基于深度學習的物理實驗教學研究

安娜　聶萬里

摘 要：實驗教學是初中物理教學的重要組成部分，在傳統的實驗教學中，教師往往“重結果輕過程”，這必然導致學生知其然而不知其所以然.學生對于物理知識膚淺的理解，以及不完整的認識，使其在運用知識解決實際問題的過程中存在困難.鑒此，筆者根據課程內容自制教具，設計不同的實驗模式.目的在于讓學生親歷實驗過程，在實驗中提升思維，促進學生深度學習的發生，從而實現由“學會”向“會學”“樂學”的轉變.

關鍵詞：實驗教學;深度學習;自制教具

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）06-0035-03

作者簡介：安娜（1988-），女，江蘇徐州人，碩士，中學一級教師，研究方向：中學物理實驗創新;

聶萬里（1974-），男，江蘇徐州人，本科，中學高級教師，研究方向：深度學習.

“深度學習”是一種新型的學習模式，目前受到教育界的廣泛關注.與傳統意義上的孤立記憶和被動接受不同，深度學習更強調學生理解性的學習以及行為和情感的高投入[1].此外，深度學習要求學生親身體驗，在體驗中獲得成就感，激發內在學習動機，從而發展學生的高階思維.而在物理教學中，實驗教學占有舉足輕重的地位，也是培養學生核心素養重要載體[2].基于此認識，為了促進學生的深度學習，教師需要認真分析教學內容，確定教學目標和學生已有認識水平的差異，設計能激活學生思維的活動，使其積極主動地、批判地接受知識.接下來筆者以“溫度計的使用”“大氣壓強”以及“物體的顏色”三個教學片段為例淺談物理實驗教學中如何促進學生的深度學習，旨在拋磚引玉.

1 實驗設計層次化——促進深度學習

在實驗教學中，教師必須根據學生已有的認知水平，有層次地設計實驗，邏輯上要嚴謹，任務要環環相扣，層層遞進，而非“低水平的重復”.現以蘇科版物理教材“溫度計的使用”這一教學片段為例，實驗設計如下.

活動1 體驗溫度變化對氣體體積的影響

如圖1所示，在玻璃細管中封入一小段液柱，并將其插入燒瓶中，用手捂住燒瓶，觀察玻璃管中紅色液柱如何運動;將燒瓶放入冷水中，再次觀察玻璃管中紅色液柱如何運動.

活動2 體驗溫度變化對液體體積的影響

用燒杯向燒瓶中注滿水（為了便于學生觀察實驗現象可在水中滴入兩滴紅墨水）塞上瓶塞.將玻璃細管插入燒瓶，再將燒瓶放入盛有熱水的水槽中，如圖2所示，觀察玻璃管中液柱的變化;然后，將燒瓶放入盛有冷水水槽中觀察液柱的變化.通過以上實驗，學生會發現：溫度變化對氣體體積的變化影響較大.而對液體體積變化影響較小.歷經以上實驗，學生很容易理解溫度計的測溫原理.

提問：討論選用以上裝置測溫有何利弊？

學生1：燒瓶較大且易破碎不便攜帶.

學生2：液柱的變化只能定性地反映出溫度的變化.

提問：如何對實驗裝置進行改進？

學生1：選用更小且方便攜帶的容器代替燒瓶.

學生2：在細玻璃管上標上對應的刻度即可定量測溫.

提問：若選取體積極小的容器（如玻璃泡）盛放測溫液體，那應如何改進玻璃管才能使實驗現象更加明顯？

學生很容易想到把玻璃管做得更細，或選取不同的測溫液體.

通過討論的不斷深入，學生掌握溫度計的原理，知道溫度計的玻璃泡就是容納測溫液體的容器，繼而理解如何正確使用溫度計，即玻璃泡浸入到被測液體內部.此外，學生對溫度計的構造和選取也有深刻認識.在探究過程中不斷提出更高層次的問題，教師通過引導學生主動思考，學生的思維活動被積極地調動起來，從而高度參與到活動中，實現學生從“淺層次的學習”向“深度學習”過渡.達到深度學習的目的.

2 實驗設計創新化——促進深度學習

活動1 體驗大氣壓強的實驗

蘇科版物理教材采取的方法如下：用酒精燈給注入少量水的易拉罐加熱，待罐口有白霧出現時，堵住罐口.觀察冷卻后易拉罐形狀的變化.此實驗的局限性在于：易拉罐拉環的口較大不易密封，被加熱后的易拉罐溫度過高，密封時存在一定的危險性，此外在實際教學過程中，筆者發現很多學生誤以為易拉罐變癟是由于罐內的水蒸氣液化把瓶子吸癟而非是大氣壓強的作用.

鑒于以上弊端，筆者對實驗進行改進，如圖3所示：選用口徑較小且瓶頸較長的燒瓶，用鵪鶉蛋代替雞蛋.燒瓶的口徑小，作用在鵪鶉蛋上內外的氣壓差減小，以此可以減小吞蛋速度.筆者選取的瓶子瓶頸較長，便于學生觀察吞鵪鶉蛋過程.此外，該實驗操作簡單只需向燒瓶內加入少量的水預熱，鵪鶉蛋便可以很容易被吞入，實驗現象明顯.教師將燒瓶水平放置，還可以排除重力的影響.待實驗結束后，教師只需向燒瓶外側傾倒少量熱水，即可把鵪鶉蛋從燒瓶內取出，實現實驗器材的重復利用.

