基于深度学习的初中物理实验教学策略初探

李雅芬，郑卫峰

[摘 要] 从深度学习概念内涵的发展出发，依据深度学习能力的分类，结合实际教学案例提出促进深度学习的初中物理实验教学策略：教学联系真实世界，还原探究过程，建立积极的学习共同体，建立学科联系，学会学习，掌握学科核心知识，发展批判性思维、有效合作沟通、学会学习、学会毅力等，促进深度学习。

[关 键 词] 深度学习；物理实验；教学策略

[中图分类号] G612 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2018）10-0160-03

在信息技术日新月异的今天，终身学习和深度学习是社会每个成员为适应社会发展和个体发展的需要。因此，如何进行深度学习和培养学生深度学习的能力，将成为未来教育改革发展的重要课题之一[1]。在基础教育阶段深度学习通常指在理解的基础上对新知识进行内化。物理学科作为一门研究物质运动最一般规律和物质基本结构的学科，是其他各自然科学学科的研究基础，因此物理学也是一门带有方法论性质的科学。由于物理学科的这些特点使物理学科在培养中学生深度学习能力上有着特殊的作用。因此现今的物理课堂不能局限于陈述事实，教师也不应该仅仅做知识的传播者，而是应该引导学生将知识内化和吸收，并在理解的基础上深度学习。

那么在物理实验教学中如何促进初中学生深度学习？本文从深度学习的概念出发，开展基于深度学习的初中物理实验策略的初步研究。

一、深度学习的概念

深度学习的概念和内涵一直在不断发展变化，国内外学者从不同视角对深度学习进行研究，对其概念的界定也不尽相同。20世纪50年代，美国学者Ference Marton和Roger Saljoa率先开始对深度学习进行实验研究，于1976年发表的《学习的本质区别：结果与过程》一文中，首次提出深度学习和浅层学习两个相对概念[2]。此后，Biggs和Collis、Ramsden、Entwistle等学者发展了相关理论。早期，深度学习的研究主要侧重学习方式，认为深度学习是相对于浅层学习的方式。国内学者对深度学习的研究起步比较晚，2005年，何玲、黎加厚首先介绍了深度学习的概念，认为深度学习是在理解的基础上，批判地学习，将新知识融入原有的认知结构中，将已有的知识迁移到新的情境中，作出决策和解决问题的学习[3]。

随着研究的发展，研究者从关注深度学习的方式过渡到关注深度学习发生的过程和学习结果。美国国家研究委员会于2012年出版了《Education for life and work： Developing transferable knowledge and skills in the 21st century》，在该书中提出，深度学习是个体将学习的知识从一种情境应用到另一种新的情境的过程，即迁移。同时该书将深度学习能力分类，分成三个维度，即，认知领域、人际领域和个人领域[4]。在文献研究和广泛征求专家意见的基础上，William and Flora Hewlett基金会支持下的深度学习研究项目提出，深度学习是学生胜任21世纪工作和公民生活必须具备的能力，这项能力可以让学生灵活地掌握和理解学科知识以及应用这些知识去解决课堂和未来工作中的问题，主要包括掌握核心学科知识、批判性思维和复杂问题解决、团队协作、有效沟通、学会学习、学会毅力六个维度的基本能力[5]。

卜彩丽、冯晓晓、张宝辉从深度学习的概念、策略、效果和启示上对美国深度学习项目进行了解读与分析，提出在深度学习能力框架中，学生认知领域的能力包括掌握核心学科知识和批判性思维与复杂问题解决能力；人际能力包括团队协作、有效沟通能力；个人能力由学会学习、学习毅力两个关键能力组成[6]。

二、基于深度学习的初中物理实验教学策略

根据William and Flora Hewlett基金会支持下的深度学习研究项目对深度学习的研究，学生深度学习能力的提升，可以通过设计或重新设计学校的教学策略、教学结果、学校文化达到目的，深度學习的策略和途径分为两个：一是重塑课堂教学设计，明确教学目标、课程开发、课堂教学、教学评价；二是变革学校结构，课时上灵活安排、开设咨询课、支持个性化发展的学校文化。因此以培养深度学习的能力为出发点，针对初中物理实验教学提出以下策略。

（一）认知领域能力层面培养策略

1.教学要联系真实世界，帮助掌握核心学科知识

奥苏泊尔说，只有学生亲身经历、感受的东西才能真正理解和掌握。因此，在物理教学中，教师要设置合理的情境，提出合理的问题。设置的情境越贴近学生生活、越真实，学生的求知欲望，学习动机就越强烈。

例如，在沪科版九年级第十四章第二节“让电灯发光”教学中，教学内容上对短路进行定义并陈述了短路的危害。若只有简单的陈述定义，学生只是知道一个新的概念，对短路的认识止于浅层学习上，仅仅停留在“知道和领会”，并没有对新知识有认同感。教材上写，短路在生活中，轻则用电器不能工作，重则会引起火灾，仅仅描述它的危害没有帮助学生更好地掌握新知识，更没有到达应用、分析、评价及创造的层次。究竟什么是短路，短路能造成哪些危害，教学上还是要从日常生活的短路现象来入手，激发学生学习兴趣。为此实践中利用如下的器材：两节干电池，导线，口香糖包装锡纸，取锡纸大小比电池稍大一些，中间部分剪小（如图1所示），进行实验。

