社會每個成員為適應社會發展和個體發展的需要。因此，如何進行深度學習和培養學生深度學習的能力，將成為未來教育改革發展的重要課題之一[1]。在基礎教育階段深度學習通常指在理解的基礎上對新知識進行內化。物理學科作為一門研究物質運動最一般規律和物質基本結構的學科，是其他各自然科學學科的研究基礎，因此物理學也是一門帶有方法論性質的科學。由于物理學科的這些特點使物理學科在培養中學生深度學習能力上有著特殊的作用。因此現今的物理課堂不能局限于陳述事實，教師也不應該僅僅做知識的傳播者，而是應該引導學生將知識內化和吸收，并在理解的基礎上深度學習。

那么在物理實驗教學中如何促進初中學生深度學習？本文從深度學習的概念出發，開展基于深度學習的初中物理實驗策略的初步研究。

一、深度學習的概念

深度學習的概念和內涵一直在不斷發展變化，國內外學者從不同視角對深度學習進行研究，對其概念的界定也不盡相同。20世紀50年代，美國學者Ference Marton和Roger Saljoa率先開始對深度學習進行實驗研究，于1976年發表的《學習的本質區別：結果與過程》一文中，首次提出深度學習和淺層學習兩個相對概念[2]。此后，Biggs和Collis、Ramsden、Entwistle等學者發展了相關理論。早期，深度學習的研究主要側重學習方式，認為深度學習是相對于淺層學習的方式。國內學者對深度學習的研究起步比較晚，2005年，何玲、黎加厚首先介紹了深度學習的概念，認為深度學習是在理解的基礎上，批判地學習，將新知識融入原有的認知結構中，將已有的知識遷移到新的情境中，作出決策和解決問題的學習[3]。

隨著研究的發展，研究者從關注深度學習的方式過渡到關注深度學習發生的過程和學習結果。美國國家研究委員會于2012年出版了《Education for life and work： Developing transferable knowledge and skills in the 21st century》，在該書中提出，深度學習是個體將學習的知識從一種情境應用到另一種新的情境的過程，即遷移。同時該書將深度學習能力分類，分成三個維度，即，認知領域、人際領域和個人領域[4]。在文獻研究和廣泛征求專家意見的基礎上，William and Flora Hewlett基金會支持下的深度學習研究項目提出，深度學習是學生勝任21世紀工作和公民生活必須具備的能力，這項能力可以讓學生靈活地掌握和理解學科知識以及應用這些知識去解決課堂和未來工作中的問題，主要包括掌握核心學科知識、批判性思維和復雜問題解決、團隊協作、有效溝通、學會學習、學會毅力六個維度的基本能力[5]。

卜彩麗、馮曉曉、張寶輝從深度學習的概念、策略、效果和啟示上對美國深度學習項目進行了解讀與分析，提出在深度學習能力框架中，學生認知領域的能力包括掌握核心學科知識和批判性思維與復雜問題解決能力；人際能力包括團隊協作、有效溝通能力；個人能力由學會學習、學習毅力兩個關鍵能力組成[6]。

二、基于深度學習的初中物理實驗教學策略

根據William and Flora Hewlett基金會支持下的深度學習研究項目對深度學習的研究，學生深度學習能力的提升，可以通過設計或重新設計學校的教學策略、教學結果、學校文化達到目的，深度學習的策略和途徑分為兩個：一是重塑課堂教學設計，明確教學目標、課程開發、課堂教學、教學評價；二是變革學校結構，課時上靈活安排、開設咨詢課、支持個性化發展的學校文化。因此以培養深度學習的能力為出發點，針對初中物理實驗教學提出以下策略。

（一）認知領域能力層面培養策略

1.教學要聯系真實世界，幫助掌握核心學科知識

奧蘇泊爾說，只有學生親身經歷、感受的東西才能真正理解和掌握。因此，在物理教學中，教師要設置合理的情境，提出合理的問題。設置的情境越貼近學生生活、越真實，學生的求知欲望，學習動機就越強烈。

例如，在滬科版九年級第十四章第二節“讓電燈發光”教學中，教學內容上對短路進行定義并陳述了短路的危害。若只有簡單的陳述定義，學生只是知道一個新的概念，對短路的認識止于淺層學習上，僅僅停留在“知道和領會”，并沒有對新知識有認同感。教材上寫，短路在生活中，輕則用電器不能工作，重則會引起火災，僅僅描述它的危害沒有幫助學生更好地掌握新知識，更沒有到達應用、分析、評價及創造的層次。究竟什么是短路，短路能造成哪些危害，教學上還是要從日常生活的短路現象來入手，激發學生學習興趣。為此實踐中利用如下的器材：兩節干電池，導線，口香糖包裝錫紙，取錫紙大小比電池稍大一些，中間部分剪小（如圖1所示），進行實驗。

