基于深度學(xué)習(xí)的“思維型”科學(xué)探究建構(gòu)

周劍 葉成林

摘? ?要：為引導(dǎo)學(xué)生在初中物理科學(xué)探究主題活動中能全身心積極參與，發(fā)展其建模、推理、論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等科學(xué)思維，體驗(yàn)成功并獲得發(fā)展，文章建構(gòu)深入淺出的思維型科學(xué)探究，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，探尋發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)的創(chuàng)新路徑。

關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí);科學(xué)探究;思維型;學(xué)科核心素養(yǎng)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）5-0008-4

1? ? 深度學(xué)習(xí)概述

深度學(xué)習(xí)（Deep Learning）的概念最初來源于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究。北師大郭華教授認(rèn)為，深度學(xué)習(xí)的內(nèi)涵是指在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生圍繞具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，全身心積極參與探索，體驗(yàn)成功并獲得發(fā)展的有意義學(xué)習(xí)過程（圖1）。外延到物理學(xué)科學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)生掌握物理學(xué)科的核心知識，理解學(xué)習(xí)的過程，把握物理學(xué)科的本質(zhì)及思想方法，形成積極的內(nèi)在學(xué)習(xí)動機(jī)、高級的社會性情感、積極的態(tài)度、正確的價值觀，成為既具獨(dú)立性、批判性、創(chuàng)造性又有合作精神、基礎(chǔ)扎實(shí)的優(yōu)秀學(xué)習(xí)者，成為未來社會歷史實(shí)踐的主人[1]。

研究表明，深度學(xué)習(xí)既是發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的有效途徑，也是對當(dāng)下初中物理課堂探究教學(xué)變革需求的主動回應(yīng)。通過建構(gòu)思維型科學(xué)探究，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，是落實(shí)發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的創(chuàng)新路徑嘗試，對初中物理課堂探究教學(xué)變革有一定的實(shí)踐價值和指導(dǎo)意義。

2? ? 為何建構(gòu)思維型科學(xué)探究

2.1? ? 課標(biāo)降位

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》中科學(xué)探究包含提出問題、猜想與假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂計(jì)劃、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集證據(jù)、分析與論證、評估、交流七個要素，《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》將科學(xué)探究修改為問題、證據(jù)、解釋、交流四個要素?？茖W(xué)探究從原先被三維目標(biāo)統(tǒng)領(lǐng)，改為和物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任并列，新課程標(biāo)準(zhǔn)的變化，說明科學(xué)探究與知識與技能的內(nèi)化、科學(xué)思維的養(yǎng)成、情感、態(tài)度與價值觀的培養(yǎng)一樣不可或缺。

2.2? ? 師生迎合

近十年來，在初中物理教學(xué)中，師生對科學(xué)探究的迎合源于《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》的指向?！半m不能理解，但可以認(rèn)同”，導(dǎo)致師生對探究活動重視有余而深入不足，開展的探究活動多數(shù)流于形式，呈現(xiàn)出為了探究而探究的“偽探究”。在這種貌似“精彩絕倫”的探究過程中，學(xué)生“真動手”卻“假動腦”，實(shí)際上處于“虛假繁榮”的淺層學(xué)習(xí)層面，得到的結(jié)論常常不會遷移應(yīng)用，“知其然而不知其所以然”。最終，學(xué)生的思維沒有得到實(shí)質(zhì)性發(fā)展。

2.3? ? 反思缺失

首先，科學(xué)探究的七個要素中沒有反思，師生很容易忽視這個重要的環(huán)節(jié)，誤以為科學(xué)探究不需要反思，導(dǎo)致教學(xué)隨著探究活動的結(jié)束而終止，師生對科學(xué)探究的目標(biāo)、過程和結(jié)果“學(xué)而不思”，缺乏批判性的深刻認(rèn)識。其次，不是所有物理知識都需要科學(xué)探究，有些通過理論演繹或驗(yàn)證即可。如果缺乏對科學(xué)探究的反思，未能找準(zhǔn)其角色定位，則會導(dǎo)致濫用或亂用，教學(xué)效果適得其反。

3? ? 何為初中物理思維型科學(xué)探究

3.1? ? 初中物理思維型科學(xué)探究的內(nèi)涵

初中物理思維型科學(xué)探究是以深度學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)，提升初中物理探究活動的科學(xué)性，注重發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維及實(shí)際解決問題的能力;以“生動的問題情境、積極的具身體驗(yàn)、意義的整合運(yùn)用、批判的交流反思”為基本原則，創(chuàng)設(shè)有發(fā)展思維空間的挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)主題，引導(dǎo)學(xué)生感悟內(nèi)化物理知識的意義達(dá)成，體驗(yàn)學(xué)習(xí)的獲得感、價值感和意義感;以解決情境中生成的問題為目標(biāo)，探索科學(xué)探究中提升學(xué)生思維品質(zhì)的策略，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