实验过程如下：（1）学生用手抓住锡纸，直接将电池正负两极连接（如图2），此时电源短路，很快会觉得烫手，松开电池。（2）将剪好的锡纸连在导线之间，和电池构成回路，形成短路电路，很快会观察到锡纸燃烧的现象。（如图3）教学中实验现象明显，学生可以非常直观地感受到、看到短路造成的危害。网络上有视频教大家在野外利用电池和锡纸来点火，但这样用完之后，电池可能坏了，不能再进行使用，操作的时候也要注意安全，避免发生火灾，教导学生注意安全。

教师一定要根据学习内容的特点、教学目标的要求、学生思维的发展状况适时创设能够促进深度学习的课堂情境，并引导学生积极体验，最终达到将所学知识与情境建立联系并实现迁移的目的[7]。在真实情境中，学生积极参与实践，主动对新知识作出理解和判断，对学习情境有了更深入的理解，掌握了情境中的关键要素，更容易建立清晰的物理概念。在相似的情境中，分析判断差异并将原则思路迁移运用，也就能够举一反三，发展了核心素养，达到了深度学习的目的。

2.还原探究过程，发展批判性思维能力的策略

深度学习的重点在于关注学生的学习过程，提升学生的综合素养。在一些实验探究过程中，教师提前给定了实验步骤，并对一些实验细节提出要求，而某些要求提前呈现了本应该在后续环节出现的物理问题，进行跳跃式的引导，反而导致学生产生更多的困惑。如果教学中先给定了实验步骤，那么整个实验也就失去了探究的意义。学生给出的数据，只是在迎合课本的结论。在所谓探究实验的过程当中，只经历了体验，并没有通过实验对知识有更深刻的认识。

如在探究动能的大小跟哪些因素有关的实验中，将木块放在水平面上，钢球由静止开始沿斜面向下运动，比较木块分别被不同高度处滚下的同一钢球撞击后运动的距离。在实验中，如果直接给定实验步骤，学生在老师直接阐述下明确小木块在该实验的作用，观察小球从不同高度下滑。这样的实验过程，没有经历质疑、探究，学生往往对小球从不同高度滚下的作用认识不明确，以为动能与高度有关。为了探究动能究竟和哪些因素有关。首先，我们要如何让小球动起来？除了小球我们需要哪些辅助器材？学生回答用手推，用绳子拉，斜面辅助，教师根据几种方案演示，学生发现用手推或者绳子拉不好控制，每次实验小球的运动并不一致，也就是无法得到相同的速度，也不好客观地比较速度大小。在这个基础上，教师引导学生说出选择斜面的好处，回忆在学习牛顿第一定律的实验，运用斜面，使滑块从斜面的顶端或者同一位置下滑，到水平面的具有相同的初速度。因此，在探究动能的影响因素实验中，实验器材要包含斜面。那么，小球从不同高度静止下滑，到达水平面时会有不同的初速度。接着引导学生思考动能大小又该靠什么来比较。学生讨论出靠观察木块被推动的距离来体现动能大小。在本实验教学案例中学生经历真实的探究过程，并不是从结论出发，而是从实验目的出发层层递进。教学中，从获得动能，到比较动能的大小，每一个步骤的设计、需要的器材，以及其间所要注意的细节恰恰反应了探究的精髓。科学家也是在这样的分析中不断质疑实验方案，开始改进方法，得到正确的结论。

学生经历的并不是随意的感受，而是理性的探索。在平时教学中，教师要充分研究学生，从问题出发，欢迎学生质疑，逐个解决疑问，真正经历探究过程。学生在批判中建构知识，并不停留在记忆、理解的层面，而是将分析、评价、创造作为教学的重点关注对象，这样才符合深度学习。

（二）人际领域能力培养策略

人际领域能力的培养可通过拓展训练，创建积极的学习共同体，加强团队协作，促进有效沟通等。为此根据教材的安排，进行一定的拓展，将日常生活中与其相关的物理现象作为实验内容。在研究过程中，学生进一步发散思考，将已经掌握的知识、科学方法迁移到新的情境中，在探索中得到提升综合素养。压强是初中物理的重要知识点，经过一个单元的学习，学生已经知道压强与压力、受力面积的关系，在此基础上可以进行拓展[8]。比如，研究形状与承重能力的关系，研究桥梁结构。

