指向深度學習的“高見度”實驗教學策略

黃建林

摘要：分析物理實驗教學存在的問題，以小孔成像實驗為例，提出了指向深度學習的“高見度”實驗教學的七種策略：“真實情境”引發深度思考、“模型建構”導向深度研究、“認知沖突”進行深度投入、“設計評價”進行深度學習、“創新實驗”促使深度進階、“多重對比”達成深度理解、“疑難問題”延向深度探究，以此來促進深度學習，提高實驗教學效率。

關鍵詞：深度學習? 高見度? 實驗教學? 小孔成像

深度學習（Deep Learning），又叫深層學習。它是指在理解的基礎上，批判性地學習新知識和思想，并將新知識和思想融入已有的認知結構中，建立聯系并能遷移到新情境中，作為決策和解決問題的一種學習方式[1]。它注重對知識學習的批判性理解，強調新舊知識間的有機整合，面向的是真實問題的解決，關注學習和自我認知的反思[2]。因此，它是一種以高階思維為主導的學習過程，以核心素養為指向的學習方式。但在現階段的物理實驗教學中常碰到教師教得淺層、學生學得無奈、理得不深等問題。筆者經過實踐研究，提出了以小孔成像為例的七種實驗教學策略，以此來促進深度學習。

一、“真實情境”引發深度思考

深度學習面向的是真實情境下的問題解決。在實驗教學的導課中，努力做到知識問題化，問題情境化，情境生活化。

教師設置一個生活化情境：呈現一張樹下的光斑，讓學生針對現象提問題。他們提出了以下幾個問題：樹下的光斑是什么形狀？它的形狀跟什么因素有關？光斑是怎么來的？

設計意圖：通過生活化情境引發深度思考，為后續深度學習打下基礎，通過現象提問題，培養學生針對現象提問題的能力。

二、“模型建構”導向深度研究

《普通高中物理課程標準（2017版）》中指出：模型建構是科學思維素養之一，它是物理學習的一種重要思維方式。在針對復雜問題或生活情境的教學過程中，教師要積極引導學生把生活化問題轉化為物理問題，通過建構模型解決實際問題。

要研究光斑，主要因素有什么？學生答：太陽光、樹孔、地面。如果用桌上的器材，可以怎么模擬實驗？答：太陽光、紙孔和白紙（光屏）。如果在室內，可以用什么代替太陽光？答：蠟燭。這樣研究光斑的模型建構完成，變成了蠟燭、紙孔和光屏了。

設計意圖：通過光斑現象提出的問題，轉化成物理問題，然后引導學生用建構模型來解決物理問題，使問題簡約化、形象化。

三、“認知沖突”進行深度投入

深度學習的一大特征是“高投入”。如何讓學生“高投入”建構知識，最好的辦法是基于生活經驗，提出猜想，暴露前概念，然后引發認知沖突。

點燃蠟燭，讓學生觀察光屏上有一個明亮的光斑。問：把大孔改成小孔，將看到什么現象？理由是什么？回答有以下幾種：一個暗點的光斑、一個暗點的蠟燭像（正立的）、半部分蠟燭像等。理由分別是：進光量變少，要暗點。大孔看到大光斑，小孔看到小光斑。因為通過門縫、手指縫等小孔看景物時，看到正立的景物。通過小孔的光只有部分，看到的像也是部分。但當教師把大孔改成小孔時，看到的卻是倒立的完整的蠟燭像。

設計意圖：通過蠟燭、孔和屏位置的擺放，為后續實驗設計埋下伏筆。通過設問成像特點，暴露學生前概念。通過大小孔成像對比，引發學生的認知沖突，為后續實驗裝置的設計和深度學習的進階打下基礎。

四、“設計評價”進行深度學習

深度學習的一大特征是聚焦高階思維。高階思維包括：設計、評價和創造。設計是探究實驗的重要組成部分，設計裝置（方案）的好壞、成功與否對探究實驗的結論起著決定作用。評價是設計的一個有力補充，它對設計起指導作用。

