“深度學習”視域下實驗教學的策略研究

□黃建林

（紹興市柯橋區(qū)蘭亭中學，浙江紹興 312045）

一、當前實驗教學的現(xiàn)狀

物理是一門以實驗為基礎的學科，實驗對教學有舉足輕重的作用：它可以提高學生的學習興趣；激發(fā)學生的求知欲和好奇心；培養(yǎng)學生的動手實踐能力和培養(yǎng)學生的思維習慣；提高學生的科學素養(yǎng)等.但受當前快餐式學習方式和中考指揮棒的影響，實驗教學中教師的“教”和學生的“學”更加趨于功利主義，往往存在三種現(xiàn)象：講實驗、看實驗和練實驗.物理實驗中有很多地方用到有害材料，如外界對氣體做功使氣體內(nèi)能增加實驗用的是乙醚，好多教師直接用講實驗來代替真正的實驗.在物理實驗教學中一些難成功的實驗，如晶體熔化實驗，往往是叫學生看視頻實驗.到中考實驗時，針對幾個要考的實驗往往叫學生進行強化練習，機械操作.講、看、練實驗導致的結(jié)果是學生的學習處于淺層次學習，理解不深刻，實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)論死記硬背，實驗操作機械生硬，出現(xiàn)知其然卻不知其所以然的結(jié)果.長此以往，學生的學習興趣和學習積極性會大大減弱，分析問題和解決問題的能力會降低，一碰到開放性的問題，學生們就無從下手.

二、深度學習的概念及特征

深度學習，也被譯為深層學習，是在1976年由美國學者Ference Marton和Roger saljo根據(jù)學習者獲取和加工信息的方式提出來的.目前對深度學習定義比較認同的是：深度學習是指在理解學習的基礎上，學習者能夠批判性地學習新的知識和思想，并將新的知識和思想融入已有的認知結(jié)構(gòu)中，能夠在眾多的思想間進行聯(lián)系，并能夠?qū)⒁延械闹R遷移到新的情境中，作為決策和解決問題的一種學習方式[1].深度學習與淺層學習主要在建構(gòu)反思、思維能力、思維層次、學習內(nèi)容、學習狀態(tài)和學習目標等方面存在著顯著差異，具體表現(xiàn)如表1[2].

表1

（續(xù)表）

由此可見，深度學習注重對知識學習的批判性理解，強調(diào)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.因此，深度學習是一種高階思維為主導的學習過程，是一種更接近知識本質(zhì)和智慧內(nèi)核的學習方式[3].

三、深度學習的實驗教學策略

（一）“認知沖突”引發(fā)深度思考

建構(gòu)主義觀點認為:學習不僅僅是信息量的積累，更是新舊知識經(jīng)驗之間的沖突而引發(fā)的觀念轉(zhuǎn)換和認知結(jié)構(gòu)重組的過程.學習者在學習前不是空著腦袋而是帶著“前概念”進課堂的.這些前概念有的是偏激的甚至是錯誤的，更主要是前概念具有頑固性、持久性和個人性、普遍性等特征.按最近發(fā)展區(qū)理論，要想促進深度學習，就必須把這些前概念進行轉(zhuǎn)化，同時對已有認知結(jié)構(gòu)進行改造和重構(gòu)，使得舊知識和新知識之間建立一座橋梁，引發(fā)學習者深度思考，從而對知識進行有效建構(gòu).

案例1燈泡亮暗是由什么因素決定的

經(jīng)過八年級的串并聯(lián)電路的學習，在學生的頭腦中已經(jīng)形成了燈泡的亮度是由電流決定的錯誤前概念.在初三學電功率時，教師提問：當“220V 100W”“220V 40W”的兩盞燈串聯(lián)時,哪盞燈更亮？學生異口同聲回答一樣亮，理由是它們電流一樣.當合上時卻發(fā)現(xiàn)不是一樣亮而是40W的更亮.這引發(fā)了第一次認知沖突.當提問“220V 200W”“220V 40W”的兩盞燈串聯(lián)時，現(xiàn)象會如何，學生回答是200W的暗，40W的亮，合上開關時卻發(fā)現(xiàn)200W的不亮，40W的亮.這時教師讓學生上臺摸200W燈泡發(fā)現(xiàn)它在發(fā)熱，是有電流的.這又引發(fā)了第二次認知沖突.當“220V 200W”“220V 40W”的兩盞燈并聯(lián)時，又會怎樣？學生回答是40W亮后，當教師合上開關那一瞬間，學生徹底傻眼了，竟是200W的更亮，再次引發(fā)他們的認知沖突.

