數字化創新實驗教學，構建深度學習課堂

李芳

【摘要】依據深度學習和物理學科核心素養理論，以蘇科版八年級物理“直線運動”教學為例，通過創新演示實驗，從物理學科核心素養四個方面：通過實驗優化加深概念理解、實驗設計深度開發思維、圖象分析深入理解觀念、實驗改進延伸科學探究，精心設計研究直線運動實驗的教學活動，不斷提高學生學習的內驅力，提高學生的學習興趣.

【關鍵詞】深度學習;核心素養;創新實驗

深度學習是以理解為基礎的意義探究型學習活動，由瑞典格特堡大學馬頓和薩爾喬于1976年提出[1].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[2].重點突出深入學習、延伸知識能力、提升學習能力等關鍵詞，是一種基于學生學習能力的更高層次的思維活動.

物理學科是以實驗為基礎，實驗在教學中的作用舉足輕重，實驗教學不但可以提高學生的感知能力，還可以引領學生進行深層思考.現在的物理課堂經常是教師滔滔不絕地講實驗過程、操作步驟，學生聽實驗要領、實驗過程，學生缺乏思考過程，可想而知實驗就很難發揮出應有的作用，本文嘗試以八年級物理教材中直線運動的演示實驗為例，探索通過創新實驗教學，構建基于核心素養的深度學習課堂的實踐策略，一方面可以讓學生更好地理解直線運動，另一方面可以提升學生物理學科的思維能力，培養學生的探究能力.

1 教學過程

1.1 基于技術融合，優化實驗，加深概念理解

實驗1 觀察氣泡的運動

問1 隨著玻璃管的倒置，氣泡會在里面做直線運動，氣泡運動有什么特點？

問2 我們能不能將運動的過程運用連續拍照的方式呈現出來呢？

問3 通過頻閃照片可以看出氣泡在相等的時間里運動的路程有什么特點？

設計意圖 教材中直接給出了勻速直線運動的概念：速度不變的直線運動，看似簡潔明了，但其實學生對速度不變沒有清晰的認識，高中的速度概念是一個矢量，既有大小，又有方向，但對初中的學生，要認識到這一點有一定難度，因此運用了一款手機軟件——動態鏡頭拍攝氣泡運動過程，直觀顯示勻速直線運動特點，充分發揮數字化技術的優勢，同時，也有利于學生加深對勻速概念的理解.

1.2 基于實驗設計，深度開發科學思維

實驗2 設計實驗探究勻速直線運動特點

問1 你覺得需要測出哪些物理量才能驗證猜想？

問2 怎么測速度？

問3 測出路程和時間需要哪些測量工具？

問4 要測氣泡運動的路程和時間，如何測量更方便？

教師在實驗前引導學生分析討論，如何比較物體的運動快慢，采用哪些方法可以比較，如何測量這些物理量，為后面實驗的展開做好鋪墊工作.

1.2.1 表格設計 引發深度思考

設計意圖 教材中處理的方式是直接給出記錄的表格，學生初看有點不知所云，這個時候，教師的點撥顯得尤為重要，適時地引導學生進行深度思考，通過問題串引導學生一步步進行表格設計，明白教材設計表格的意圖，在此過程中學生的思維能力得到了進一步的提升.從最初的猜想物體的運動到如何進行實驗的設計，問題層層遞進，學生深入思考后提出比較快慢的兩種方法從而嘗試設計出表格，如表1和表2.

設計意圖 表格是一種清晰美觀，很容易理解的表達方式，可以集中體現數據的直觀方式，便于學生的理解，大大地提高了學生的學習效率和積極性.通過對比的表格設計，讓學生豁然開朗，明白表格為什么要這么設計，在此過程中學生的思維得到深度開發.同時本實驗中將實驗器材進行了創新改進，在玻璃管后面綁上尺，并且將玻璃管中的水加入紅墨水，可以更加清楚地觀察玻璃管中氣泡的運動，一方面可以保護玻璃管，二是便于比較氣泡運動的特點.

1.2.2 計時小工具 減小時間誤差

改裝后的玻璃管標上刻度線，引導學生思考如何測出第一第二兩個刻度線之間的時間.

問1 怎么測量氣泡在相鄰兩條刻度線之間運動的時間？請大家思考一下.

問2 大家的時間相差還挺大，你們知道這是什么原因造成的嗎？

設計意圖 本節課測時間的常用方法是利用秒表，但是這種方法測量誤差較大，于是改用平板電腦里的計時器來完成時間的測量，既可以連續計時，又能方便讀數，大大提高了實驗效率.在實驗過程中，教師要有敏銳的觀察力，抓住適當的時機，充分用好出現的誤差現象，進行深層次的生成和分析，在實驗過程中，給予學生充分的思考時間，在師生交流的過程中，思維火花才會不斷碰撞，有利于學生思維的深度培養和全面性提升.

1.3 基于圖象分析 發現規律 深化概念的理解

問1 數據有什么特點？

教師引導：氣泡在這段路程里沿著直線運動，并保持速度不變，物理學上把這樣的運動稱為勻速直線運動.描圖象，總結路程——時間特點、速度——時間特點，學生根據表1的數據，在平板上描出路程與時間圖象，總結特點.

問2 結合大家測出和分析的數據，勻速直線運動具有：

接下來指出除了表格，圖象是另一種處理的方法，讓學生根據表格數據在平板上描出路程與時間的圖象.