3.2? ? 初中物理思維型科學(xué)探究的架構(gòu)

促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的思維型科學(xué)探究過程及教師活動和學(xué)生活動如表1所示。

首先，通過圖片、視頻或生活情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，明確科學(xué)探究的學(xué)習(xí)主題;其次，讓學(xué)生制訂科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)方案，全身心積極參與動手實(shí)驗(yàn)操作，并記錄數(shù)據(jù);然后，分析實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，并進(jìn)行深加工處理，尋找有力的證據(jù)，形成合理的結(jié)論，再用已有的結(jié)論進(jìn)行科學(xué)解釋，體驗(yàn)成功;最后，撰寫完整、規(guī)范的科學(xué)探究報告，交流、反思科學(xué)探究的過程與結(jié)果，獲得發(fā)展。

4? ? 如何進(jìn)行初中物理思維型科學(xué)探究教學(xué)

筆者以“探究物體從高空下落時收尾速度的影響因素”教學(xué)為例，探討如何通過建構(gòu)思維型科學(xué)探究來促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，以期拋磚引玉。

4.1? ? 創(chuàng)設(shè)問題情境，激發(fā)認(rèn)知沖突，明確學(xué)習(xí)主題

【環(huán)節(jié)1】 問題

播放“火神山”建設(shè)的“云監(jiān)工”短視頻，小華注意到在整個“火神山”醫(yī)院建設(shè)的過程中，幾乎天天下雨，而電力工人們冒雨進(jìn)行電力設(shè)施的鋪設(shè)，從中他觀察到下列現(xiàn)象：“瓢潑大雨”以很快的速度降落到地面，而“毛毛細(xì)雨”則緩慢地飄落到地面，故而擔(dān)心雨滴落到地面的速度會影響整個工程的施工進(jìn)度。

師：請從上述生活情境中提煉出有價值、可探究的物理問題。

生：雨滴下落的速度受什么因素影響？

師：查閱資料，物體從高空下落時，速度越來越大，所受阻力也越來越大，當(dāng)阻力增大到與重力相等時，將以某一速度做勻速直線運(yùn)動，這個速度被稱為物體下落的收尾速度。

生：物體從高空下落時的收尾速度與什么因素有關(guān)？

師：請?zhí)岢龊侠淼牟孪肱c假設(shè)。

生：可能與物體的橫截面積有關(guān)，可能與物體的質(zhì)量（或重力）有關(guān)。

評價：通過教師設(shè)計(jì)一個抗疫（火神山建設(shè)）視頻情境，激起學(xué)生的興趣。學(xué)生情不自禁地將情境與前概念聯(lián)系，喚醒休眠的思維。在教師的引導(dǎo)下，先提煉出“粗問題”，再加工形成有價值、可探究的物理“細(xì)問題”。做出合理猜想假設(shè)后，明確本次挑戰(zhàn)的學(xué)習(xí)主題。

4.2? ? 注重具身體驗(yàn)，引導(dǎo)自主建構(gòu)，積極身心參與

【環(huán)節(jié)2】 證據(jù)

制訂計(jì)劃并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，論證并選定方案進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)操作，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在設(shè)計(jì)的表中，如表2所示。

師：如何研究物體的下落過程呢？

生：可以用小球作為理想化模型來代替生活中的不規(guī)則物體作為研究對象進(jìn)行探究。

師：怎樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)？請討論并確定方案。

生：……（小組討論，分析論證）

生：取5個不同的小球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在相同環(huán)境條件下，分別從一定高度（足夠高）由靜止下落，來探究小球從高空下落時的收尾速度與哪些因素有關(guān)。

師：如何測量物體下落時的收尾速度？

生：利用頻閃照片研究，小球從足夠高的地方下落到一定程度，將保持勻速直線運(yùn)動。

評價：教師搭建問題支架，驅(qū)動學(xué)生思維活動，建構(gòu)模型來研究問題。學(xué)生制訂實(shí)驗(yàn)方案，體驗(yàn)物理知識建構(gòu)的過程，積極參與并討論方案的合理性，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)論證能力。學(xué)生積極參與研究，設(shè)計(jì)表格記錄原始數(shù)據(jù)，在自主建構(gòu)和具身實(shí)驗(yàn)中體驗(yàn)成就感、價值感。

4.3? ? 強(qiáng)調(diào)整合運(yùn)用，重視遷移應(yīng)用，體驗(yàn)探究成功

【環(huán)節(jié)3】 解釋

學(xué)生從實(shí)驗(yàn)得到的原始數(shù)據(jù)中尋找規(guī)律與處理方法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行深加工處理后形成合理的結(jié)論。用已有的物理知識進(jìn)行科學(xué)解釋。

