指向深度學習的物理校本實驗

邱曉峰

摘? ?要：高中學生進行物理學科學習時還保留了許多初中學習的痕跡，思維不夠深入，認知和思考停留在淺層，這一現象使得學生普遍感覺高中物理學習難度大，失去學習興趣。本文闡述了教師如何在高中物理校本課程中，利用DIS數據信息采集系統改造或設計一系列的校本實驗，使得學生在校本實驗的操作中，解釋實驗現象，分析實驗數據的過程中逐步提升思維層次，優化學習方式，走向深度學習，以適應21世紀對人才具備的能力要求。

關鍵詞：DIS數據采集;深度學習;實驗方案改進;教學策略

課程改革以來教學課堂較之以往多了更多的"自主，合作，探究”的過程，但由于很多教師對這種學習模式的內涵、實施策略的理解并不到位，使得初中很多的物理課堂演變成為表面形式的合作與探究。學生和教師往往熱衷于對各種現代化工具的使用，淺層次的對話，而在學科學習過程中要深度學習的核心問題，依舊停留在了解與記憶的層次上，這種方式僅僅只是豐富了學生學習知識的過程，而并沒有讓學生真正的理解內涵，踐行價值觀。加之初中的考試對解決問題能力考察的不足，使得學生經過初中兩年的物理學習形成了一種固化的學習模式，即對物理知識的學習僅限于了解現象，而定量計算分析能力較差。

高中物理與初中物理的學習差異巨大，其中之一就是學習任務要求從初中的定性分析轉變為定量分析，從之前的解釋現象轉變為解釋并且預測現象，這就要求學生對其學習的內容要進行深度學習。能夠對知識進行簡單的描述，同時只停留在學習認知領域中的“知道、理解”層次，即屬于淺層學習階段;而對知識的實際應用，利用所學知識能夠解決具體問題，并且能加以創新或者改進則屬于深度學習，深度學習更加注重知識的應用和問題的解決[ 1 ]。因此學生初入高中學習時，普遍反映物理學科學習跨度大，而導致學習信心不足，學習興趣下降。此時需要教師優化學生的學習方式，提升學生學習的層次由“淺”入“深”，由記憶轉向實際應用。優化學生學習方式的教學措施應該是全方位地滲透進學生學習全過程中，包括教師課堂教學方式的改變，課后習題的設置，考察方式的側重等。本文通過若干個教學案例介紹了如何在校本課程中，通過數據信息采集系統（DIS）數據化學習任務促使學生深度學習。

1? 從基于習題訓練到面對實際問題解決

在眾多的物理試題中，其實蘊藏著很多的可以轉變成小實驗的物理模型，利用DIS改造并重現這些實驗，不僅可以讓學生理解物理模型，更讓他們在實踐操作中培養分析問題、應用知識解決問題的能力，從而提升學習的深度。下面介紹一個改造試題變為DIS實驗的實例：為了研究人們用繩索跨越山谷過程中繩索拉力的變化規律，同學們設計了如圖1所示的實驗裝置，他們將不可伸長輕繩通過測力計（不計質量及長度）固定在相距為D的兩立柱上，固定點分別為P和Q，P低于Q，繩長為L（L>PQ），他們首先在繩上距離P點10cm處（標記為C）系上質量為m的重物（不滑動），由測力計讀出繩PC、QC處的拉力大小TP和TQ。隨后，改變重物懸掛點C的位置，每次將P到C點的距離增大10cm，并讀出測力計的示數，最后得到TP和TQ與繩長PC的關系曲線如圖2所示，由實驗可知：

如圖3繩子總長L（約130cm）一定，兩固定點距離L0（約100cm）一定的前提條件下，測量鉤碼（50-100g）掛在距離A點x距離P點時，AP繩子受到的拉力F1，BP繩子受到的拉力F2，改變P點位置，測出不同x值下兩繩拉力，通過F-x坐標，找到兩拉力隨x的變化規律，通過DIS系統采集實驗數據，用Execl表格處理數據，畫出F-x圖象。由于有了數據量化任務的要求，學生在實驗過程中不再只是流于表面，數據化提升了學生的學習層次和深度，并大大改善了實驗環境。圖4為學生根據實驗數據作出的圖象。

