基于核心素养理念下的学生实验深度学习——以苏科版8年级物理“直线运动”教学为例

刘 兵

(泰兴市城东实验学校,江苏 泰州 225403)

深度学习又称深层学习,是相对于浅层学习的一种学习.深度学习的概念最早由美国学者费伦斯·马顿和罗杰·萨尔乔于1976年提出.深度学习是对学习状态的定性描述,包括思维水平、学习投入和认知体验.它强调对知识本质的理解和对学习内容的批判性运用,追求有效的学习迁移和解决实际问题,突出“深”、“伸”、“升”等关键字眼,属于以高阶思维为主要认知活动的高级学习.[1]

学生实验作为物理教学的重要手段,其作用不仅是让学生动手,且涉及学生多方面的素养提升,从核心素养角度来剖析学生实验教学,通过物理观念、科学思维和科学探究、科学态度及责任4个方面,[2]深入思考如何促进学生实验的深度学习.以苏科版8年级物理“直线运动”中学生实验为例,从图像分析深入理解观念、表格设计深度开发思维、实验改进延伸科学探究、应用创造提升态度责任角度进行阐述.

1 图像分析,深入理解观念

图像具有可视化的特点,能直观地反映物理规律和物理概念,能清晰地反映物理量之间的关系.因此,在物理学习中运用图像,可以使抽象化为形象,把复杂转化为简单;在教学中有效合理地运用图像,可以培养学生数形相结合分析物理问题的能力,借助图像能更好地解释相关观念,有利于学生的学习.[3]

苏科版“直线运动”中对于匀速直线运动的概念,定义为速度不变的直线运动,这么定义便于学生理解,但同时也让学生觉得实现匀速直线运动很容易,仅从定义不能深刻理解匀速直线运动的内涵,不能让学生充分认识到物体的运动要做到“匀速”很难,更加认识不到匀速直线运动只是一种理想模型,因此在学生研究完气泡或其他物体运动后,通过做出s-t图像,对图像进行分析,可以进一步理解匀速直线运动或变速直线运动.

在进行这节课授学时,将实验进行了改进,可以研究多种物体上浮或下沉、下滑的运动,以2.52 cm长直径1.4 cm红蜡烛在内径1.5 cm水管中上浮运动相等10 cm测得一组数据如表1,绘制s-t图像如图1所示;研究小车在斜面上运动,通过手机摄像后,在手机“巧影”app确定时间,以小车右轮为研究对象,测得数据如表2,利用Excel选取实验数据绘制的小车运动s-t图像, 如图2所示.

表1 2.52 cm长蜡烛实验数据

表2 小车运动实验数据

图1 2.52 cm长蜡烛s-t图像

图2 小车运动s-t图像

由图1可以看到,不管在变速直线运动中部分匀速直线运动图像,还是在整体匀速直线运动中,匀速直线运动图像是一条倾斜的直线.分析这条倾斜的直线,可以看到任意相等时间通过路程相等或任意相等路程所用时间相同.结合实验表格数据,发现这在现实生活中很难做到,因此进一步帮助学生理解现实生活中没有匀速直线运动,匀速直线运动只是一种理想模型,只能认为有些运动近似做匀速直线运动的科学观念.通过图像培养学生认识理想模型形成科学的运动观.再对比图1和图2,可以发现变速直线运动与匀速直线s-t图像的差别,帮助学生从图像上区别匀速与变速直线运动,形成正确深入的直线运动观念.

初中物理图像教学是教学实践的需要,课程标准明确提出了“用图表”的学习目标,国际科学教育也强调图像学习,高中入学考试注重对图像的理解和运用能力.[4]因此,借助图像进一步理解观念,不仅培养学生图像分析能力,而且对于一些难以理解的观念,可以从另一个角度进行深度理解,从而达到深度学习科学观念的目的.