明顯的實驗現象不僅讓學生體驗到大氣壓強的存在，更帶來直觀的視覺享受，在實驗過程中，學生不僅獲得成就感，其探究欲同樣被進一步激發.

活動2 估測大氣壓

蘇科版物理教材“粗測大氣壓”方法如下：按如圖4所示的方式組裝器材，排盡注射器筒內的空氣，用橡皮冒將注射器的小孔封住，緩慢拉動注射器，當活塞開始滑動時記錄拉力F，用刻度尺測出注射器有刻度部分的長度得到活塞面積S，由p=F/S計算大氣壓的值[3].

該實驗存在以下弊端：2mL注射器在市面上比較難找;在實驗過程中，活塞與其注射內壁的摩擦較大，導致測量誤差較大;在讀拉力大小過程中，由于是動態過程，很多學生僅僅憑感覺粗略記錄數值導致誤差較大.鑒于以上弊端，筆者對實驗進行改進如圖5所示：用力傳感器代替彈簧測力計（其量程為0-100N），選取5mL、20mL和50mL這三種量程的注射器進行實驗，實驗數據見表1.

實驗結束后，教師引導學生對實驗數據進行歸納分析，導致誤差較大的原因有如下幾點：（1）在拉動活塞過程中活塞與注射器側壁存在摩擦，當勻速拉動時，拉力F拉、大氣壓力F壓和活塞與內壁的摩擦力f三者關系F拉=F壓+f ，F拉>F壓，導致測量結果偏大;（2）由于注射器前段細管殘留空氣無法排盡.拉力F拉、外側大氣壓力F壓和內側少量氣體產生壓力F內三者關系F壓=F拉+F內，F拉

鑒于以上兩點，小組討論對實驗進一步改進完善：在估測大氣壓前，先測出活塞與注射器內壁的摩擦力f，則大氣壓力可表示為F壓=F拉-f;將注射器吸取少量的水，排盡空氣，使注射器前端的細管被水占滿，以此減少殘留空氣對實驗產生的影響，改進后實驗數據見表2.

3 實驗化習題教學——促進深度學習

實際的教學過程中常常存在以下現象“此題已經見過很多遍，學生還是反復出錯”，而對此現象一般的處理方式依托于教師的講解，教師針對作業和試卷中的錯題“就錯講錯”，并未真正地認識到學生出錯的原因.很多學生在新授課上往往對教師講解的知識一知半解，僅僅依托大量的習題達到鞏固所學知識的目的，無法真正構建學生的認知體系，學生的思維未被調動，深度學習并未真正發生.

例題 一位演員在舞臺上，她的上身服裝是綠色的，而下身裙裝是紅色的，當舞臺燈光師打開紅色追光燈照射她時，你看到舞臺上這位演員的上身服裝是顏色，下身裙裝是顏色.

根據答題結果的調查發現，本題錯誤率比較高，主要原因在于學生對物體顏色的成因一知半解，而物體顏色由哪些因素決定，也是本節課的重難點.為了便于學生對物體顏色成因的探究，筆者自制實驗器材——三色燈發光板，如圖6所示;制作方法：選取一塊白塑料紙板，在塑料板周圍裝上木板做的燈罩，然后把一串可發出單一色光的LED燈嵌到燈罩的凹槽，這樣可在一定程度上降低自然光對實驗的干擾，為了控制方便，將每組色光串聯一開關，實現對單一色光的控制.

教師將制作好的服裝放到發光板上，拉上窗簾，按下紅色按鈕開關，觀察實驗現象如圖7所示.學生通過以上探究，不僅可以很容易地解決例題中的問題，而且學生的探究欲望又一次被激發.在實際教學過程中，學生找來不同顏色的紙條，進一步探究物體顏色的成因.實驗現象進行如下：圖8、圖9、圖10分別是紅藍紙片在自然、紅光、藍光照射下現象，圖11、圖12、圖13分別是綠色紙片在綠光、藍光、紅光照射下的圖片.并將實驗現象進行記錄，見表3.

學生對實驗現象進行總結分類從而得出不透明物體的顏色由其反射的色光決定.通過親歷實驗過程，學生真正地實現“做中學”，對于物體顏色的認識更加深入透徹.教師將習題教學用實驗的方式展示，不斷激發學生學習興趣，同時在實驗中促進學生生成新的問題并加以探究，加深對相關物理知識的理解，變被動接受為主動探究，促進學生物理核心素養的形成.

深度學習是一種以促進學生批判性思維和創新精神發展為目的的學習，不僅強調學生在學習過程中積極主動的學習狀態以及知識的原理整合和意義聯結，還重視學生解決問題能力的提升[4].深度學習不僅關注學生的學習結果還重視學生的學習狀態和學習過程.在實驗教學中，筆者根據自制實驗器材，創設不同模式的實驗活動，將知識原理充分整合，充分發展學生的高階思維能力，促進深度學習的真正發生，從而實現深度學習的目的[5].

參考文獻：

[1]安富海.促進深度學習的課堂教學策略研究[J].課程·教材·教法，2014，34（11）：57-62.

[2]劉學山.基于深度學習的初中物理教學實踐與思考[J].中學物理，2020，38（14）：23-25.

[3]高靜.對“估測大氣壓的值”實驗的創新[J].物理教師，2015，36（08）：39+42.

[4]周志揚.創新實驗設計 促進深度學習——以“光的偏振”為例[J].物理教師，2019，40（06）：13-16.

[5]徐仁良.初中物理教學中落實深度學習的策略[J].湖南中學物理，2020，35（09）：41-42.

（收稿日期：2020-11-18）