深度學習理念下實施物理模型建構的創(chuàng)新實驗設計

摘 要：物理模型的建構歷程本質上是科學思維的物化過程.將已有知識遷移到新的情景中進行設計和制作，以整合知識、遷移反思、積極主動、批判思維的方式來實現深度學習.以傳感器為抓手，構建并自制多項教具模型和子模型，實施探究阿基米德原理的系列創(chuàng)新實驗，讓學生的深度學習真正發(fā)生.

關鍵詞：深度學習;模型建構;浮力;數字化創(chuàng)新實驗;科學思維

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）08-0062-04

基金項目：安徽省教育科學研究項目課題“基于深度學習的初中物理教學實踐研究”（項目編號：JK20057）.

作者簡介：林軍（1972-），男，安徽合肥人，本科，中學高級教師，物理教研員，研究方向：中學物理教學、實驗教學研究.

1 引言

深度學習是一種基于理解的學習，是學習者以高階思維發(fā)展和實際問題解決為目標，以整合知識為內容，積極主動、批判性學習新的知識和思想，并將它們融入到原有的認知結構中，且能將已有的知識遷移到新的情景中的一種學習.物理是以實驗為基礎的一門學科，實驗離不開物理模型的構建，在創(chuàng)新實驗的模型建構中培養(yǎng)學生的知識遷移、批判性思維、自我反思的能力，本質是高階思維的具體表征.本文以“阿基米德原理”的數字化實驗設計為例，在設計和制作物理模型的創(chuàng)新實驗中融入數字化傳感器技術，在深度學習中將創(chuàng)意實現物化.

2 傳統(tǒng)浮力實驗的不足之處

探究浮力大小與哪些因素有關與阿基米德原理是初中物理的重要實驗.在順利完成教材實驗操作后，學生可以根據已有的學習經驗，領悟與反思傳統(tǒng)實驗的不足之處.比如實驗中的唯一測量工具——彈簧測力計，在手提使用時，由于指針上下振動，讀數很不方便;一組實驗中讀取的數據量太多;探究浮力大小與物體排開液體的體積關系實驗中，一次最多只能收集4-5組數據（立方體物塊可以分4-5等份）;關系圖像只是點狀分布;誤差較大，科學性差等諸多問題.因此，筆者通過小組合作探究活動中構建物理模型，將數字化實驗融入傳統(tǒng)實驗中，獲得物理知識理解的同時培養(yǎng)學生科學思維能力，實現深度學習，達到知識與能力的雙贏.

3 以小組實驗為平臺，在深度學習中建構物理模型

筆者在浮力實驗演示、學生微課觀摩和習題訓練中，將對浮力實驗和規(guī)律理解較深刻的學生，選為實驗小組的組長，自由組建“搭檔”組員，實施基于實踐體驗的“模型構建+小組合作”的教學模式，這樣既能激發(fā)學生的學習熱情和組內合作意識，也能實現提升課堂教學效能的目標，更能培養(yǎng)學生信息化核心素養(yǎng)，為學生的可持續(xù)發(fā)展提供更廣闊的技術平臺.

3.1 初見成功端倪，感受數字模型的溫度

發(fā)生深度學習的學生能抓住教學內容的本質屬性，全面把握知識的內在聯系，并能由本質推出若干變式.

模型1 測量物塊浮力F浮大小實驗

師：同學們對教材中測浮力大小的傳統(tǒng)實驗都已經熟知其原理和實驗過程，今天我們確定新主題，如何運用數字化傳感器對該實驗進行改進？同學們對數字化器材的使用已有一些經驗，如果有疑問大家要積極提問，老師幫助解決.

甲組：用力傳感器先測量物塊在空氣中的物重G，再將物塊全部浸沒在液體中得出力傳感器的示數F′，我們由“稱重法”公式F浮 = G-F′間接測量浮力大小.

師：完全可以.還有其他方法嗎？

學生陷入沉思之中……

此時，教師帶領學生重溫剛才的測量思路.

