物理實驗的深度學習定義及教學研究

孫葳清 何曉 袁淑芳 吳建琴

摘要：基于深度學習的物理實驗教學是指導學生發展核心素養的有效方法，更是教師設計物理實驗教學的指導理論。筆者定義了物理實驗的深度學習并在具體分析當前傳統物理實驗教學的局限性基礎上，以“大氣壓強”一課的實驗為例給出教學方案，以期為一線教師的物理實驗教學一點啟發和借鑒。

關鍵詞：物理實驗教學;深度學習;大氣壓強

我國的八次基礎教育課程改革走過17年，課程目標經歷了從“雙基”到“科學素養+實踐能力”再到“學科核心素養”的基本歷程[1]，這一嬗變的關鍵在于使教學發生“以知識為本”到“以人為本”的轉變。在發展學生的關鍵能力，提升學生核心素養大背景下，由教育部基礎教育課程教材發展中心負責的“深度學習”教學改進項目應運而生。結合王晶瑩博士科研團隊的詞云圖（見圖1），可以看出“物理實驗”占了重要地位，進一步將我國新課程理念概括為：“以學生為中心，通過實驗和問題學習物理課程內容”;然而從20世紀70年代末、80年代初開始，國外研究就逐漸顯示實驗的教學效果與實驗教育功能之間存在一定的差距。為了實現新時期全面發展的人的育人目標，為了讓好學生真正經歷過程，學習物理，“深度學習”在初中物理實驗教學中推進，恰逢其時。

一、初中物理實驗教學的重要性及現狀

物理實驗教學是為學生提供精心選擇的、純化的感性材料的過程，使學生在形成物理概念、掌握物理規律時獲得明確、具體的認識[2]。實驗活動中需要學生多種能力，例如：查閱資料能力、多感官接收和處理數據能力、思維能力、表達能力;只有學生具有實事求是的科學態度、嚴謹作風與科學的世界觀，才能在實驗中把各項工作安排得井井有條，在實驗失敗時重振精神，可見在實驗中評價物理學習，符合新一輪課程改革的評價觀。

據李春密老師描述國外實驗教育的不理想現狀。[3]筆者歸納學生表現為：學生不能觀察到教師想讓學生觀察的現象;演示實驗反而強化了學生的錯誤認知;學生按照“菜譜式”的實驗步驟尋覓教師設定的答案;學生在活動時缺乏“操作思維”等。筆者發現我國的初中物理實驗教學也有類似現象;比如用“說實驗”或演示實驗代替應有的活動，這樣看似節約了上課時間卻使學生不得不被動接受知識，不能真切地體會物理源于生活、源于大自然，甚至會對物理產生厭煩抵觸的情緒。

二、深度學習與初中物理實驗教學

（一）深度學習理論

“深度學習（LearninginDepth）”最早由瑞典學者FerenceMarton和RogerSaljo根據學習者獲取和加工信息的方式，首次闡述了深度學習（DeepLearning）和淺層學習（SurfaceLearning）這兩個相對的概念。WilliamandFloraHewlett在文獻研究和廣泛征求專家意見的基礎上，認為深度學習是21世紀公民工作和生活必備的一種能力[4]。深度學習注重學生參與、關注知識核心論點、強調主動構建的學習方式，給物理實驗教學提供了優化方向。

近些年“深度學習”的內涵雖然不斷發展變化，但深度學習研究從關注深度學習的方式過渡到關注深度學習發生的過程的事實是不容置疑的，這樣的學習方式給物理實驗教學提供了更高效的方式和設計思路，針對20世紀70年代起人們對物理實驗教學效果和實驗的教育功能的質疑提供教學建議。可見深度而學習的理論于走入科學實驗教育實踐的必然趨勢。

（二）基于深度學習理論的初中物理實驗教學建議

結合郭玉英教授對物理學習的定義[5]和郭華教授對深度學習概念定義[6]，筆者界定基于深度學習理論的初中物理實驗學習為：“學生以生活實際情境為背景，圍繞師生共同提出的具有一定挑戰的物理問題，全身心參與實驗探究過程及交流互動，從形成的物理觀念視角解釋實驗現象，運用模型建構與推理論證等科學思維方式解決真實的實際問題，把握物理學科本質及思想方法，體驗成功;形成積極的物理學習內在動機、探索奧秘、實事求是的科學態度、高級的社會情感、正確的價值觀，在物理學科核心素養方面獲得發展，成為具有創新精神和實踐能力、科學素養扎實的學習者。”深度學習的物理實驗教學中，教師應根據學生的身心發展特點，運用多種教學策略，引導學生運用多種途徑獲取信息并分析和邏輯推理得出結論，在教學中創造師生和生生交流機會，使學生接受質疑并不斷和深入研究。

三、指向深度學習的物理實驗的教學案例

大氣壓強專題屬于《課標》[7]“運動和相互作用”模塊的“機械運動和力”二級主題下的內容。課程內容要求是“知道大氣壓強及其與人類生活的關系”，一般安排2課時的教學。雖然我們生活在大氣中，由于氣體看不見、摸不著、很難被感知的特點，大氣壓強的概念相對初中生來說是抽象的。對于課標要求的用大氣壓解釋生產、生活中的現象，對學生來說難度就更大了。大氣壓的測量作為本節教學的難點，在教學中教師卻很少真正讓學生實驗，最多播放一段托里拆利實驗的視頻。筆者認為這不利于學生物理學科核心素養的發展，若教師通過實驗有針對性地指導和訓練，能夠更大程度地促進學生的深度學習，強化學生對大氣壓強的認識，并提高學生運用所學知識解決實際問題的能力。

（一）基于情境提出問題：深度學習課堂的活力源泉

傳統教學往往“去問題化”，心理學研究表明學生在面對陌生、復雜的真實問題時，表現出更高效且具創造性的分析思路，深度學習的教學觀強調創設真實、有價值的問題情境，是使學生提出有價值的物理問題有效策略，也為學生展現自身物理素養提供了機會。教師可以多種方式創設情境，引導學生尋找易行適用的方法測大氣壓強：

方式一：學生生活經驗出發。回憶夏天和秋天，你呼吸的感覺有何不同？結合托里拆利實驗原理，你能設計出更安全測量大氣壓強的方法嗎？

方式二：利用多媒體等教學資源創設深度思考情境。A.高聳入云、巍峨壯觀的喜馬拉雅山，鏡頭轉過，山腳一位登山愛好者準備登頂（刺激學生的感官使興奮）。B.設疑：山頂的大氣壓強有多大呢？顯然，帶水銀對登山來說不符合實際，我們需要設計更便捷的測量方案。