教師要求學生按桌上的器材（易拉罐、兩個能套在一起的紙筒、橡皮薄膜、蠟燭等）進行小孔成像裝置的設計，通過自己設計、討論、評價，最后他們設計出了以下兩種小孔成像裝置，如圖所示：通過評價，他們發現，圖1這種小孔成像裝置方便、簡單;圖2這種裝置在圖1的基礎上還增加了光屏可以伸縮。

設計意圖：通過設計評價，培養語言表達能力、批判性思維能力和創新思維能力;同時，培養團結、協作、理性的科學思維和科學品質，也為后續實驗的創新打基礎。

五、“創新實驗”促使深度進階

實驗創新是在實驗的設計、評價及操作基礎之上的，是更聚焦于高階思維和批判性思維。創新的起點是問題，它是建立在對現有實驗不滿的基礎上，提出自己的疑惑或相應的問題。因此，在創新實驗前，一定要學生通過制作、操作等手段，充分理解現有實驗的缺陷，針對實驗的缺陷，提出改進意見，從可見度、操作性、安全性、循環性、定量化等方面著手。通過實驗的創新，促使深度進階。

確定好設計后，合作制作小孔成像儀，然后按書本對應的實驗進行探究。通過實驗發現小孔成像成的是倒立的實像，也能初步探究像與物、像距的定性關系。但是也碰到了很多的問題：如蠟燭火焰太暗，像不清晰;小孔形狀無法改變;找不到等大的像;無法探究像隨孔動態改變的情況;物距、像距與像的定量關系;不明白什么叫小孔等。他們討論提出實驗的缺陷后，也提出了一些改進意見，如用顯微鏡的光圈來做小孔;孔形狀最好不同;把蠟燭光源改成LED燈。通過一系列的改進和評價、討論后，最后教師和學生共同制作了如圖3、圖4所示的小孔成像儀。實驗裝置總共分為三層：最前面一層為光屏層，中間有一個紅色方框;中間層是小孔層，由一個顯微鏡光圈組成，可動態演示小孔大小;最后一層是光源層（如圖5），由幾顆LED燈構成，邊上也有一個紅色的方框，與光屏層上的紅色方框大小、中心都一樣，目的是為了找到等大的像。在物距和像距上方都有一把刻度尺，可以直接讀出物距、像距的大小。

設計意圖：動手制作提高學生的動手能力，通過實驗找到缺陷，為實驗的創新設計和制作鋪墊。創新實驗是為了更好探究小孔成像的特點，如像隨孔形狀、大小改變情況等，激發他們深度學習，促使深度進階。

六、“多重對比”達成深度理解

深度學習的一大特征是“高產出”，而“高產出”就是要促使學生深度理解，包括對知識、概念、規律的深度理解，達到“要點弄通、多點聯通和觸類旁通”[3]。對比實驗是物理教學中常用的一種方法，它是將對比和實驗兩者有機融合在一起，突出“辨異求同”和“同中求異”兩種特性，以把握物理學本質屬性，運用對比法教學，可以使抽象問題形象化、復雜問題簡單化、隱性問題顯性化、實驗現象明了化、實驗問題情景化、實驗效果放大化、知識理解深刻化等，在課堂教學上，運用多重對比，促使學生對知識深度理解[4]。

1.物距、像距定量改變對像大小影響對比

控制物距，改變像距;控制像距，改變物距。通過物距、像距刻度尺讀數，對比得出：物距大于像距，成倒立縮小的實像;物距小于像距，成倒立放大的實像。特別是當光屏上的像剛好填充在紅方框時，物距等于像距。把光源往上提或往下沉時，像移動方向相反，更清楚小孔成像是倒立像。順時針旋轉光源，像順時針旋轉;反之，都逆時針旋轉。得出：像物旋轉方向一致。教師適時地讓學生在紙上畫光路圖，找出成像規律的原理。

設計意圖：通過物距、像距定量改變對像大小對比，得出小孔成像規律。通過兩個紅方框的對比，得出成等大像時物距等于像距。畫光路圖為了讓學生透過現象理解本質，理解小孔成像的規律及原理。

