“深度學習”視域下實驗教學的策略研究

黃建林

摘 要：通過分析當前實驗教學存在的問題，提出了 “認知沖突”引發深度思考、“評價交流”形成深度反思、“真實情境”激發深度學習、“數字實驗”凸顯科學本質、“深度探究”導向高階思維、“家庭實驗”促使深度研究六種“深度學習”視域下的實驗教學策略.

關鍵詞：物理實驗；深度學習；實驗教學

一、當前實驗教學的現狀

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；激發學生的求知欲和好奇心；培養學生的動手實踐能力和培養學生的思維習慣；提高學生的科學素養等.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、練實驗導致的結果是學生的學習處于淺層次學習，理解不深刻，實驗現象和實驗結論死記硬背，實驗操作機械生硬，出現知其然卻不知其所以然的結果.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構中，能夠在眾多的思想間進行聯系，并能夠將已有的知識遷移到新的情境中，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反思、思維能力、思維層次、學習內容、學習狀態和學習目標等方面存在著顯著差異，具體表現如表1[2].

三、深度學習的實驗教學策略

（一）“認知沖突”引發深度思考

建構主義觀點認為：學習不僅僅是信息量的積累，更是新舊知識經驗之間的沖突而引發的觀念轉換和認知結構重組的過程.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.按最近發展區理論，要想促進深度學習，就必須把這些前概念進行轉化，同時對已有認知結構進行改造和重構，使得舊知識和新知識之間建立一座橋梁，引發學習者深度思考，從而對知識進行有效建構.

案例1 燈泡亮暗是由什么因素決定的

經過八年級的串并聯電路的學習，在學生的頭腦中已經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.當合上時卻發現不是一樣亮而是40W的更亮.這引發了第一次認知沖突.當提問“220V 200W”“220V 40W”的兩盞燈串聯時，現象會如何，學生回答是200W的暗，40W的亮，合上開關時卻發現200W的不亮，40W的亮.這時教師讓學生上臺摸200W燈泡發現它在發熱，是有電流的.這又引發了第二次認知沖突.當“220V 200W”“220V 40W”的兩盞燈并聯時，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，發現小燈泡不亮且電流表示數為0，這時就產生了認知沖突，老師適時提醒，是尊重實驗結果還是直接認定人體和水是導體這個結論.這樣的認知沖突就促使學生深度思考，到底是什么原因導致小燈泡不亮以及電流表示數為0，經過仔細、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，評價此方案優點和相應的缺點.他們認為：第一種方案在數據精確性上有問題，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，學生經過深度反思后提出可以把兩種方案優點組合在一起，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量，或用小筒做這個實驗直接測它們的總重力.

通過評價、交流，形成深度反思后，同學們對數據的精確性和實驗操作的規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，在說的過程中培養他們的語言表達能力.

（三）“真實情境”激發深度學習

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學生的學習興趣，使得學習向縱深發展，從而提升他們運用綜合知識的能力.

案例四 水火箭的發射

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、發射角度、總重量、火箭的節數等問題.在正式比賽過程中，還會涉及很多的原生態物理問題，如風力和風向對飛行的影響，發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光

“2.5V 0.3A”的小燈泡要正常發光，學生會想到用二節干電池，但二節干電池的電壓有3V，超過小燈泡正常發光的電壓.這時學生自然想到串聯一個電阻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.這時小燈泡發光時兩端的電壓應該是2.5V，當學生把電壓表并聯在燈泡兩端時卻發現電壓表示數小于2.5V，這是為什么？這樣的原生態問題實際上是對歐姆定律的深度學習和應用.

（四）“數字實驗”凸顯科學本質

在概念、規律方面，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、規律，特別是傳統實驗得不出正確結論時，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字傳感器來有效突破概念、規律的難點，從而凸顯科學本質，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導致示數不相等，反而會得出錯誤的結論.運用數字傳感器連接電腦，可以在電腦上畫出如圖5所示的圖像，又或者直接轉化成數字顯示.

通過數字傳感器的運用，凸顯了科學本質，使學生學得清楚又明白，透過現象看事物的本質規律.

（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，將會出現什么現象？學生都認為紙片會掉下來，但結果令他們大跌眼鏡，竟沒有掉下來.這時他們探究欲望被激發，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.