深度學(xué)習(xí)理念下實(shí)施物理模型建構(gòu)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

摘 要：物理模型的建構(gòu)歷程本質(zhì)上是科學(xué)思維的物化過程.將已有知識遷移到新的情景中進(jìn)行設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí).以傳感器為抓手，構(gòu)建并自制多項(xiàng)教具模型和子模型，實(shí)施探究阿基米德原理的系列創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生的深度學(xué)習(xí)真正發(fā)生.

關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí);模型建構(gòu);浮力;數(shù)字化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn);科學(xué)思維

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

基金項(xiàng)目：安徽省教育科學(xué)研究項(xiàng)目課題“基于深度學(xué)習(xí)的初中物理教學(xué)實(shí)踐研究”（項(xiàng)目編號：JK20057）.

作者簡介：林軍（1972-），男，安徽合肥人，本科，中學(xué)高級教師，物理教研員，研究方向：中學(xué)物理教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究.

1 引言

深度學(xué)習(xí)是一種基于理解的學(xué)習(xí)，是學(xué)習(xí)者以高階思維發(fā)展和實(shí)際問題解決為目標(biāo)，以整合知識為內(nèi)容，積極主動、批判性學(xué)習(xí)新的知識和思想，并將它們?nèi)谌氲皆械恼J(rèn)知結(jié)構(gòu)中，且能將已有的知識遷移到新的情景中的一種學(xué)習(xí).物理是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的一門學(xué)科，實(shí)驗(yàn)離不開物理模型的構(gòu)建，在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的模型建構(gòu)中培養(yǎng)學(xué)生的知識遷移、批判性思維、自我反思的能力，本質(zhì)是高階思維的具體表征.本文以“阿基米德原理”的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為例，在設(shè)計(jì)和制作物理模型的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中融入數(shù)字化傳感器技術(shù)，在深度學(xué)習(xí)中將創(chuàng)意實(shí)現(xiàn)物化.

2 傳統(tǒng)浮力實(shí)驗(yàn)的不足之處

探究浮力大小與哪些因素有關(guān)與阿基米德原理是初中物理的重要實(shí)驗(yàn).在順利完成教材實(shí)驗(yàn)操作后，學(xué)生可以根據(jù)已有的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，領(lǐng)悟與反思傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足之處.比如實(shí)驗(yàn)中的唯一測量工具——彈簧測力計(jì)，在手提使用時(shí)，由于指針上下振動，讀數(shù)很不方便;一組實(shí)驗(yàn)中讀取的數(shù)據(jù)量太多;探究浮力大小與物體排開液體的體積關(guān)系實(shí)驗(yàn)中，一次最多只能收集4-5組數(shù)據(jù)（立方體物塊可以分4-5等份）;關(guān)系圖像只是點(diǎn)狀分布;誤差較大，科學(xué)性差等諸多問題.因此，筆者通過小組合作探究活動中構(gòu)建物理模型，將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)融入傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，獲得物理知識理解的同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力，實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，達(dá)到知識與能力的雙贏.

3 以小組實(shí)驗(yàn)為平臺，在深度學(xué)習(xí)中建構(gòu)物理模型

筆者在浮力實(shí)驗(yàn)演示、學(xué)生微課觀摩和習(xí)題訓(xùn)練中，將對浮力實(shí)驗(yàn)和規(guī)律理解較深刻的學(xué)生，選為實(shí)驗(yàn)小組的組長，自由組建“搭檔”組員，實(shí)施基于實(shí)踐體驗(yàn)的“模型構(gòu)建+小組合作”的教學(xué)模式，這樣既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和組內(nèi)合作意識，也能實(shí)現(xiàn)提升課堂教學(xué)效能的目標(biāo)，更能培養(yǎng)學(xué)生信息化核心素養(yǎng)，為學(xué)生的可持續(xù)發(fā)展提供更廣闊的技術(shù)平臺.

