基于深度學(xué)習(xí)的物理實驗教學(xué)研究

安娜　聶萬里

摘 要：實驗教學(xué)是初中物理教學(xué)的重要組成部分，在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中，教師往往“重結(jié)果輕過程”，這必然導(dǎo)致學(xué)生知其然而不知其所以然.學(xué)生對于物理知識膚淺的理解，以及不完整的認識，使其在運用知識解決實際問題的過程中存在困難.鑒此，筆者根據(jù)課程內(nèi)容自制教具，設(shè)計不同的實驗?zāi)Ｊ?目的在于讓學(xué)生親歷實驗過程，在實驗中提升思維，促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)的發(fā)生，從而實現(xiàn)由“學(xué)會”向“會學(xué)”“樂學(xué)”的轉(zhuǎn)變.

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué);深度學(xué)習(xí);自制教具

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）06-0035-03

作者簡介：安娜（1988-），女，江蘇徐州人，碩士，中學(xué)一級教師，研究方向：中學(xué)物理實驗創(chuàng)新;

聶萬里（1974-），男，江蘇徐州人，本科，中學(xué)高級教師，研究方向：深度學(xué)習(xí).

“深度學(xué)習(xí)”是一種新型的學(xué)習(xí)模式，目前受到教育界的廣泛關(guān)注.與傳統(tǒng)意義上的孤立記憶和被動接受不同，深度學(xué)習(xí)更強調(diào)學(xué)生理解性的學(xué)習(xí)以及行為和情感的高投入[1].此外，深度學(xué)習(xí)要求學(xué)生親身體驗，在體驗中獲得成就感，激發(fā)內(nèi)在學(xué)習(xí)動機，從而發(fā)展學(xué)生的高階思維.而在物理教學(xué)中，實驗教學(xué)占有舉足輕重的地位，也是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)重要載體[2].基于此認識，為了促進學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，教師需要認真分析教學(xué)內(nèi)容，確定教學(xué)目標和學(xué)生已有認識水平的差異，設(shè)計能激活學(xué)生思維的活動，使其積極主動地、批判地接受知識.接下來筆者以“溫度計的使用”“大氣壓強”以及“物體的顏色”三個教學(xué)片段為例淺談物理實驗教學(xué)中如何促進學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，旨在拋磚引玉.

1 實驗設(shè)計層次化——促進深度學(xué)習(xí)

在實驗教學(xué)中，教師必須根據(jù)學(xué)生已有的認知水平，有層次地設(shè)計實驗，邏輯上要嚴謹，任務(wù)要環(huán)環(huán)相扣，層層遞進，而非“低水平的重復(fù)”.現(xiàn)以蘇科版物理教材“溫度計的使用”這一教學(xué)片段為例，實驗設(shè)計如下.

活動1 體驗溫度變化對氣體體積的影響

如圖1所示，在玻璃細管中封入一小段液柱，并將其插入燒瓶中，用手捂住燒瓶，觀察玻璃管中紅色液柱如何運動;將燒瓶放入冷水中，再次觀察玻璃管中紅色液柱如何運動.

活動2 體驗溫度變化對液體體積的影響

用燒杯向燒瓶中注滿水（為了便于學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象可在水中滴入兩滴紅墨水）塞上瓶塞.將玻璃細管插入燒瓶，再將燒瓶放入盛有熱水的水槽中，如圖2所示，觀察玻璃管中液柱的變化;然后，將燒瓶放入盛有冷水水槽中觀察液柱的變化.通過以上實驗，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)：溫度變化對氣體體積的變化影響較大.而對液體體積變化影響較小.歷經(jīng)以上實驗，學(xué)生很容易理解溫度計的測溫原理.

提問：討論選用以上裝置測溫有何利弊？

學(xué)生1：燒瓶較大且易破碎不便攜帶.

學(xué)生2：液柱的變化只能定性地反映出溫度的變化.

提問：如何對實驗裝置進行改進？

學(xué)生1：選用更小且方便攜帶的容器代替燒瓶.

學(xué)生2：在細玻璃管上標上對應(yīng)的刻度即可定量測溫.

提問：若選取體積極小的容器（如玻璃泡）盛放測溫液體，那應(yīng)如何改進玻璃管才能使實驗現(xiàn)象更加明顯？

學(xué)生很容易想到把玻璃管做得更細，或選取不同的測溫液體.

