基于核心素養理念下的學生實驗深度學習
——以蘇科版8年級物理“直線運動”教學為例

劉 兵

(泰興市城東實驗學校,江蘇 泰州 225403)

深度學習又稱深層學習,是相對于淺層學習的一種學習.深度學習的概念最早由美國學者費倫斯·馬頓和羅杰·薩爾喬于1976年提出.深度學習是對學習狀態的定性描述,包括思維水平、學習投入和認知體驗.它強調對知識本質的理解和對學習內容的批判性運用,追求有效的學習遷移和解決實際問題,突出“深”、“伸”、“升”等關鍵字眼,屬于以高階思維為主要認知活動的高級學習.[1]

學生實驗作為物理教學的重要手段,其作用不僅是讓學生動手,且涉及學生多方面的素養提升,從核心素養角度來剖析學生實驗教學,通過物理觀念、科學思維和科學探究、科學態度及責任4個方面,[2]深入思考如何促進學生實驗的深度學習.以蘇科版8年級物理“直線運動”中學生實驗為例,從圖像分析深入理解觀念、表格設計深度開發思維、實驗改進延伸科學探究、應用創造提升態度責任角度進行闡述.

1 圖像分析,深入理解觀念

圖像具有可視化的特點,能直觀地反映物理規律和物理概念,能清晰地反映物理量之間的關系.因此,在物理學習中運用圖像,可以使抽象化為形象,把復雜轉化為簡單;在教學中有效合理地運用圖像,可以培養學生數形相結合分析物理問題的能力,借助圖像能更好地解釋相關觀念,有利于學生的學習.[3]

蘇科版“直線運動”中對于勻速直線運動的概念,定義為速度不變的直線運動,這么定義便于學生理解,但同時也讓學生覺得實現勻速直線運動很容易,僅從定義不能深刻理解勻速直線運動的內涵,不能讓學生充分認識到物體的運動要做到“勻速”很難,更加認識不到勻速直線運動只是一種理想模型,因此在學生研究完氣泡或其他物體運動后,通過做出s-t圖像,對圖像進行分析,可以進一步理解勻速直線運動或變速直線運動.

在進行這節課授學時,將實驗進行了改進,可以研究多種物體上浮或下沉、下滑的運動,以2.52 cm長直徑1.4 cm紅蠟燭在內徑1.5 cm水管中上浮運動相等10 cm測得一組數據如表1,繪制s-t圖像如圖1所示;研究小車在斜面上運動,通過手機攝像后,在手機“巧影”app確定時間,以小車右輪為研究對象,測得數據如表2,利用Excel選取實驗數據繪制的小車運動s-t圖像, 如圖2所示.

表1 2.52 cm長蠟燭實驗數據

表2 小車運動實驗數據

圖1 2.52 cm長蠟燭s-t圖像

圖2 小車運動s-t圖像

由圖1可以看到,不管在變速直線運動中部分勻速直線運動圖像,還是在整體勻速直線運動中,勻速直線運動圖像是一條傾斜的直線.分析這條傾斜的直線,可以看到任意相等時間通過路程相等或任意相等路程所用時間相同.結合實驗表格數據,發現這在現實生活中很難做到,因此進一步幫助學生理解現實生活中沒有勻速直線運動,勻速直線運動只是一種理想模型,只能認為有些運動近似做勻速直線運動的科學觀念.通過圖像培養學生認識理想模型形成科學的運動觀.再對比圖1和圖2,可以發現變速直線運動與勻速直線s-t圖像的差別,幫助學生從圖像上區別勻速與變速直線運動,形成正確深入的直線運動觀念.

初中物理圖像教學是教學實踐的需要,課程標準明確提出了“用圖表”的學習目標,國際科學教育也強調圖像學習,高中入學考試注重對圖像的理解和運用能力.[4]因此,借助圖像進一步理解觀念,不僅培養學生圖像分析能力,而且對于一些難以理解的觀念,可以從另一個角度進行深度理解,從而達到深度學習科學觀念的目的.