案例2水和人體到底能否導電

在學生的前概念中，水和人體都是能導電的，但當他們用自己設計出的檢驗導體與絕緣體的檢驗方案時，發(fā)現(xiàn)小燈泡不亮且電流表示數(shù)為0，這時就產(chǎn)生了認知沖突，老師適時提醒，是尊重實驗結(jié)果還是直接認定人體和水是導體這個結(jié)論.這樣的認知沖突就促使學生深度思考，到底是什么原因?qū)е滦襞莶涣烈约半娏鞅硎緮?shù)為0，經(jīng)過仔細、深度地思考后，他們認為主要是電流太小引起的，從而再進一步思考，最后得出最好用靈敏電流表來檢測.

（二）“評價交流”形成深度反思

評價是一種關于價值的判斷,是一種主體性活動，它的作用則是指導活動,確定活動的目標、方向[4].英國文豪蕭伯納說過：一個蘋果跟另一個蘋果交換，最終得到的還是一個，而一種思想跟另一種思想交流，那就是二種甚至更多種思想.可見知識可以在對話中重組，在交流中倍增，在共享中升華.在實驗的探究和設計過程中，進行評價和交流，不但能體現(xiàn)語言的準確性、邏輯性和嚴密性，更能形成深度反思，使思維深刻化.

案例三浮力大小與排開水的重力關系

筆者讓學生設計出排開水的重力時，共有二種方案，如圖1和圖2所示.讓學生自己對二種方案進行評價，評價此方案優(yōu)點和相應的缺點.他們認為：第一種方案在數(shù)據(jù)精確性上有問題，即當小燒杯把排出的水倒入量筒時會因部分水沾著，導致測得排出水的體積比真實值要少；第二種方案實驗操作性上不規(guī)范，即直接用量筒接排出的水，實驗操作不當.通過交流與評價，學生經(jīng)過深度反思后提出可以把兩種方案優(yōu)點組合在一起，提出了第三種方案，即圖3，用小燒杯接著排出的水，然后用天平稱出燒杯和水的總質(zhì)量，或用小筒做這個實驗直接測它們的總重力.

圖1

圖2

圖3

通過評價、交流，形成深度反思后，同學們對數(shù)據(jù)的精確性和實驗操作的規(guī)范性等問題掌握得很清楚.當然在他們評價與交流時，教師要適時引導他們用準確、規(guī)范、簡單明了的語言來表達自己的觀點，鼓勵他們多想、多說，在說的過程中培養(yǎng)他們的語言表達能力.

（三）“真實情境”激發(fā)深度學習

偉大教育家陶行知說過：不以生活為背景的教學是死教學.其也說明了情境在教學中的重要性.而對于物理實驗教學，情境教學顯得尤為重要，它能夠給學生提供一個好的學習情境，使得學生愿意學，喜歡學，特別是真實的物理情境，一旦學生進入這種情境中，各種原生態(tài)的物理問題（大多是開放性問題）會接踵而來，這些問題較書本問題更能激發(fā)學生的學習興趣，使得學習向縱深發(fā)展，從而提升他們運用綜合知識的能力.

案例四水火箭的發(fā)射

當學生學過有關力學知識后，可以嘗試著讓學生自己制作水火箭，然后再進行發(fā)射高度的比賽.為了使自己制作的水火箭飛得最高，這時他們會去學習有關水火箭的一些資料，包括制作、平衡、水量與氣量的比例、發(fā)射角度、總重量、火箭的節(jié)數(shù)等問題.在正式比賽過程中，還會涉及很多的原生態(tài)物理問題，如風力和風向?qū)︼w行的影響，發(fā)射臺的導航軌道長短的影響等.

案例五怎樣使小燈泡正常發(fā)光

“2.5V 0.3A”的小燈泡要正常發(fā)光，學生會想到用二節(jié)干電池，但二節(jié)干電池的電壓有3V，超過小燈泡正常發(fā)光的電壓.這時學生自然想到串聯(lián)一個電阻Rx（通過計算大約為1.67Ω的電阻）去分壓.但實驗室沒有這樣的電阻，只能自己動手做.提供6.8Ω/m的康銅絲、刻度尺、老虎鉗等，算出要截取24.56cm長的康銅絲，如圖4所示.這時小燈泡發(fā)光時兩端的電壓應該是2.5V，當學生把電壓表并聯(lián)在燈泡兩端時卻發(fā)現(xiàn)電壓表示數(shù)小于2.5V，這是為什么？這樣的原生態(tài)問題實際上是對歐姆定律的深度學習和應用.