3.1 初見成功端倪，感受數(shù)字模型的溫度

發(fā)生深度學(xué)習(xí)的學(xué)生能抓住教學(xué)內(nèi)容的本質(zhì)屬性，全面把握知識的內(nèi)在聯(lián)系，并能由本質(zhì)推出若干變式.

模型1 測量物塊浮力F浮大小實(shí)驗(yàn)

師：同學(xué)們對教材中測浮力大小的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)都已經(jīng)熟知其原理和實(shí)驗(yàn)過程，今天我們確定新主題，如何運(yùn)用數(shù)字化傳感器對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)？同學(xué)們對數(shù)字化器材的使用已有一些經(jīng)驗(yàn)，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(shù)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(xué)生陷入沉思之中……

此時(shí)，教師帶領(lǐng)學(xué)生重溫剛才的測量思路.

師（點(diǎn)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(shù)F′，我們進(jìn)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(shí)施“調(diào)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(yùn)用力傳感器的“調(diào)零”功能，可以從傳感器上直接稱出浮力的相反數(shù)，將其示數(shù)的絕對值大小再與被物體排開的液體的重力大小G排進(jìn)行比較，很快得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論.到此為止，我們的實(shí)驗(yàn)思路理清了，此處正是我們實(shí)驗(yàn)最靚麗的創(chuàng)新點(diǎn).

如圖1所示，組裝實(shí)驗(yàn)裝置（學(xué)生稱“鐵架臺式”）：帶有EDISlabpro數(shù)字化系統(tǒng)軟件的筆記本電腦、雙向力FS400傳感器1個(gè)、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)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(shí)驗(yàn)：緊固好鐵架臺的橫桿，懸掛好力傳感器并打開電腦中數(shù)字化系統(tǒng)軟件，新建工作界面，點(diǎn)擊“調(diào)零”，再次掛上物塊，界面顯示，F(xiàn)=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(zhuǎn)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(jī)開關(guān)的同時(shí)點(diǎn)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(diǎn)擊“調(diào)零”，界面顯示F=0，重復(fù)甲組步驟，讓物塊全部浸沒，得出傳感器拉力F=0.79N，F(xiàn)的大小就是浮力大小F浮.學(xué)生探究能力得到提升，探究效果初見端倪.

3.2 實(shí)施等效思維，提升實(shí)驗(yàn)探究的熱度

學(xué)生在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上融合數(shù)字化傳感器，成功地實(shí)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)

情境展示：

師：現(xiàn)以探究阿基米德原理F浮=G排作為新模型的起點(diǎn)，請甲組同學(xué)們發(fā)表建議，說出設(shè)計(jì)思路.

甲組成員間展開熱烈討論后，小組長提出設(shè)計(jì)思路：用力學(xué)傳感器替代彈簧測力計(jì)，直接測量F浮和G排的大小，利用數(shù)字化軟件系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)收集和處理能力直接得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

師：同學(xué)們的想法很好.

裝置的制作過程及操作方法：

（1）器材準(zhǔn)備：在裝置圖1的基礎(chǔ)上，還需要雙向力FS400傳感器兩個(gè)、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(xì)線分別懸掛在支架上，用數(shù)據(jù)線連接高頻數(shù)據(jù)采集器，再用數(shù)據(jù)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(gè)傳感器進(jìn)行標(biāo)識）掛鉤下用細(xì)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(shù)據(jù).

（3）操作方法：

①=1＼*GB3打開裝有EDISlabpro數(shù)字化系統(tǒng)軟件的筆記本電腦，點(diǎn)開桌面右上角圖標(biāo)彈出菜單，點(diǎn)擊“新建”按鈕，出現(xiàn)工作界面;點(diǎn)擊“自動識別”按鈕;點(diǎn)擊“ 采集參數(shù) ”按鈕，設(shè)定采集時(shí)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(shù)方格，彈出對話框，點(diǎn)擊“調(diào)零”，使兩個(gè)傳感器示數(shù)都?xì)w零.