2 表格设计,深度开发思维

表格是一种清晰、美观、易于理解的格式.作为一种常用的信息表达方式,表格优于文本,它形象具体、数据集中、简单直观,无需过多语言文字,将物理知识进行浓缩,复杂关系进行简化,繁杂知识进行结构化、系统化.由于它符合学生从直观到抽象、从感性到理性的认知规律,有利于调动学生的学习积极性,提高学习效果.[5]

苏科版《直线运动》教材对于收集实验数据的表格直接呈现给学生,并未说明为什么这么设计,学生失去了一次深度思考的机会,因此可以通过问题引导学生思考表格的设计.从尝试判断物体运动情况到如何验证所猜测的运动情况,学生可以想到测速器等手段,进一步提出没有测速器如何验证的问题,学生可能需要更长时间思考,可以进行讨论,讨论后发现通过测量路程和时间间接算出速度,引导思考如何更简便测量,学生步步深思后提出相同路程测时间或相同时间测路程进行实验的方法,在此基础上设计出表格,如表3、表4.

表3 相等路程段测时间

表4 相等时间段测路程

考虑具体测量时,每段分别测量时间或路程带来不便,思考如何进一步简化测量时间或路程,学生可以想到设置起点(或起始时刻),测量起点(或起始时刻)到各个点(时刻)的时间或路程,进而设计出表格,如表5、表6.

表5 从O点开始的路程测时间

表6 从O点开始的时间测路程

经历自主设计表格,对比教材原直接给出表5和表3,学生获得了深度思考的机会,理解教材为什么要设计表5和表3,同时设计出表6和表4,采用“相同距离测时间”“相同时间测距离”两种方法同时进行设计采集数据,对于慢速运动如蜡烛在水中的情形完全可以实现,防止单一方法限制学生思维. 改变教材原直接给出表格,通过问题引导,让学生逐步找到验证猜想的方法,理解表格的设计思路,经历思维的构建,挖掘实验的深度,学生进入深度思考、深入学习,思维得到深度开发.

初中物理教学中,对知识进行对比、归纳,培养学生设计表格,能促使对知识的进一步理解掌握;在实验教学中,通过让学生设计表格,有助于理解实验过程,探寻所要测量物理量,培养对信息的分析、概括、提炼能力,理清重点信息,进行科学合理的整体设计.这些都需要学生进行深层思考,促使学生自主学习的同时,达成思维的进阶.

3 实验改进,延伸科学探究

物理学是以实验为基础的自然科学.实验教学不仅可以帮助学生形成科学的世界观,巩固课程所学的理论知识,而且可以激发学生的探索兴趣,培养学生的观察能力、探究能力和操作技能,激发他们的创新意识,提高他们的创新能力.培养学生实事求是的科学态度和探索实践的科学精神.在物理教学中,认真开展实验教学,适当改进实验,是培养学生核心素养的重要途径.

教材只用“气泡的运动规律”一个实验来研究直线运动,限制了学生思维的广度,易造成学生狭隘的实验观;实验所用器材是玻璃管,且需要翻转,若学生操作不当,易造成器材或学生损伤,使实验存在一定的危险性;实验按照教材设计,易造成测量时间误差较大,给实验结果及结论造成很大影响.针对以上实验中存在的问题,对实验进行改进,首先从器材上改用外径2 cm内径1.5 cm长1 m硬透明塑料管代替原来内径1 cm的玻璃管,塑料管与教材玻璃管相比内径变大,可以便于更多实验材料加入,采用与管子配套的内径2 cm管帽代替木塞更加方便且不容易掉落.

另提供丰富学生实验材料.本节课还提供给学生或让学生自备以下器材:直径1.4 cm红蜡烛1只、直径1 cm的白蜡烛1只、玻璃小弹珠1个、中性笔1只、铅笔1只、粉笔1只、高粱杆1段、废旧5号电池1只、核桃2只(便于取出核桃仁)、花生米2粒(干的和浸泡过的各1粒)、苹果1只、小葡萄1粒、胡萝卜1根、黄瓜1根、白皮甜瓜1个、面团1块、小刀1把、水槽1个、烧杯1只、滴管1只、橡皮筋8条、记号笔1只、1米刻度尺1把、30 cm长刻度尺1把、铁架台含试管夹1个(固定塑料管防止晃动),长80 cm左右木板1块、木块1块、小车1只、长毛巾1块、1号废旧电池1只(用于学生可能尝试研究物体在斜面上运动情况),纸两张(1张用于学生可能研究纸片或纸团下落情况,另1张可用于设计表格记录数值作图像等,学生可自备),电子秒表1只(计时用,也可用手机中秒表app代替),智能手机1部(提前下载好“巧影”app)(手机可用其秒表、计算、摄像、处理视频等功能,可学生自备),抹布1条、抽纸若干(用于处理桌面、器材、人手的水).

