利用物理實驗深度學習有效對接高考“四翼”

趙 清

(嘉積中學，海南 瓊海 571442)

1 研究背景

2019年底教育部考試中心正式發布《中國高考評價體系》，將國家和高校的選才需求與素質教育育人目標有機結合。在近年的高考內容改革及命題中，高考評價體系的理念正逐步體現。高考評價體系由一核四層四翼組成，其中“四翼”為高考的考查要求，四翼包括基礎性、綜合性、應用性、創新性，回答怎么考的問題。物理學科要有效應對四翼考查，實驗是非常重要的手段。例如通過實驗創設情境，可以幫助理解物理觀念，對接基礎性和應用性，通過實驗設計培養高階思維，對接綜合性與創新性。高中階段可通過五種實驗形式與四翼相呼應（如圖1所示）。

圖1 四翼與實驗的關系

2 關于深度學習

深度學習的概念源于人工神經網絡的研究，由馬頓和薩爾喬在1976年首次提出。后來被借用到教育心理學。一般認為，記憶和理解屬于低階思維，應用、分析、評價和創造屬于高階思維，后者是深度學習的關鍵。

胡衛平教授將深度學習定義為：能夠深度理解并靈活應用知識和發展核心素養的、積極的認知、元認知和非認知（包括動機、情感、意志等）投入的、促進自主建構（包括認知建構和社會建構）的學習方式。

深度學習應該具備這些特征：遵循學習者身心發展和科學認知規律；學習者深入理解學習對象（問題情境）本身；學習者深度思考、觸及事物（學科）本質；身心充分參與，深度全面激活多層神經元；學習者找到“自己”，向更高階、更高層次發展。

新高考對四翼的考查，本質上可以看作是對深度學習的考查，而物理實驗是深度學習的重要載體。高考“四翼”考查的內核就是深度學習能力，而物理實驗是高中階段實現深度學習的重要途徑，尤其是應用性和創新性的培養，這是傳統題海戰術無法實現的。三者的辯證關系如圖2所示。

圖2 四翼與實驗及深度學習關系

3 實驗與深度學習融合策略

下面結合本人的教學實踐與思考，從五個方面具體闡述如何實現物理實驗與深度學習的有機融合。

3.1 實驗導入有深度，激發學生的探究欲望，在認知沖突中引發深度思考

學生內在的學習動機被激發，愿意積極主動的參與，這是深度學習的首要條件。高中學生已經有自己的認知結構，如果教師不能將其打破，使思維遠離平衡狀態，則無法調動其學習積極性。通過實驗設置認知沖突，將新舊知識矛盾顯性化，可以激發學生的探究欲望。例如用伏安法測量電阻，高中要求會分析電流表內接與外接的區別，在測量中會選擇合適方案。但學生在初中已經學過原理，再次面對兩種電路時，反應必然是“冷漠”的，因為在原來的認知圖式里，兩種方案是等價的。為此我采用大型教學電表，分別用兩種電路測量同一只小電阻的阻值，數據為6Ω和3.5Ω；再測量同一只大電阻的阻值，數據為7KΩ和3.2KΩ,測量結果如此懸殊，引發強烈的認知沖突，自然促使學生深度思考。

3.2 利用實驗創設“真實情境”，建立深度學習場，促進學生自主建構

新高考評價體系強調，情境設置是考查的重要載體。借助實驗創設真實但又“陌生”的情境，提供必要的知識背景，讓學生覺得有挑戰性，打破已有的認知體系，形成一定程度的“認知失調”，學生自然愿意全身心積極參與，積極完成更加深入的自我建構。例如探究彈簧彈力與伸長量關系，需要測量彈簧的伸長量，很多參考書給的方法是利用刻度尺測出彈簧原長，再測得彈簧伸長后的總長，兩者相減得到伸長量。實際操作中原長并不好測量，因為彈簧上端很難與刻度尺零刻度線對齊。于是我引導學生思考：測量伸長量是否一定需要知道原長。接著創設這樣一個實驗情景：刻度尺豎直放置，與彈簧平行，但刻度尺的零刻線高于彈簧上端。學生通過分析發現，掛鉤碼前后的指針讀數之差即為伸長量。該方案方便易行，不用糾結彈簧的原長問題。這樣獲得的知識是活的，活知識孕育出新知識，學生不但掌握了基本的原理，還學會靈活處理，提升了解決問題的能力。

“真實情境”不一定是當下發生的，也可以是歷史上曾經發生的情境。例如研究自由落體的實驗，我們可以還原伽利略當年的實驗情境：沒有打點計時器，也沒有秒表，更沒有光電門，伽利略該如何測量運動時間？如何測量瞬時速度？如何判斷自由落體的速度隨時間均勻增加呢？在這樣的情境中，學生的思維被充分調動，接著小組合作設計實驗，獲取數據，進行分析研究。領悟到如何在限制條件下尋找最優解，學會巧妙轉換解決問題的思路，同時使學生深刻體會到伽利略的偉大。