為了能夠解釋實驗中得到的圖象，學生必須自行嘗試用平行四邊形法則去解釋此物理模型，這個過程中就達到了深度學習的要求——通過解決一些具有挑戰性的學習任務，學生重新判斷和建構學科基本知識，提升分析問題解決問題的能力。

2? 從具體性知識學習到核心觀念建構

在電學實驗設計的教學中，教師或者參考書上經常告訴學生滑動變阻器分壓接法的適用條件之一是滑動變阻器的阻值遠小于待測電阻的阻值，因為此時如果用限流接法則調節范圍不夠明顯。事實是否如此，學生帶著此疑問用DIS系統做了如圖5實驗，待測電阻為Rx，滑動變阻器R1的最大阻值為R0，其滑片右側電阻值為R，待測電阻RX=nR0，實驗中得到如圖6的實驗圖象。

從圖象中學生可以看出當13? 從知識解析到促進認識轉變和發展

為了促進學生從“解題”向“解決問題”的轉變，需要教師開發一系列能夠轉變學生學習物理習慣的校本實驗，希望通過動手操作這些實驗，并理論解釋實驗結果以及誤差分析，促進學生認識的轉變和發展。

以下列舉幾個適合高一學生動手操作的校本實驗。

3.1? 研究下蹲、站起過程超重和失重情況

用手抓住傳感器，開啟傳感器先測出鉤碼重力，然后記錄下蹲過程每隔一定時間的拉力大小，重復以上步驟，改為站起過程。然后用Excel處理數據，研究超重失重過程。

3.2? 研究蹦極過程起始下落高度h與下落過程最大拉力F之間的關系

用力學傳感器測量砝碼下落過程最大拉力F，用刻度尺測量，砝碼從橡皮繩原長上方開始下落高度h。用F-h研究最大拉力與開始下落高度之間的關系（如圖7）。

3.3? 研究橡皮筋彈力與伸長量之間的關系

用力學傳感器測量橡皮筋彈力F，用刻度尺測量其伸長量x，用數據畫出F-x圖象，用圖象尋找它們之間的規律（如圖8）。

以上實驗都是教師開發出來的真實情景下的物理問題，這些開發能發掘出物理實驗在物理教學中的獨特功能，促使學生轉變以往淺層學習的學習方式，從理論走向實際，從知識學習轉向實際問題的解決，從知識解析到促進學生認知的轉變。

4? 結束語

在綜合了全世界200多名研究者的研究成果——《為21世紀培育教師提高學校領導力：來自世界的經驗》報告中指出：21世紀學生必須掌握的技能，其中一項就是決策和學習能力，教師在培養學生學習能力時應尤其重視用持續性的高階思維活動支持下的深度學習能力培養。在教育目標分類學的定義中，把“分析、綜合、評價和創造”這四種思維行為歸為高階思維[ 4 ]。這就要求教師在設計教學環節時，應關注學習者的認知水平，根據不同階段不同地域甚至是不同性別學生的認知發展的客觀規律，設置的問題、物理情景應有階梯過渡，讓學生能夠“跳一跳，夠得到”，在大部分學生的思維遇到困難時，教師還應有適當的引導，從而促使學生保持有高投入的學習狀態，達到高階思維能力培養的目標。

參考文獻：

[1]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 （11）：57-62.

[2]彭維珍. 2014年高考中的極限問題[J]. 物理通報， 2014（12）：98-100.

[3]陳柏良.建構深度學習的數學課堂[J]. 中學數學教學參考，2017 （11）：14-16.

[4]AndreasSchleich.為21世紀培育教師提高學校領導力：來自世界的經驗[M]. 北京：北京大學出版社，2012：35.