實驗過程如下：（1）學生用手抓住錫紙，直接將電池正負兩極連接（如圖2），此時電源短路，很快會覺得燙手，松開電池。（2）將剪好的錫紙連在導線之間，和電池構成回路，形成短路電路，很快會觀察到錫紙燃燒的現象。（如圖3）教學中實驗現象明顯，學生可以非常直觀地感受到、看到短路造成的危害。網絡上有視頻教大家在野外利用電池和錫紙來點火，但這樣用完之后，電池可能壞了，不能再進行使用，操作的時候也要注意安全，避免發生火災，教導學生注意安全。

教師一定要根據學習內容的特點、教學目標的要求、學生思維的發展狀況適時創設能夠促進深度學習的課堂情境，并引導學生積極體驗，最終達到將所學知識與情境建立聯系并實現遷移的目的[7]。在真實情境中，學生積極參與實踐，主動對新知識作出理解和判斷，對學習情境有了更深入的理解，掌握了情境中的關鍵要素，更容易建立清晰的物理概念。在相似的情境中，分析判斷差異并將原則思路遷移運用，也就能夠舉一反三，發展了核心素養，達到了深度學習的目的。

2.還原探究過程，發展批判性思維能力的策略

深度學習的重點在于關注學生的學習過程，提升學生的綜合素養。在一些實驗探究過程中，教師提前給定了實驗步驟，并對一些實驗細節提出要求，而某些要求提前呈現了本應該在后續環節出現的物理問題，進行跳躍式的引導，反而導致學生產生更多的困惑。如果教學中先給定了實驗步驟，那么整個實驗也就失去了探究的意義。學生給出的數據，只是在迎合課本的結論。在所謂探究實驗的過程當中，只經歷了體驗，并沒有通過實驗對知識有更深刻的認識。

如在探究動能的大小跟哪些因素有關的實驗中，將木塊放在水平面上，鋼球由靜止開始沿斜面向下運動，比較木塊分別被不同高度處滾下的同一鋼球撞擊后運動的距離。在實驗中，如果直接給定實驗步驟，學生在老師直接闡述下明確小木塊在該實驗的作用，觀察小球從不同高度下滑。這樣的實驗過程，沒有經歷質疑、探究，學生往往對小球從不同高度滾下的作用認識不明確，以為動能與高度有關。為了探究動能究竟和哪些因素有關。首先，我們要如何讓小球動起來？除了小球我們需要哪些輔助器材？學生回答用手推，用繩子拉，斜面輔助，教師根據幾種方案演示，學生發現用手推或者繩子拉不好控制，每次實驗小球的運動并不一致，也就是無法得到相同的速度，也不好客觀地比較速度大小。在這個基礎上，教師引導學生說出選擇斜面的好處，回憶在學習牛頓第一定律的實驗，運用斜面，使滑塊從斜面的頂端或者同一位置下滑，到水平面的具有相同的初速度。因此，在探究動能的影響因素實驗中，實驗器材要包含斜面。那么，小球從不同高度靜止下滑，到達水平面時會有不同的初速度。接著引導學生思考動能大小又該靠什么來比較。學生討論出靠觀察木塊被推動的距離來體現動能大小。在本實驗教學案例中學生經歷真實的探究過程，并不是從結論出發，而是從實驗目的出發層層遞進。教學中，從獲得動能，到比較動能的大小，每一個步驟的設計、需要的器材，以及其間所要注意的細節恰恰反應了探究的精髓。科學家也是在這樣的分析中不斷質疑實驗方案，開始改進方法，得到正確的結論。

學生經歷的并不是隨意的感受，而是理性的探索。在平時教學中，教師要充分研究學生，從問題出發，歡迎學生質疑，逐個解決疑問，真正經歷探究過程。學生在批判中建構知識，并不停留在記憶、理解的層面，而是將分析、評價、創造作為教學的重點關注對象，這樣才符合深度學習。

（二）人際領域能力培養策略

人際領域能力的培養可通過拓展訓練，創建積極的學習共同體，加強團隊協作，促進有效溝通等。為此根據教材的安排，進行一定的拓展，將日常生活中與其相關的物理現象作為實驗內容。在研究過程中，學生進一步發散思考，將已經掌握的知識、科學方法遷移到新的情境中，在探索中得到提升綜合素養。壓強是初中物理的重要知識點，經過一個單元的學習，學生已經知道壓強與壓力、受力面積的關系，在此基礎上可以進行拓展[8]。比如，研究形狀與承重能力的關系，研究橋梁結構。

實驗探究過程（如圖4所示）是利用紙條和橡皮擦來研究不同形狀的承重能力。當紙條平放時，承受力的能力比較差，如圖4（1），而拱形、L形、鋸齒形承重能力都不錯，如圖4（2）（3）（4）。因為這些形狀能夠把壓力分散到不同部分，所以拱形、L形、鋸齒形承重能力也就增加了。我們生活中的L型支架，包裝箱的瓦楞紙都跟這個有關。在此基礎上，繼續開展活動，以4人小組為單位，用一張A4紙制作紙橋模型，舉行承重比賽。在這樣的拓展活動中，學生自己制作模型，物理知識、數學能力都能在其中展現出來。課堂提供給學生展示、交流的機會，學生發揮創造性，按照自己的設計方案、動手實踐并改良。拓展活動可能不會在考試中有所體現，但在真實的情境探究過程中，學生積極參與。在改良過程中，為了解決難題，學生要去努力掌握其他復雜的概念，再利用某些原理改進模型，學以致用，及時得到評價的方式能夠促進學生對先前知識的總結，并能對新知識報以熱忱。