2 表格設計,深度開發思維

表格是一種清晰、美觀、易于理解的格式.作為一種常用的信息表達方式,表格優于文本,它形象具體、數據集中、簡單直觀,無需過多語言文字,將物理知識進行濃縮,復雜關系進行簡化,繁雜知識進行結構化、系統化.由于它符合學生從直觀到抽象、從感性到理性的認知規律,有利于調動學生的學習積極性,提高學習效果.[5]

蘇科版《直線運動》教材對于收集實驗數據的表格直接呈現給學生,并未說明為什么這么設計,學生失去了一次深度思考的機會,因此可以通過問題引導學生思考表格的設計.從嘗試判斷物體運動情況到如何驗證所猜測的運動情況,學生可以想到測速器等手段,進一步提出沒有測速器如何驗證的問題,學生可能需要更長時間思考,可以進行討論,討論后發現通過測量路程和時間間接算出速度,引導思考如何更簡便測量,學生步步深思后提出相同路程測時間或相同時間測路程進行實驗的方法,在此基礎上設計出表格,如表3、表4.

表3 相等路程段測時間

表4 相等時間段測路程

考慮具體測量時,每段分別測量時間或路程帶來不便,思考如何進一步簡化測量時間或路程,學生可以想到設置起點(或起始時刻),測量起點(或起始時刻)到各個點(時刻)的時間或路程,進而設計出表格,如表5、表6.

表5 從O點開始的路程測時間

表6 從O點開始的時間測路程

經歷自主設計表格,對比教材原直接給出表5和表3,學生獲得了深度思考的機會,理解教材為什么要設計表5和表3,同時設計出表6和表4,采用“相同距離測時間”“相同時間測距離”兩種方法同時進行設計采集數據,對于慢速運動如蠟燭在水中的情形完全可以實現,防止單一方法限制學生思維. 改變教材原直接給出表格,通過問題引導,讓學生逐步找到驗證猜想的方法,理解表格的設計思路,經歷思維的構建,挖掘實驗的深度,學生進入深度思考、深入學習,思維得到深度開發.

初中物理教學中,對知識進行對比、歸納,培養學生設計表格,能促使對知識的進一步理解掌握;在實驗教學中,通過讓學生設計表格,有助于理解實驗過程,探尋所要測量物理量,培養對信息的分析、概括、提煉能力,理清重點信息,進行科學合理的整體設計.這些都需要學生進行深層思考,促使學生自主學習的同時,達成思維的進階.

3 實驗改進,延伸科學探究

物理學是以實驗為基礎的自然科學.實驗教學不僅可以幫助學生形成科學的世界觀,鞏固課程所學的理論知識,而且可以激發學生的探索興趣,培養學生的觀察能力、探究能力和操作技能,激發他們的創新意識,提高他們的創新能力.培養學生實事求是的科學態度和探索實踐的科學精神.在物理教學中,認真開展實驗教學,適當改進實驗,是培養學生核心素養的重要途徑.

教材只用“氣泡的運動規律”一個實驗來研究直線運動,限制了學生思維的廣度,易造成學生狹隘的實驗觀;實驗所用器材是玻璃管,且需要翻轉,若學生操作不當,易造成器材或學生損傷,使實驗存在一定的危險性;實驗按照教材設計,易造成測量時間誤差較大,給實驗結果及結論造成很大影響.針對以上實驗中存在的問題,對實驗進行改進,首先從器材上改用外徑2 cm內徑1.5 cm長1 m硬透明塑料管代替原來內徑1 cm的玻璃管,塑料管與教材玻璃管相比內徑變大,可以便于更多實驗材料加入,采用與管子配套的內徑2 cm管帽代替木塞更加方便且不容易掉落.

另提供豐富學生實驗材料.本節課還提供給學生或讓學生自備以下器材:直徑1.4 cm紅蠟燭1只、直徑1 cm的白蠟燭1只、玻璃小彈珠1個、中性筆1只、鉛筆1只、粉筆1只、高粱桿1段、廢舊5號電池1只、核桃2只(便于取出核桃仁)、花生米2粒(干的和浸泡過的各1粒)、蘋果1只、小葡萄1粒、胡蘿卜1根、黃瓜1根、白皮甜瓜1個、面團1塊、小刀1把、水槽1個、燒杯1只、滴管1只、橡皮筋8條、記號筆1只、1米刻度尺1把、30 cm長刻度尺1把、鐵架臺含試管夾1個(固定塑料管防止晃動),長80 cm左右木板1塊、木塊1塊、小車1只、長毛巾1塊、1號廢舊電池1只(用于學生可能嘗試研究物體在斜面上運動情況),紙兩張(1張用于學生可能研究紙片或紙團下落情況,另1張可用于設計表格記錄數值作圖像等,學生可自備),電子秒表1只(計時用,也可用手機中秒表app代替),智能手機1部(提前下載好“巧影”app)(手機可用其秒表、計算、攝像、處理視頻等功能,可學生自備),抹布1條、抽紙若干(用于處理桌面、器材、人手的水).