②=2＼*GB3 點(diǎn)擊桌面“開始”按鈕，用手轉(zhuǎn)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(diǎn)擊“停止”按鈕.雙擊“F1”數(shù)據(jù)欄，彈出“數(shù)據(jù)列屬性”，點(diǎn)擊“顯示”，再點(diǎn)擊“前景顏色”，選中“紅色”，確定力傳感器2生成的數(shù)據(jù)和圖像呈現(xiàn)成紅色.

③=3＼*GB3 電腦工作界面收集數(shù)據(jù)并形成圖像，如圖3所示，鼠標(biāo)右擊圖像彈出對話框，依次點(diǎn)擊“輸出”“保存圖片”，命名文件名“模型2”進(jìn)行保存，點(diǎn)擊“導(dǎo)出到實(shí)驗(yàn)報(bào)告”，導(dǎo)出帶有實(shí)驗(yàn)圖像的實(shí)驗(yàn)報(bào)告單.

小組內(nèi)多次重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)F浮=0.79N（藍(lán)色數(shù)據(jù)）和G排=0.70N（紅色數(shù)據(jù)）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(shí)候組長想起來了，“升降臺的臺面在上升整個(gè)過程中會晃動，無法保證臺面最終為水平面，是導(dǎo)致誤差產(chǎn)生的主要原因”.一石激起千層浪，同學(xué)們又開始討論解決問題的辦法.

這時(shí)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(zhuǎn)軸上繞有細(xì)線的電動機(jī)下懸掛物塊，啟動電機(jī)，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(yùn)用了轉(zhuǎn)換法思維.在老師的幫助下，乙組全體成員進(jìn)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(jī)，將繞有細(xì)線的減速電機(jī)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(jī)（直流6V）.如圖4所示，組裝好實(shí)驗(yàn)裝置，閉合電機(jī)開關(guān)，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(guān)閉電機(jī)電源.整個(gè)過程由數(shù)字化系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄.果然，同學(xué)們?nèi)缭敢詢敚贸鯢浮=G排=0.79N（如圖4所示），每次實(shí)驗(yàn)的誤差都很小.

學(xué)生通過2輪小組合作，收獲了成功的喜悅，教師要呵護(hù)好組內(nèi)探究的熱情，鼓勵(lì)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)探究進(jìn)行下去.

3.3 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，加大探究活動的力?/p>

前蘇聯(lián)教育家贊可夫說過：教學(xué)法一旦觸及學(xué)生的情緒和意志領(lǐng)域、觸及學(xué)生的精神需要，這種教學(xué)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(guān)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(guān)系，首要問題是在實(shí)驗(yàn)中如何反映出V排具體的變化量，同學(xué)們有何建議？生：由于實(shí)驗(yàn)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(shè)物體隨著減速電機(jī)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(shí)間成正比的結(jié)論，函數(shù)F浮-V排關(guān)系就可以轉(zhuǎn)化為F浮-t關(guān)系，仍然可以用以上裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究.師：你的思路很好，運(yùn)用了轉(zhuǎn)換法思維，這次你們兩組共同完成這一任務(wù).

小組在實(shí)驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)鐵架臺裝置比較松散，搬運(yùn)不方便，師生合作制作圖5所示的（學(xué)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(jī)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(shù)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(shí)施“調(diào)零”，接通電機(jī)電源的同時(shí)開始記錄數(shù)據(jù)，關(guān)閉電機(jī)電源的同時(shí)停止記錄數(shù)據(jù)，保存數(shù)據(jù)圖像（如圖5所示）.小組交流討論，從F浮-t函數(shù)圖像發(fā)現(xiàn)：在液體密度不變時(shí)，浮力大小與物體排開液體的體積成正比關(guān)系.

3.4 挖掘?qū)W習(xí)潛能，刷新實(shí)驗(yàn)探究的高度

布盧姆將認(rèn)知過程分為六個(gè)層次，其中深度學(xué)習(xí)的水平達(dá)到“應(yīng)用、分析、評價(jià)、創(chuàng)造”這四個(gè)較高級的認(rèn)知層次，注重知識的深度應(yīng)用和問題解決，是一種高級認(rèn)知技能的獲得.