問3 對比大家的圖象，你們發現描出的曲線有什么特點？

引導學生發現路程——時間圖象經過一個特殊點——原點，指出在數學上這兩個量成正比，也就是氣泡在做勻速直線運動時路程和時間近似成正比關系.

問4 勻速直線運動具有速度不變的特點，那么速度與時間的圖象是怎樣的呢？是不是跟路程與時間的圖象一樣呢？那應該怎么畫？在伴學單上大致描出速度與時間的圖象.

師生共同總結速度與時間的圖象是一條平行于時間軸的直線，隨著時間的推移，速度一直不變，速度與時間無關.

設計意圖表格是處理數據時常用的一種方法，而圖象是另一種有效的處理方法，這是物理探究性實驗過程中常用的兩種方法，表格是清晰、集中體現數據的特點，而圖象則能使人一目了然，直觀地反映出各個物理量之間的內在關系.因此，在物理學習中運用圖象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象，可以培養學生數形相結合分析物理問題的能力，借助圖象能更好地解釋相關觀念，有利于學生的學習[3].

學生覺得勻速運動很容易實現，但事實上要做到勻速很難，生活中的勻速直線運動更是屈指可數，生活中的可以看作勻速直線運動的實例都是近似處理，學生逐漸知曉，勻速直線運動只是物理學中的一種理想化模型，如何引導學生進行深入的學習和理解，需要在學生研究完氣泡后，及時畫出圖象，在分析圖象的學習中，學生對勻速直線運動的概念會慢慢加深.這節課利用尚學平臺輸入數據自動生成圖象，便于總結規律，突破難點重點，在伴學單上完善圖象，加深學生對勻速直線運動特點的印象.

1.4 基于技術融合，優化數據處理

實驗3 數字傳感器測量并展示自由落體小球的速度

教師引導：物體自由下落是個變速運動，你能直接看出這個球下落過程中運動特點嗎？用眼睛很難看出其特點，用咱們剛才的秒表也很難測出時間，我們用高科技呈現一下（如圖1）

光電門測出的時間和計算的速度

設計意圖學生對變速運動并不陌生，頭腦中已有一定的感性認識，但如何引導他們得出規范、科學的認識，為此我從熟悉的“自由落體運動”著手，借助數字化實驗系統——數字傳感器測出并展示速度的變化，將高科技融入課堂，直觀顯示速度的變化，形成正確深入的直線運動觀念，與勻速直線運動加以區分，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.

1.5 應用創造提升責任態度，實現高級思維的進階

（1）視頻展示：劉翔110米跨欄

問1 劉翔此次跨欄的平均速度多大？

剛才劉翔是在做連續的運動，有時會出現中間有短暫停留的變速運動，比如龜兔賽跑，兔子睡了一覺，那兔子的平均速度又該怎么算？這次比賽中誰的平均速度大？

（2）龜兔賽跑比賽

問2 烏龜和兔子此次平均速度哪個大？（獨立思考，利用交互平臺回答問題）

設計思路 關于平均速度，借用多媒體教學來加深學生的印象，在劉翔跨欄中感受運動的魅力，從而激發學生強烈的求知欲，使學生在一種積極主動的心理狀態下接受知識、促使他們對自然更加的向往，又可以初步認識到科學技術在社會、生產中的重要應用，民族自豪感油然而生，最后用同學們熟悉的“龜兔賽跑”示例對比應用這一概念，使用交互平臺，及時反饋學生的掌握程度.在輕松、愉快的教學中共同進步.

2 教學反思

2.1 遵循認知規律，從教材到教學的整合

（1）運用動態鏡頭拍攝氣泡運動，頻閃照片呈現，動態過程靜態展示，直觀顯示勻速直線運動特點，突破傳統灌輸式教學.

（2）計時器等小工具，連續計時，方便讀數.

（3）利用尚學平臺輸入數據生成圖象，數據共享，及時上傳，便于總結規律，突破重難點.

（4）通過數字傳感器展示變速運動速度變化，高科技融入課堂，提高了學生學習物理的興趣.

（5）通過交互平臺的使用，可以及時反饋學生的課堂學習情況，有效對學生進行對比與分析、反饋教學效果.

2.2 優化實驗設計，學生思維價值的體現

在實驗教學中，教師的引導作用非常重要，在教師的引領下，學生會對實驗有新的認識，通過數字化實驗手段，改進物理實驗，使學生更容易理解.同時也有利于學生收集信息、處理信息、提取信息的能力的提升，理清教學設計的內在邏輯關系，知識的內在邏輯順序，這些都離不開教師的指導.學生的深層思考能力和學習能力也會隨著實驗的分析和深入探究過程不斷得到提升，最終實現學生思維提高的進階.

3 結語

深度學習是一種有效的學習策略，在物理教學中，能充分發展學生的思維能力，教師在實驗教學中，應努力讓學生積極參與實驗設計，高度重視數據處理的科學性，將定性研究與定量研究相結合，立足學生的可持續發展，為終生學習打下堅實的基礎，落實立德樹人的真正目的.

參考文獻：

[1] 劉月霞，郭華.深度學習：走向核心素養[M].北京：教育科學出版社，2018.

[2] 劉兵.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[J].物理教師2021，45-48.

[3] 陳廣萍，尹海峰.物理圖象在物理教學中的功能研究[J].中學物理教學參考，2017，46（18）：34-35.