丰富的实验材料点燃学生激情,学生在这种情绪下积极探索发现,充分给学生选择权,用于学生尝试多种物体在水中上浮或下沉,或者尝试物体在斜面上运动、纸团下落等运动情况,部分实验材料相似以便进行比较研究,部分器材虽功能相同,但学生使用之后就会对比发现,使用哪种器材更方便、科学. 紧跟时代步伐,采用新技术助力实验测量和数据处理,与教育信息化理念相适应,同时培养学生与时俱进意识,介绍的新技术也可用于学生课外实验;让学生积极动手实验;实验前不给学生过多提示,给学生试错的机会,有利于学生自觉领悟,自主深入探究.

初中物理学生实验教学中,可以通过变单一实验为综合性实验、改进实验方法、测量手段、创新实验设计、建设实验基地、增加实验趣味性、重视对比实验、融合信息技术、重视生活化实验等方法改进实验教学,改进后的实验教学更有助于学生探究、测量、验证的延伸与深入,能促进学生物理观念的形成和科学思维的发展,使核心素养在学生实验中生根发芽.

4 应用创造,提升态度责任

通过物理探究性实验可以培养学生创新能力,实验过后,学生可以进一步研究相关问题,将研究成果进行应用,进行科技制作、发明创造等活动.因此,应用创造教育是实验教学的进一步提升,有助于学生创造力的培养,通过应用创造的自我实现,加深对科学态度与责任的进一步认识.

直线运动实验部分材料、举例等来源于生活,通过实验,学生对于直线运动有所理解,同时解决实验中遇到的问题,自然思考生活中有哪些应用.因此,实验后有必要激发学生思考运用及创造,既体现“生活·物理·社会”理念和创造教育思想,又提升学生实验思想高度. 教师可以通过以下4个问题进行引导:回顾一下这节课主要内容,你有哪些收获?你还想研究什么?今天的收获在生活中可以有哪些应用?今天的收获在生活中可以有哪些创造发明?

学生自主回顾感受收获,思考直线运动的继续研究、相关技术应用创造发明,课后还可以让学生尝试在家研究直线运动,借助课堂所学研究方法及相关新技术,鼓励学生进一步研究,树立科学研究可以不受时间、地理位置、实验材料等限制的意识观念.鼓励用所学知识、所做实验应用于实际生活,进行真实实践及创造,进一步提升学生的研究意识,充分认识研究的意义,培养探究精神、创造精神.

在初中物理教学中,对应用创造教育重视程度不够,需要教师进行积极引导,思考教材内容的生活应用,注重知识的实用性,构建开放的探究环境,激发学生创造欲望,给予学生足够的时间和空间支持,提供必要的帮助,鼓励学生将创意付诸实践,提高创造发明在评价中的比重,通过应用创造切实提升科学态度和社会责任感.

5 结语

物理学科核心素养4个方面是物理学科本质和教育功能的集中体现,它们既有侧重,又有相互联系及渗透.分析物理学科核心素养实践过程,用科学思维和科学探究帮助学生树立科学观念态度和社会责任心,科学探究中也运用到科学思维,在核心素养培养中侧重科学思维的发展,与深度学习发展学生高阶思维理念相吻合.因此,在物理教育教学中,通过深度学习更能有效发展学生核心素养.学生实验作为物理实验的重要组成部分,应努力让学生积极参与,进行实验改进,提高实验的安全度,学生操作的自由度,实验范围的广度,实验数据的精确度,实验探究的深度,实验思想的高度.重视数据处理的科学性、时代性,立足学生实验发展物理学科核心素养,借助图像分析、表格设计、应用创造等方法途径,促进学生深层思考、深度学习.