師（點撥）：使用力傳感器分別測出其中物重G和物體浸在液體中的示數F′，我們進行了兩次測量，思考一下有一步到位、直接測出浮力大小的簡單的方法嗎？

乙組：（思索片刻，小聲地回答）有……只要在懸掛重物后對力傳感器再實施“調零”，使G=0，將之帶入公式F浮 = G-F′=0-F′ 等式，即有F浮=-F′.（響起掌聲……）

師：說得很好.巧妙地運用力傳感器的“調零”功能，可以從傳感器上直接稱出浮力的相反數，將其示數的絕對值大小再與被物體排開的液體的重力大小G排進行比較，很快得出實驗結論.到此為止，我們的實驗思路理清了，此處正是我們實驗最靚麗的創(chuàng)新點.

如圖1所示，組裝實驗裝置（學生稱“鐵架臺式”）：帶有EDISlabpro數字化系統(tǒng)軟件的筆記本電腦、雙向力FS400傳感器1個、數據采集器、數據傳輸線若干根、帶支架的鐵架臺一副、手動升降臺、溢水杯、圓柱體重物等.

甲組開始實驗：緊固好鐵架臺的橫桿，懸掛好力傳感器并打開電腦中數字化系統(tǒng)軟件，新建工作界面，點擊“調零”，再次掛上物塊，界面顯示，F=2.14N.在容器中裝有足量的水置于物塊的正下方，用手旋動轉軸，抬起升降臺，使圓柱體物塊由部分浸入直至全部浸沒.斷開電機開關的同時點擊“停止”按鈕，讀出F=1.35N，算出F浮=0.79N.

乙組：在鐵架臺上懸掛好力傳感器，然后掛上物塊，打開軟件界面，點擊“調零”，界面顯示F=0，重復甲組步驟，讓物塊全部浸沒，得出傳感器拉力F=0.79N，F的大小就是浮力大小F浮.學生探究能力得到提升，探究效果初見端倪.

3.2 實施等效思維，提升實驗探究的熱度

學生在傳統(tǒng)實驗的基礎上融合數字化傳感器，成功地實現知識的深化和遷移，創(chuàng)新的腳步不會停住.

模型2 探究阿基米德原理F浮=G排實驗

情境展示：

師：現以探究阿基米德原理F浮=G排作為新模型的起點，請甲組同學們發(fā)表建議，說出設計思路.

甲組成員間展開熱烈討論后，小組長提出設計思路：用力學傳感器替代彈簧測力計，直接測量F浮和G排的大小，利用數字化軟件系統(tǒng)強大的數據收集和處理能力直接得出實驗結論.

師：同學們的想法很好.

裝置的制作過程及操作方法：

（1）器材準備：在裝置圖1的基礎上，還需要雙向力FS400傳感器兩個、手動升降臺、溢水杯、圓柱體重物、塑料杯、棉線、燒杯、水和酒精等.

（2）制作過程：

①=1＼*GB3如圖2所示， 將支架分別用螺絲固定在鐵架臺上，將雙向力FS400傳感器用細線分別懸掛在支架上，用數據線連接高頻數據采集器，再用數據線一端連接采集器，另一端插入電腦USB接口.

②=2＼*GB3 在力傳感器1（為了區(qū)別兩個傳感器進行標識）掛鉤下用細線懸掛圓柱體物塊，正下方是裝滿清水的自制溢水杯;在力傳感器2下懸掛用塑料杯自制的小桶.③=3＼*GB3 為了能夠便捷地將物塊浸入水中，特意在溢水杯下放置一架手動升降臺，目的是減小物塊對傳感器的沖擊力，便于讀取數據.

（3）操作方法：

①=1＼*GB3打開裝有EDISlabpro數字化系統(tǒng)軟件的筆記本電腦，點開桌面右上角圖標彈出菜單，點擊“新建”按鈕，出現工作界面;點擊“自動識別”按鈕;點擊“ 采集參數 ”按鈕，設定采集時間為2分鐘.再將物塊和小桶分別懸掛在傳感器掛鉤上，分別右擊工作界面左下角的“F”和“F1”示數方格，彈出對話框，點擊“調零”，使兩個傳感器示數都歸零.