通過討論的不斷深入，學(xué)生掌握溫度計的原理，知道溫度計的玻璃泡就是容納測溫液體的容器，繼而理解如何正確使用溫度計，即玻璃泡浸入到被測液體內(nèi)部.此外，學(xué)生對溫度計的構(gòu)造和選取也有深刻認識.在探究過程中不斷提出更高層次的問題，教師通過引導(dǎo)學(xué)生主動思考，學(xué)生的思維活動被積極地調(diào)動起來，從而高度參與到活動中，實現(xiàn)學(xué)生從“淺層次的學(xué)習(xí)”向“深度學(xué)習(xí)”過渡.達到深度學(xué)習(xí)的目的.

2 實驗設(shè)計創(chuàng)新化——促進深度學(xué)習(xí)

活動1 體驗大氣壓強的實驗

蘇科版物理教材采取的方法如下：用酒精燈給注入少量水的易拉罐加熱，待罐口有白霧出現(xiàn)時，堵住罐口.觀察冷卻后易拉罐形狀的變化.此實驗的局限性在于：易拉罐拉環(huán)的口較大不易密封，被加熱后的易拉罐溫度過高，密封時存在一定的危險性，此外在實際教學(xué)過程中，筆者發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生誤以為易拉罐變癟是由于罐內(nèi)的水蒸氣液化把瓶子吸癟而非是大氣壓強的作用.

鑒于以上弊端，筆者對實驗進行改進，如圖3所示：選用口徑較小且瓶頸較長的燒瓶，用鵪鶉蛋代替雞蛋.燒瓶的口徑小，作用在鵪鶉蛋上內(nèi)外的氣壓差減小，以此可以減小吞蛋速度.筆者選取的瓶子瓶頸較長，便于學(xué)生觀察吞鵪鶉蛋過程.此外，該實驗操作簡單只需向燒瓶內(nèi)加入少量的水預(yù)熱，鵪鶉蛋便可以很容易被吞入，實驗現(xiàn)象明顯.教師將燒瓶水平放置，還可以排除重力的影響.待實驗結(jié)束后，教師只需向燒瓶外側(cè)傾倒少量熱水，即可把鵪鶉蛋從燒瓶內(nèi)取出，實現(xiàn)實驗器材的重復(fù)利用.

明顯的實驗現(xiàn)象不僅讓學(xué)生體驗到大氣壓強的存在，更帶來直觀的視覺享受，在實驗過程中，學(xué)生不僅獲得成就感，其探究欲同樣被進一步激發(fā).

活動2 估測大氣壓

蘇科版物理教材“粗測大氣壓”方法如下：按如圖4所示的方式組裝器材，排盡注射器筒內(nèi)的空氣，用橡皮冒將注射器的小孔封住，緩慢拉動注射器，當活塞開始滑動時記錄拉力F，用刻度尺測出注射器有刻度部分的長度得到活塞面積S，由p=F/S計算大氣壓的值[3].

該實驗存在以下弊端：2mL注射器在市面上比較難找;在實驗過程中，活塞與其注射內(nèi)壁的摩擦較大，導(dǎo)致測量誤差較大;在讀拉力大小過程中，由于是動態(tài)過程，很多學(xué)生僅僅憑感覺粗略記錄數(shù)值導(dǎo)致誤差較大.鑒于以上弊端，筆者對實驗進行改進如圖5所示：用力傳感器代替彈簧測力計（其量程為0-100N），選取5mL、20mL和50mL這三種量程的注射器進行實驗，實驗數(shù)據(jù)見表1.

實驗結(jié)束后，教師引導(dǎo)學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)進行歸納分析，導(dǎo)致誤差較大的原因有如下幾點：（1）在拉動活塞過程中活塞與注射器側(cè)壁存在摩擦，當勻速拉動時，拉力F拉、大氣壓力F壓和活塞與內(nèi)壁的摩擦力f三者關(guān)系F拉=F壓+f ，F(xiàn)拉>F壓，導(dǎo)致測量結(jié)果偏大;（2）由于注射器前段細管殘留空氣無法排盡.拉力F拉、外側(cè)大氣壓力F壓和內(nèi)側(cè)少量氣體產(chǎn)生壓力F內(nèi)三者關(guān)系F壓=F拉+F內(nèi)，F(xiàn)拉

鑒于以上兩點，小組討論對實驗進一步改進完善：在估測大氣壓前，先測出活塞與注射器內(nèi)壁的摩擦力f，則大氣壓力可表示為F壓=F拉-f;將注射器吸取少量的水，排盡空氣，使注射器前端的細管被水占滿，以此減少殘留空氣對實驗產(chǎn)生的影響，改進后實驗數(shù)據(jù)見表2.