模型4 探究浮力大小與液體密度之間關(guān)系

師：同學(xué)們在探究教材中F浮與ρ液關(guān)系實(shí)驗(yàn)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(guān)系.那么，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的最大特點(diǎn)就是采集和處理大量數(shù)據(jù)并形成圖像得出規(guī)律.大家對此實(shí)驗(yàn)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(jù)等效法思維，有兩條路徑讀取F?。嚎梢赃\(yùn)用力傳感器1探究F浮與ρ液之間關(guān)系;也可以運(yùn)用傳感器2（測量G排）同樣能探究F浮與ρ液之間關(guān)系.師：同學(xué)們的思路很敏捷，下面繼續(xù)分組建構(gòu)子模型.

子模型1 只用力傳感器1（測F浮大?。┨骄縁浮與ρ液關(guān)系

甲組學(xué)生先將圖5裝置中力傳感器2卸下來，打開電腦中數(shù)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(diǎn)擊“調(diào)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(jī)的同時(shí)點(diǎn)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(jī)開關(guān)的同時(shí)點(diǎn)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(fù)以上實(shí)驗(yàn)，再次讀出F=-0.67N，得出F酒浮=0.67N（如圖6所示），發(fā)現(xiàn)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?。┨骄縁浮與ρ液關(guān)系

乙組學(xué)生將物塊直接掛在減速電機(jī)的細(xì)線下（去掉傳感器1），打開電腦中數(shù)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(diǎn)擊“調(diào)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(jī)的同時(shí)點(diǎn)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(jī)開關(guān)同時(shí)點(diǎn)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(fù)以上實(shí)驗(yàn)，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(nèi)，根據(jù)阿基米德原理G排=F浮可直接讀出浮力大小，學(xué)生用等效法也同樣完成了實(shí)驗(yàn).

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)操作，各組學(xué)生都形成共識，發(fā)現(xiàn)兩種路徑殊途同歸，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：物體受到液體的浮力F浮與液體的密度ρ液有關(guān)，密度越大，浮力也越大.學(xué)生組內(nèi)交流，發(fā)現(xiàn)了通過兩組圖像的走勢近似平行的特點(diǎn)，順利得出V排相同時(shí)，F(xiàn)浮與ρ液是成正比的結(jié)論.

4 結(jié)語

通過對知識的批判性理解、注重新舊知識的整合或聯(lián)結(jié)、在真實(shí)問題中解決問題，更加關(guān)注對學(xué)習(xí)和自我認(rèn)知的反思，這些都是深度學(xué)習(xí)的重要特征.

基于浮力的數(shù)字化創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)，做到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性收集和處理，又能夠依據(jù)新課標(biāo)要求，運(yùn)用控制變量法，在模型和子模型的建構(gòu)過程中探究阿基米德原理.既激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極探索問題的熱情，又實(shí)現(xiàn)在探究中提高發(fā)現(xiàn)并解決問題的能力;既強(qiáng)化了學(xué)生的模型建構(gòu)能力，又培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維方法和創(chuàng)新創(chuàng)造能力;既培養(yǎng)了小組團(tuán)結(jié)協(xié)助意識，又提升了他們的信息技術(shù)素養(yǎng).正如教育專家黃恕伯先生所說的：“信息技術(shù)在物理教學(xué)中引用的策略是‘揚(yáng)長補(bǔ)短，不是‘揚(yáng)長避短，應(yīng)該在發(fā)揚(yáng)其優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)彌補(bǔ)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(xué)習(xí)的集中體現(xiàn)，在項(xiàng)目式、多路徑、師生交流、生生合作等多渠道中靈活運(yùn)用轉(zhuǎn)換法和等效法思維，培養(yǎng)學(xué)生的分析問題和解決問題的科學(xué)思維能力.

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（收稿日期：2020-12-22）