（三）個人領域能力培養策略

個人領域能力在深度學習中主要指建立學科聯系，在探究過程中學會學習、學習毅力等能力。在教學中，教師應該注意學科滲透，培養整體的科學觀，關心科技發展。跨學科的內容不僅僅考查學生對單科知識的掌握程度，還能考查學生綜合應用知識解決問題的能力以及創新能力。所以，教師要在日常教學中，重視方法和思維方式的培養，注重知識的滲透與融合，引導學生不斷用物理學視角來解讀真實情境。

以“探究空氣的浮力”為例，在初三復習浮力單元的部分，大多數練習都是圍繞物體在液體中的受力情況分析，久而久之，學生往往會忽視大氣對物體的浮力的存在。

為了讓學生探究空氣浮力的影響，設計了如下的實驗過程如圖5所示。

錐形燒瓶內放適量的鹽酸，氣球裝有適量的石灰石，將氣球牢牢套在錐形燒瓶口。調節天平平衡后，將氣球內部的石灰石緩緩倒入燒瓶內，鹽酸和石灰石發生反應，產生大量的二氧化碳氣體，氣球體積迅速變大，觀察到天平向右傾斜，左端上升。氣球體積膨脹，是因為燒瓶內產生了化學反應，但根據質量守恒，左盤燒瓶內的質量并沒有發生變化，氣球也沒有漏氣。那么，在天平左右兩盤質量不變的情況下，是什么導致天平左端上升，學生展開討論。

教師引導學生分析總結，這是由于空氣浮力造成的。當氣球體積增大，排開空氣的體積變大，根據浮力公式，空氣對氣球豎直向上的力就變大，此時氣球和燒瓶這個整體對天平左盤的力會變小，所以天平左端會上升。本實驗涉及化學反應，理論上遵循質量守恒。但是用這種方法實驗，天平沒有保持平衡，這個現象制造了認知上的沖突。學生在分析過程中，學會用思辨的眼光來看待問題。通過進一步的思考，學生用浮力的知識來解釋實際現象。

三、結語

通過物理教學與深度學習的融合，不僅能促進學生整合知識結構，還有利于知識的提取、遷移和應用。知識本來就不應該是獨立、零散、碎片式的，學生在面對新問題、新情境的時候要學會提取出相關的知識，運用科學方法來分析，學會用物理的視角觀察，就會發現物理本身就源于生活。

在物理實驗教學過程中，教師既擔當了傳播自然科學知識的責任，又能比較好地調動學生學習的興趣，動機，培養正確的價值觀。教師始終要幫助學生對不同的價值歷程進行批判性分析，使學生獨立評估及判斷實踐的結果，拒絕負面價值觀[9]。在具體實驗教學策略方面，教師可遵循物理學科的發展史，課堂聯系真實世界，引導學生體驗探究的過程，從事實出發，用批判的眼光看問題，探究實驗現象背后的科學道理，引導學生在學習過程中提取知識，進行有效溝通，表達自我，將不同的知識聯系起來應用于生活。本文提出的上述實驗教學策略，旨在培養學習者的深度學習能力，幫助學生學會批判地看待問題，靈活掌握和理解學科知識，遇到問題能運用所學，真正將知識內化為自身的素養。從而，掌握學科核心知識，發展批判性思維、有效合作溝通、學會學習、學會毅力等，培養深度學習能力。

參考文獻：

[1]張浩，吳秀娟，王靜.深度學習的目標與評價體系構建[J].中國電化教育，2014（7）：51-55.

[2]Marton F， Slj R. On qualitative differences in learning： I-Outcome and process[J].British Journal of Educational Psychology，1976，46（1）：4-11.

[3]何玲，黎加厚.促進學生深度學習[J].計算機教與學，2005（5）：29-30.

[4]National Research Council. Education for life and work： Developing transferable knowledge and skills in the 21st century[M]. Washington， DC： National Academies Press，2012.

[5]William and Flora Hewlett Foundation.Deeper learning strategic plan summary education program[R].Menlo Park：William and Flora Hewlett Foundation，2012.

[6]卜彩麗，馮曉曉，張寶輝.深度學習的概念、策略、效果及其啟示：美國深度學習項目（SDL）的解讀與分析[J].遠程教育雜志，2016，34（5）：75-82.

[7]安富海.促進深度學習的課堂教學策略研究[J].課程·教材·教法，2014，34（11）：57-62.

[8]陳蒼鵬.例析初中物理微實驗設計創新幾個方法[J].物理教師，2017，38（4）：34-37.

[9]張詩雅.深度學習中的價值觀培養：理念、模式與實踐[J].課程·教材·教法，2017，37（2）：67-73.