②=2＼*GB3 點擊桌面“開始”按鈕，用手轉動升降臺旋鈕，勻速抬高裝滿水的溢水杯，使圓柱體物塊由部分浸入直至全部浸沒后再繼續(xù)下潛深一些，約1.5分鐘后點擊“停止”按鈕.雙擊“F1”數據欄，彈出“數據列屬性”，點擊“顯示”，再點擊“前景顏色”，選中“紅色”，確定力傳感器2生成的數據和圖像呈現成紅色.

③=3＼*GB3 電腦工作界面收集數據并形成圖像，如圖3所示，鼠標右擊圖像彈出對話框，依次點擊“輸出”“保存圖片”，命名文件名“模型2”進行保存，點擊“導出到實驗報告”，導出帶有實驗圖像的實驗報告單.

小組內多次重復以上實驗，發(fā)現F浮=0.79N（藍色數據）和G排=0.70N（紅色數據）有較大的誤差，偏大與偏小的概率都有，這是為什么呢？組員們陷入了深思之中，這時候組長想起來了，“升降臺的臺面在上升整個過程中會晃動，無法保證臺面最終為水平面，是導致誤差產生的主要原因”.一石激起千層浪，同學們又開始討論解決問題的辦法.

這時候乙組小組長站起來說話了，“我有解決問題的辦法：讓溢水杯不動，在轉軸上繞有細線的電動機下懸掛物塊，啟動電機，將物塊慢慢下放至溢水杯中就可以有效地減小誤差”.師：你這想法很好，運用了轉換法思維.在老師的幫助下，乙組全體成員進入緊張的探究過程中，用穩(wěn)壓電源供電，在支架上端固定好電機，將繞有細線的減速電機勻速下放物塊.

添加的器材有：穩(wěn)壓電源（0-9V）、微型減速電機（直流6V）.如圖4所示，組裝好實驗裝置，閉合電機開關，圓柱體物塊勻速下降，物塊由部分浸入直至全部浸沒后繼續(xù)下潛得深一些，關閉電機電源.整個過程由數字化系統(tǒng)進行數據記錄.果然，同學們如愿以償，得出F浮=G排=0.79N（如圖4所示），每次實驗的誤差都很小.

學生通過2輪小組合作，收獲了成功的喜悅，教師要呵護好組內探究的熱情，鼓勵學生將實驗探究進行下去.

3.3 優(yōu)化實驗模型，加大探究活動的力度

前蘇聯教育家贊可夫說過：教學法一旦觸及學生的情緒和意志領域、觸及學生的精神需要，這種教學法就能發(fā)揮高度有效的作用.

模型3 探究浮力大小與物體排開液體體積之間關系

師：為了順利探究浮力大小與物體排開液體體積（V排）之間的關系，首要問題是在實驗中如何反映出V排具體的變化量，同學們有何建議？生：由于實驗中選擇的物塊是規(guī)則的圓柱體，其橫截面積S是不變的，假設物體隨著減速電機以勻速v放下，其豎直浸入液體的深度為h=vt，那么就有V排=Sh=Svt，由于S、v保持不變，可以得出V排與物塊浸入液體的時間成正比的結論，函數F浮-V排關系就可以轉化為F浮-t關系，仍然可以用以上裝置進行實驗探究.師：你的思路很好，運用了轉換法思維，這次你們兩組共同完成這一任務.

小組在實驗過程發(fā)現鐵架臺裝置比較松散，搬運不方便，師生合作制作圖5所示的（學生稱“木架臺式”）模型，使用起來方便多了.將圓柱體物塊系在減速電機繞線的傳感器1掛鉤下，將燒杯中的水倒?jié)M溢水杯，打開數字化系統(tǒng)軟件，新建工作界面，傳感器2下掛上小桶，將兩傳感器分別實施“調零”，接通電機電源的同時開始記錄數據，關閉電機電源的同時停止記錄數據，保存數據圖像（如圖5所示）.小組交流討論，從F浮-t函數圖像發(fā)現：在液體密度不變時，浮力大小與物體排開液體的體積成正比關系.

3.4 挖掘學習潛能，刷新實驗探究的高度

布盧姆將認知過程分為六個層次，其中深度學習的水平達到“應用、分析、評價、創(chuàng)造”這四個較高級的認知層次，注重知識的深度應用和問題解決，是一種高級認知技能的獲得.