師：比較1、2號小球的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到的初步結(jié)論是什么？

生：在該環(huán)境下，半徑相同的小球從高空落下時，質(zhì)量越大，收尾速度越大。

師：能否找到比定性關(guān)系更精準(zhǔn)的定量關(guān)系？（提示求比值）

生：在該環(huán)境下，半徑相同的小球從高空落下時的收尾速度與質(zhì)量成正比。

師：從其他小球的數(shù)據(jù)看，還能得到什么結(jié)論？（提示小球橫截面積與半徑的關(guān)系，π≈3.14）

生：在該環(huán)境下，質(zhì)量相同的小球從高空下落時的收尾速度與橫截面積成反比。

師：根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，推理5號小球的收尾速度。（提示用已有的結(jié)論遷移應(yīng)用）

生：根據(jù)前面得到的兩個結(jié)論，可以增加對照組6，如表3所示，假設(shè)增加6號小球，由2、6號小球?qū)φ諗?shù)據(jù)推理出6號小球的收尾速度應(yīng)該是40/9 m·s-1;再由5、6號小球?qū)φ諗?shù)據(jù)推理出5號小球的收尾速度是40 m·s-1。

評價：通過物理知識意義的整合運(yùn)用，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維與推理能力。引導(dǎo)學(xué)生分析數(shù)據(jù)，尋找加工和處理數(shù)據(jù)的方法，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，形成合理的結(jié)論，學(xué)會遷移應(yīng)用，即用已有的物理知識進(jìn)行科學(xué)解釋，感悟探究的價值感和意義感。

4.4? ? 引導(dǎo)交流反思，強(qiáng)化自我監(jiān)控，獲得思維發(fā)展

【環(huán)節(jié)4】 交流

完成上述活動，引導(dǎo)學(xué)生對科學(xué)探究過程和結(jié)論進(jìn)行反思，分享經(jīng)驗(yàn)和交流成果。

師：5號小球的收尾速度還有其他解法嗎？

生：……如果能直接算出就好了。

師：由實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論，小球的收尾速度表達(dá)式可設(shè)為v=km/r2，把1號小球的數(shù)據(jù)代入可得：16 m·s-1=k×2 g/（0.05 m）2，求出：k=0.02 m3/（g·s），代入5號小球的數(shù)據(jù)求得收尾速度：v=km/r2=0.02 m3/（g·s）×45 g/（0.15 m）2=40 m·s-1。

生：原來還可以將科學(xué)探究得出的物理規(guī)律轉(zhuǎn)化為表達(dá)式，準(zhǔn)確地解出答案。

師：你認(rèn)為上述科學(xué)探究的過程合理嗎？有無需要改進(jìn)的地方？

生：可以更換其他物體再進(jìn)行實(shí)驗(yàn);可增加對照組多次實(shí)驗(yàn)。

師：通過上述探究，與同學(xué)交流合作并解釋“跳傘運(yùn)動員打開降落傘后比打開降落傘前的收尾速度小”的原因是什么？

生：由實(shí)驗(yàn)結(jié)論知，若其他因素不變，打開降落傘，半徑增大，橫截面積增大，收尾速度變小。

評價：利用交流反思（師生交流，生生交流），推動學(xué)生思維深入，實(shí)現(xiàn)自我監(jiān)控。撰寫完整、規(guī)范的科學(xué)探究報告，交流、反思科學(xué)探究的過程與結(jié)果，通過師生交流，在反思中質(zhì)疑，將物理規(guī)律定性解決問題轉(zhuǎn)化為定量表達(dá)式解決問題，創(chuàng)新改進(jìn)方法，讓學(xué)生獲得思維發(fā)展。

5? ? 結(jié)? 語

綜上，建構(gòu)初中物理思維型科學(xué)探究教學(xué)范式，引導(dǎo)學(xué)生思維經(jīng)過認(rèn)知沖突—自主建構(gòu)—遷移應(yīng)用—自我監(jiān)控等過程，引發(fā)學(xué)生模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等科學(xué)思維活動，促進(jìn)學(xué)生在科學(xué)探究中科學(xué)思維的養(yǎng)成，進(jìn)入真正意義上的深度學(xué)習(xí)。實(shí)踐表明，指向深度學(xué)習(xí)的初中物理思維型科學(xué)探究的教學(xué)范式，讓學(xué)生身心得到解放，思維得到高品質(zhì)發(fā)展，為物理學(xué)科核心素養(yǎng)落地生根尋找了一條卓有成效的創(chuàng)新路徑。

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（欄目編輯? ? 趙保鋼）