圖4

（四）“數(shù)字實驗”凸顯科學本質(zhì)

在概念、規(guī)律方面，教育心理學的研究成果顯示，學生在形成概念的初級階段，必須先有一定的感性認識，然后再上升到抽象的、概括的理性認識上.但在實際教學中，好多概念、規(guī)律，特別是傳統(tǒng)實驗得不出正確結(jié)論時，教師往往直接以“空降“的形式拋給學生，弄得學生不知所以，如聽天書.這時教師可以運用數(shù)字傳感器來有效突破概念、規(guī)律的難點，從而凸顯科學本質(zhì)，使學生的學習如飲甘飴、如履平地，大大提高他們的學習積極性和學習效率.

案例六作用力與反作用力的關系

作用力與反作用力往往老師們是直接口頭說的，又或者是用二個彈簧秤直接拉，這樣做的結(jié)果前者是學生不理解，也沒有獲得感性的認識；后者因為彈簧很難控制勻速又或者由于器材等原因?qū)е率緮?shù)不相等，反而會得出錯誤的結(jié)論.運用數(shù)字傳感器連接電腦，可以在電腦上畫出如圖5所示的圖像，又或者直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字顯示.

圖5

通過數(shù)字傳感器的運用，凸顯了科學本質(zhì)，使學生學得清楚又明白，透過現(xiàn)象看事物的本質(zhì)規(guī)律.

（五）“深度探究”導向高階思維

深度學習的核心是高階思維，而科學的本質(zhì)特征是科學探究，它具有重要的教育價值，因為學生在課堂中獲得的探究能力在今后的生活、工作和研究中能得到廣泛的遷移.深度探究可以讓學生解決接近于實際的問題，能夠使學生獲得活動的體驗[5]，為此教師在課堂上應多引導學生通過探究活動，培養(yǎng)他們解決問題的能力，從而導向高階思維.

案例七紙片為什么不會掉下來

在上《大氣壓》這節(jié)課時，老師先在杯中裝滿水，放上紙片，問學生：如果把紙片和杯子一起倒過來，將會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？學生都認為紙片會掉下來，但結(jié)果令他們大跌眼鏡，竟沒有掉下來.這時他們探究欲望被激發(fā)，都在問一個問題：紙片為什么不掉下來呢？學生猜測有三種情況：第一種是紙片是被水吸住了；第二種是大氣壓把紙片壓住了；第三種是大氣壓和水共同作用的原因.老師組織學生繼續(xù)探究，怎么證明他們的猜測呢？學生討論后認為：既然第一種認為是水吸住的，只要把紙片換成是水吸不住的塑料片就成.第二種只要把大氣壓給去除，也即放在真空環(huán)境中或把杯和紙放在鐘罩中，然后抽氣，看紙片有沒有掉下來.第三種只要讓大氣壓進入這個杯中，也就是在杯底鉆個洞，看紙片會不會掉下來.他們所設計的方案如圖6所示.利用此知識老師再組織學生深度探究：為什么有的組實驗不成功，不成功的原因是什么？如果要定量研究大氣壓跟水柱的高度關系應怎么處理？如果杯中有部分空氣，紙片會不會掉下來？為什么不會掉下來？到多少空氣時才會掉下等問題.

圖6

科學探究是新課程改革的一大亮點，為此教師應該以探究的態(tài)度對待教學過程中的每一個細節(jié)，深入探究教學中的各種問題，并用這些問題來設計情境，鼓勵學生進行科學探究，運用已有的經(jīng)驗和知識建立假說，并通過實驗現(xiàn)象作出合理的解釋，運用深度探究，把思維導向高階，從而培養(yǎng)他們分析問題、解決問題的能力.

（六）“家庭實驗”促使深度研究

家庭實驗是課堂的延伸和拓展，它不但是對已學知識的鞏固和應用，更是對已學知識的拓展、升華.在實驗的設計、操作、分析、改進的過程中，促使他們深度研究、深度思考，不但要分析設計方案的可行性，更要把控實驗操作的準確性，對數(shù)據(jù)分析的精準性以及對改進措施的科學性進行一定的評價，從而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力以及動手實踐的能力，也可以培養(yǎng)他們質(zhì)疑、究難、實證、求實的科學態(tài)度和科學精神.

案例八水果電池的導電（水果以蘋果為例）

在學完電壓后，筆者組織學生完成了水果電池導電性的家庭實驗，完成實驗后，總共收到了他們探究的幾個問題：不同水果的導電能力會怎么樣？一個水果產(chǎn)生的電流大約是多少？電流的大小跟水果多少的關系？電流大小跟電極深淺的關系？電流大小跟電極寬度的關系等幾個問題，讓學生完成相應的實驗報告，并對數(shù)據(jù)進行繪圖和分析.

總之，作為教師的我們，應該在物理實驗教學上多嘗試、多實踐，打造以“學”為中心、以實驗為中心、以“深度學習”為核心、以提高學生“核心素養(yǎng)”為目標的高效課堂.