实验探究过程（如图4所示）是利用纸条和橡皮擦来研究不同形状的承重能力。当纸条平放时，承受力的能力比较差，如图4（1），而拱形、L形、锯齿形承重能力都不错，如图4（2）（3）（4）。因为这些形状能够把压力分散到不同部分，所以拱形、L形、锯齿形承重能力也就增加了。我们生活中的L型支架，包装箱的瓦楞纸都跟这个有关。在此基础上，继续开展活动，以4人小组为单位，用一张A4纸制作纸桥模型，举行承重比赛。在这样的拓展活动中，学生自己制作模型，物理知识、数学能力都能在其中展现出来。课堂提供给学生展示、交流的机会，学生发挥创造性，按照自己的设计方案、动手实践并改良。拓展活动可能不会在考试中有所体现，但在真实的情境探究过程中，学生积极参与。在改良过程中，为了解决难题，学生要去努力掌握其他复杂的概念，再利用某些原理改进模型，学以致用，及时得到评价的方式能够促进学生对先前知识的总结，并能对新知识报以热忱。

（三）个人领域能力培养策略

个人领域能力在深度学习中主要指建立学科联系，在探究过程中学会学习、学习毅力等能力。在教学中，教师应该注意学科渗透，培养整体的科学观，关心科技发展。跨学科的内容不仅仅考查学生对单科知识的掌握程度，还能考查学生综合应用知识解决问题的能力以及创新能力。所以，教师要在日常教学中，重视方法和思维方式的培养，注重知识的渗透与融合，引导学生不断用物理学视角来解读真实情境。

以“探究空气的浮力”为例，在初三复习浮力单元的部分，大多数练习都是围绕物体在液体中的受力情况分析，久而久之，学生往往会忽视大气对物体的浮力的存在。

为了让学生探究空气浮力的影响，设计了如下的实验过程如图5所示。

锥形烧瓶内放适量的盐酸，气球装有适量的石灰石，将气球牢牢套在锥形烧瓶口。调节天平平衡后，将气球内部的石灰石缓缓倒入烧瓶内，盐酸和石灰石发生反应，产生大量的二氧化碳气体，气球体积迅速变大，观察到天平向右倾斜，左端上升。气球体积膨胀，是因为烧瓶内产生了化学反应，但根据质量守恒，左盘烧瓶内的质量并没有发生变化，气球也没有漏气。那么，在天平左右两盘质量不变的情况下，是什么导致天平左端上升，学生展开讨论。

教师引导学生分析总结，这是由于空气浮力造成的。当气球体积增大，排开空气的体积变大，根据浮力公式，空气对气球竖直向上的力就变大，此时气球和烧瓶这个整体对天平左盘的力会变小，所以天平左端会上升。本實验涉及化学反应，理论上遵循质量守恒。但是用这种方法实验，天平没有保持平衡，这个现象制造了认知上的冲突。学生在分析过程中，学会用思辨的眼光来看待问题。通过进一步的思考，学生用浮力的知识来解释实际现象。

三、结语

通过物理教学与深度学习的融合，不仅能促进学生整合知识结构，还有利于知识的提取、迁移和应用。知识本来就不应该是独立、零散、碎片式的，学生在面对新问题、新情境的时候要学会提取出相关的知识，运用科学方法来分析，学会用物理的视角观察，就会发现物理本身就源于生活。

在物理实验教学过程中，教师既担当了传播自然科學知识的责任，又能比较好地调动学生学习的兴趣，动机，培养正确的价值观。教师始终要帮助学生对不同的价值历程进行批判性分析，使学生独立评估及判断实践的结果，拒绝负面价值观[9]。在具体实验教学策略方面，教师可遵循物理学科的发展史，课堂联系真实世界，引导学生体验探究的过程，从事实出发，用批判的眼光看问题，探究实验现象背后的科学道理，引导学生在学习过程中提取知识，进行有效沟通，表达自我，将不同的知识联系起来应用于生活。本文提出的上述实验教学策略，旨在培养学习者的深度学习能力，帮助学生学会批判地看待问题，灵活掌握和理解学科知识，遇到问题能运用所学，真正将知识内化为自身的素养。从而，掌握学科核心知识，发展批判性思维、有效合作沟通、学会学习、学会毅力等，培养深度学习能力。

参考文献：

[1]张浩，吴秀娟，王静.深度学习的目标与评价体系构建[J].中国电化教育，2014（7）：51-55.

[2]Marton F， Slj R. On qualitative differences in learning： I-Outcome and process[J].British Journal of Educational Psychology，1976，46（1）：4-11.

[3]何玲，黎加厚.促进学生深度学习[J].计算机教与学，2005（5）：29-30.

[4]National Research Council. Education for life and work： Developing transferable knowledge and skills in the 21st century[M]. Washington， DC： National Academies Press，2012.

[5]William and Flora Hewlett Foundation.Deeper learning strategic plan summary education program[R].Menlo Park：William and Flora Hewlett Foundation，2012.

[6]卜彩丽，冯晓晓，张宝辉.深度学习的概念、策略、效果及其启示：美国深度学习项目（SDL）的解读与分析[J].远程教育杂志，2016，34（5）：75-82.

[7]安富海.促进深度学习的课堂教学策略研究[J].课程·教材·教法，2014，34（11）：57-62.

[8]陈苍鹏.例析初中物理微实验设计创新几个方法[J].物理教师，2017，38（4）：34-37.

[9]张诗雅.深度学习中的价值观培养：理念、模式与实践[J].课程·教材·教法，2017，37（2）：67-73.