模型4 探究浮力大小與液體密度之間關系

師：同學們在探究教材中F浮與ρ液關系實驗中，都是將同一物塊浸沒在不同液體中控制V排不變，探究F浮與ρ液的關系.那么，數字化實驗的最大特點就是采集和處理大量數據并形成圖像得出規(guī)律.大家對此實驗有什么好的創(chuàng)意？生：由阿基米德原理可得F浮與G排是相等的，根據等效法思維，有兩條路徑讀取F浮：可以運用力傳感器1探究F浮與ρ液之間關系;也可以運用傳感器2（測量G排）同樣能探究F浮與ρ液之間關系.師：同學們的思路很敏捷，下面繼續(xù)分組建構子模型.

子模型1 只用力傳感器1（測F浮大小）探究F浮與ρ液關系

甲組學生先將圖5裝置中力傳感器2卸下來，打開電腦中數字化系統(tǒng)軟件，新建工作界面，界面顯示力傳感器1，在掛鉤下掛上圓柱體物塊，點擊“調零”后，在大容器中裝有足量的水后置于物塊的正下方，接通減速電機的同時點擊“開始”按鈕，使圓柱體物塊由部分浸入直至全部浸沒后繼續(xù)下潛一些.斷開電機開關的同時點擊“停止”按鈕，讀出F=-0.76N，則F水浮=0.76N.將大容器中的水換成酒精重復以上實驗，再次讀出F=-0.67N，得出F酒浮=0.67N（如圖6所示），發(fā)現物塊在酒精中的浮力變小了.

子模型2 只用力傳感器2（測G排大小）探究F浮與ρ液關系

乙組學生將物塊直接掛在減速電機的細線下（去掉傳感器1），打開電腦中數字化系統(tǒng)軟件，新建工作界面，將小桶懸掛在傳感器2掛鉤下，點擊“調零”，界面顯示F1=0，在溢水杯中裝滿水并置于物塊的正下方，接通電機的同時點擊“開始”按鈕，使圓柱體物塊由部分浸入直至全部浸沒后還下潛得深一些;斷開電機開關同時點擊“停止”按鈕，直接讀出G排水=0.79N.將溢水杯中裝的水換成酒精重復以上實驗，再次讀出G排酒=0.67N，收集并將圖像組合（如圖7所示）.在誤差允許的范圍內，根據阿基米德原理G排=F浮可直接讀出浮力大小，學生用等效法也同樣完成了實驗.

經過多次實驗操作，各組學生都形成共識，發(fā)現兩種路徑殊途同歸，得出實驗結論：物體受到液體的浮力F浮與液體的密度ρ液有關，密度越大，浮力也越大.學生組內交流，發(fā)現了通過兩組圖像的走勢近似平行的特點，順利得出V排相同時，F浮與ρ液是成正比的結論.

4 結語

通過對知識的批判性理解、注重新舊知識的整合或聯結、在真實問題中解決問題，更加關注對學習和自我認知的反思，這些都是深度學習的重要特征.

基于浮力的數字化創(chuàng)新實踐教學，做到實驗數據的精準性收集和處理，又能夠依據新課標要求，運用控制變量法，在模型和子模型的建構過程中探究阿基米德原理.既激發(fā)學生的學習興趣和積極探索問題的熱情，又實現在探究中提高發(fā)現并解決問題的能力;既強化了學生的模型建構能力，又培養(yǎng)學生科學思維方法和創(chuàng)新創(chuàng)造能力;既培養(yǎng)了小組團結協(xié)助意識，又提升了他們的信息技術素養(yǎng).正如教育專家黃恕伯先生所說的：“信息技術在物理教學中引用的策略是‘揚長補短，不是‘揚長避短，應該在發(fā)揚其優(yōu)點的同時彌補它的短板，而不是回避它的不足.”是基于高階思維下的深度學習的集中體現，在項目式、多路徑、師生交流、生生合作等多渠道中靈活運用轉換法和等效法思維，培養(yǎng)學生的分析問題和解決問題的科學思維能力.

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（收稿日期：2020-12-22）