3 實驗化習(xí)題教學(xué)——促進深度學(xué)習(xí)

實際的教學(xué)過程中常常存在以下現(xiàn)象“此題已經(jīng)見過很多遍，學(xué)生還是反復(fù)出錯”，而對此現(xiàn)象一般的處理方式依托于教師的講解，教師針對作業(yè)和試卷中的錯題“就錯講錯”，并未真正地認識到學(xué)生出錯的原因.很多學(xué)生在新授課上往往對教師講解的知識一知半解，僅僅依托大量的習(xí)題達到鞏固所學(xué)知識的目的，無法真正構(gòu)建學(xué)生的認知體系，學(xué)生的思維未被調(diào)動，深度學(xué)習(xí)并未真正發(fā)生.

例題 一位演員在舞臺上，她的上身服裝是綠色的，而下身裙裝是紅色的，當舞臺燈光師打開紅色追光燈照射她時，你看到舞臺上這位演員的上身服裝是顏色，下身裙裝是顏色.

根據(jù)答題結(jié)果的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，本題錯誤率比較高，主要原因在于學(xué)生對物體顏色的成因一知半解，而物體顏色由哪些因素決定，也是本節(jié)課的重難點.為了便于學(xué)生對物體顏色成因的探究，筆者自制實驗器材——三色燈發(fā)光板，如圖6所示;制作方法：選取一塊白塑料紙板，在塑料板周圍裝上木板做的燈罩，然后把一串可發(fā)出單一色光的LED燈嵌到燈罩的凹槽，這樣可在一定程度上降低自然光對實驗的干擾，為了控制方便，將每組色光串聯(lián)一開關(guān)，實現(xiàn)對單一色光的控制.

教師將制作好的服裝放到發(fā)光板上，拉上窗簾，按下紅色按鈕開關(guān)，觀察實驗現(xiàn)象如圖7所示.學(xué)生通過以上探究，不僅可以很容易地解決例題中的問題，而且學(xué)生的探究欲望又一次被激發(fā).在實際教學(xué)過程中，學(xué)生找來不同顏色的紙條，進一步探究物體顏色的成因.實驗現(xiàn)象進行如下：圖8、圖9、圖10分別是紅藍紙片在自然、紅光、藍光照射下現(xiàn)象，圖11、圖12、圖13分別是綠色紙片在綠光、藍光、紅光照射下的圖片.并將實驗現(xiàn)象進行記錄，見表3.

學(xué)生對實驗現(xiàn)象進行總結(jié)分類從而得出不透明物體的顏色由其反射的色光決定.通過親歷實驗過程，學(xué)生真正地實現(xiàn)“做中學(xué)”，對于物體顏色的認識更加深入透徹.教師將習(xí)題教學(xué)用實驗的方式展示，不斷激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，同時在實驗中促進學(xué)生生成新的問題并加以探究，加深對相關(guān)物理知識的理解，變被動接受為主動探究，促進學(xué)生物理核心素養(yǎng)的形成.

深度學(xué)習(xí)是一種以促進學(xué)生批判性思維和創(chuàng)新精神發(fā)展為目的的學(xué)習(xí)，不僅強調(diào)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中積極主動的學(xué)習(xí)狀態(tài)以及知識的原理整合和意義聯(lián)結(jié)，還重視學(xué)生解決問題能力的提升[4].深度學(xué)習(xí)不僅關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果還重視學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和學(xué)習(xí)過程.在實驗教學(xué)中，筆者根據(jù)自制實驗器材，創(chuàng)設(shè)不同模式的實驗活動，將知識原理充分整合，充分發(fā)展學(xué)生的高階思維能力，促進深度學(xué)習(xí)的真正發(fā)生，從而實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)的目的[5].

參考文獻：

[1]安富海.促進深度學(xué)習(xí)的課堂教學(xué)策略研究[J].課程·教材·教法，2014，34（11）：57-62.

[2]劉學(xué)山.基于深度學(xué)習(xí)的初中物理教學(xué)實踐與思考[J].中學(xué)物理，2020，38（14）：23-25.

[3]高靜.對“估測大氣壓的值”實驗的創(chuàng)新[J].物理教師，2015，36（08）：39+42.

[4]周志揚.創(chuàng)新實驗設(shè)計 促進深度學(xué)習(xí)——以“光的偏振”為例[J].物理教師，2019，40（06）：13-16.

[5]徐仁良.初中物理教學(xué)中落實深度學(xué)習(xí)的策略[J].湖南中學(xué)物理，2020，35（09）：41-42.

（收稿日期：2020-11-18）