豐富的實驗材料點燃學生激情,學生在這種情緒下積極探索發現,充分給學生選擇權,用于學生嘗試多種物體在水中上浮或下沉,或者嘗試物體在斜面上運動、紙團下落等運動情況,部分實驗材料相似以便進行比較研究,部分器材雖功能相同,但學生使用之后就會對比發現,使用哪種器材更方便、科學. 緊跟時代步伐,采用新技術助力實驗測量和數據處理,與教育信息化理念相適應,同時培養學生與時俱進意識,介紹的新技術也可用于學生課外實驗;讓學生積極動手實驗;實驗前不給學生過多提示,給學生試錯的機會,有利于學生自覺領悟,自主深入探究.

初中物理學生實驗教學中,可以通過變單一實驗為綜合性實驗、改進實驗方法、測量手段、創新實驗設計、建設實驗基地、增加實驗趣味性、重視對比實驗、融合信息技術、重視生活化實驗等方法改進實驗教學,改進后的實驗教學更有助于學生探究、測量、驗證的延伸與深入,能促進學生物理觀念的形成和科學思維的發展,使核心素養在學生實驗中生根發芽.

4 應用創造,提升態度責任

通過物理探究性實驗可以培養學生創新能力,實驗過后,學生可以進一步研究相關問題,將研究成果進行應用,進行科技制作、發明創造等活動.因此,應用創造教育是實驗教學的進一步提升,有助于學生創造力的培養,通過應用創造的自我實現,加深對科學態度與責任的進一步認識.

直線運動實驗部分材料、舉例等來源于生活,通過實驗,學生對于直線運動有所理解,同時解決實驗中遇到的問題,自然思考生活中有哪些應用.因此,實驗后有必要激發學生思考運用及創造,既體現“生活·物理·社會”理念和創造教育思想,又提升學生實驗思想高度. 教師可以通過以下4個問題進行引導:回顧一下這節課主要內容,你有哪些收獲?你還想研究什么?今天的收獲在生活中可以有哪些應用?今天的收獲在生活中可以有哪些創造發明?

學生自主回顧感受收獲,思考直線運動的繼續研究、相關技術應用創造發明,課后還可以讓學生嘗試在家研究直線運動,借助課堂所學研究方法及相關新技術,鼓勵學生進一步研究,樹立科學研究可以不受時間、地理位置、實驗材料等限制的意識觀念.鼓勵用所學知識、所做實驗應用于實際生活,進行真實實踐及創造,進一步提升學生的研究意識,充分認識研究的意義,培養探究精神、創造精神.

在初中物理教學中,對應用創造教育重視程度不夠,需要教師進行積極引導,思考教材內容的生活應用,注重知識的實用性,構建開放的探究環境,激發學生創造欲望,給予學生足夠的時間和空間支持,提供必要的幫助,鼓勵學生將創意付諸實踐,提高創造發明在評價中的比重,通過應用創造切實提升科學態度和社會責任感.

5 結語

物理學科核心素養4個方面是物理學科本質和教育功能的集中體現,它們既有側重,又有相互聯系及滲透.分析物理學科核心素養實踐過程,用科學思維和科學探究幫助學生樹立科學觀念態度和社會責任心,科學探究中也運用到科學思維,在核心素養培養中側重科學思維的發展,與深度學習發展學生高階思維理念相吻合.因此,在物理教育教學中,通過深度學習更能有效發展學生核心素養.學生實驗作為物理實驗的重要組成部分,應努力讓學生積極參與,進行實驗改進,提高實驗的安全度,學生操作的自由度,實驗范圍的廣度,實驗數據的精確度,實驗探究的深度,實驗思想的高度.重視數據處理的科學性、時代性,立足學生實驗發展物理學科核心素養,借助圖像分析、表格設計、應用創造等方法途徑,促進學生深層思考、深度學習.