2.孔大小對像的影響對比

改變小孔大小，學生觀察得出：孔變大，像變亮且變模糊;孔變小，像變暗且變清晰。并讓學生嘗試解釋原因。特別是當孔足夠大且像距足夠近時，在光屏上成的是孔形狀——很亮的光斑，但當孔足夠大而像距足夠遠時，像又有所不同。回到引課實驗，讓學生思考大孔、小孔對實驗的影響，同時，讓學生聯系生活情境，解釋為什么樹下光斑多數是圓形且較暗。

設計意圖：通過原因的解釋，使學生理解孔大和孔小對進光的多少和重疊現象的影響，從而明確像模糊但會亮一點，變清晰時卻會暗一點的原因。通過樹下光斑的提出聯系生活，使學習更有樂趣。

3.孔圖案變化對像影響對比

為了使學科與藝術有效融合，老師把孔圖案變成藝術味的圖案，如心形，雙心形等，讓學生看成像效果并分析原因（如圖6所示）。

設計意圖：加深學生對小孔成像的理解和印象，同時也讓學生明白科學之美，藝術之美，兩者是可以有效融合的。

七、“疑難問題”指向深度探究

學習不僅僅是課堂中短暫的40分鐘，而是一項持久的馬拉松。教師應針對學習內容，適時提供可持續探究的生活化原始問題，用這些問題引發學生自主思考，自主查閱相關資料并自行設計相關方案，解決問題，用疑難問題來鞏固課堂知識，同時用疑難問題來指向深度探究。

課堂接近尾聲時，教師讓學生回答上課開始時自己提出的問題，同時再提一些有關小孔問題或自己想研究的問題，如有學生提出：小孔成像為什么一定要光屏，沒有光屏是否成像，如果不能，理由是什么？針對旁邊有些近視的學生在上課時把眼睛瞇成縫，黑板上的字為什么更清晰等問題，然后讓學生課后去探究，并寫研究報告。

設計意圖：拓展一些基于生活的問題，使學習更持續化、更深度化，激發學生學習的內驅力，也使他們的學習做到學以致用、以用促學的目的。

八、“強化反思”提高學習質量

1.情境創設引入課堂教學

杜威曾提出：情境教學是思維訓練很重要的條件。因此，要促使學生深度學習，最好的辦法是提供一定真實的、內容美、有思維含量且有情感體驗的學習情境，將深度學習的信息嵌入情境中，形成具有一定的體驗性、挑戰性、遷移性的任務活動。當然，情境教學不能太復雜，碰到太難的問題，教師要適時提供腳手架，促使他們好學、樂學、愛學，使得深度學習真正地發生。

2.過程評價融入深度學習

評價是教學的指南針和催化劑。缺少評價的課堂將會是無源之水，無本之木，特別是深度學習的課堂應該是基于評價的課堂。一方面教師在備課過程中就應該清楚以評促教，以教促評;另一方面，深度學習過程中，要促使學生自主評價。通過評價，使得學習過程中的新舊知識不斷地發生沖突并不斷地同化與順應，創造出新的認知和自我結構并在不斷的評價過程中推進深度學習。

3.實驗創新指向教學實踐

基于深度學習的實驗教學，最主要的設計、創新等手段是必不可少的。教師在實驗教學過程中，可以把創新實驗作為一個載體，通過不斷地評價、討論、修正完善實驗裝置，利用一定的科學方法，進行深度探究，使得學生對知識、概念、規律等達到深度理解。

參考文獻

[1] 孫銀黎.對深度學習的認識[J].紹興文理學院學報，2007（04）.

[2] 吳舉宏.促進深度學習的中學生物學教學策略[J].生物學教學，2017（10）.

[3] 鄭東輝.促進深度學習的課堂評價[J].課程·教材·教法，2019（02）.

[4] 田城良，盛正民.對比法對物理教學的促進作用[J].物理教學，2014（04）.

【責任編輯? 孫曉雯】