3.3 在實驗設計中深度探究，引領學生走向高階思維

在實驗設計環節，傳統的做法是往往是這樣：教師根據實驗目的，直接給出實驗設計，全體學生按照一個方案，進行接下來的實驗操作，這樣的做法省時省心，教師容易把控，但是無形中限制了學生的思維，不利于培養學生的深度學習本領。因此我們需要改變做法，例如先讓學生自主設計實驗方案，教師再設置相應問題鏈，引導學生發現問題，不斷改進完善方案，在這樣的交流探討中，引領學生走向高階思維。

例如探究加速度與物體受力、物體質量的關系實驗中，學生很容易想到控制變量法，但是在測量物體（小車）受到的力時，有兩個錯誤環節非常容易出現：一是將長木板水平放置，認為拉力就是合力；二是認為懸掛砝碼的重力等于細線的拉力；結果作出的圖像顯示，加速度與“合力”并不成正比（如圖3）。

圖3 實驗裝置及a-F圖像

在學生處于疑惑的時刻，教師及時設置問題鏈拋給學生思考：（1）研究加速度與物體受合力關系，需測量哪些物理量？（2）如何測量小車加速度？（3）拉力就是小車受到的合力嗎？該如何測量物體受到的合力？（4）為什么要墊高平板一端？應該墊高哪一端？墊多高合適？（5）為什么不能懸掛過多砝碼？

教師通過引導學生討論，逐步解開學生心中的疑問，分析圖3的a-F圖像不過原點及彎曲原因。教師再布置任務，學生相互交流、查閱提供的資料，設計出多種改進創新方案如圖4。

圖4 改進后的實驗方案

教師在引導學生深度思考，總結這些方案的特點，填寫在表格中（見表格1）。

表1 實驗方案的特點總結

這樣的實驗設計初看費時費力，但是正所謂磨刀不誤砍柴工，它能有效打開高階思維的切口。培養了學生的分析反思能力，學會如何處理信息的能力，會評價對比方案的優劣，會抓住事物本質，舉一反三解決問題，進而獲得普遍意義問題的求解思路。這恰好是創新思維的起點，是高階思維能力的作用點與生長點。

需要注意的是，引導學生設計實驗方案時，一定要緊緊抓住核心概念，不能信馬由韁，反而造成學習時間的緊張，學習效果的低下，那就得不償失了。以驗證動量守恒定律為例，其核心概念為“找出作用之前與作用之后系統的總動量”。實驗設計必須重點圍繞這個核心展開，完成實驗方案的設計。可以將學生分為若干小組，先開展頭腦風暴，最終設計出以下這些方案：在氣墊導軌上碰撞、利用單擺碰撞、利用碰撞后平拋運動驗證等等。再比如用落體測量重力加速度，其核心概念是測量出位移及相應時間，再利用運動學知識或推論求得加速度。自然可以設計出如下方案，利用打點計時器、利用光電門、或者滴水計時法等等。

3.4 對實驗數據和結果評價交流，形成深度反思，在反思中批判與創新

對實驗數據或結果進行分析，利用作圖法等處理數據，形成合理的結論，并與同伴進行相互交流，從而有效培養證據意識和創新意識。傳統教學中往往是講實驗，實驗結果不是真實做出來，而是拼湊或借鑒已有的，這樣會掩蓋很多問題。真實的實驗數據或結果往往是非理想的，是最好的學習素材，因此要利用好它們，幫助學生學會反思與批判，真正經歷從“失敗”走向成功的過程，而不是直接給出正確的結果，虛假的數據，使學生思維失去成長的機會。

例如在驗證機械能守恒定律實驗中，甲同學實驗結果顯示，重錘動能的增加量小于重錘勢能的減少量；而乙同學實驗結果顯示，重錘動能的增加量大于重錘勢能的減少量，不符合機械能守恒。學生通過分析交流，發現原因是存在空氣阻力。乙同學使用了v=gt計算速度，實質上與機械能守恒定律等價，該式恰好是被驗證的結論，犯了循環論證的邏輯錯誤。

再比如伏安法測量電阻實驗，學生囿于初中思維定式，不管待測電阻阻值大小如何，都習慣用限流式方案，教師可以順其自然，讓學生測量某個大阻值電阻，然后引導分析結果。發現實驗數據范圍太窄，測量誤差偏大。自然引出創新方案--分壓式接法。學生再次實驗，從理論上分析分壓式接法的特點，完成了知識的順應與思維的升華。

3.5 習題實驗化形成深度體驗，有效突破學習的疑點難點

目前物理新高考對四翼的考查，主要還是通過高考試卷來落實，但是考查形式正在發生變化，具體表現為更加重視利用情境化設置問題，更加重視與生產生活緊密聯系。在新的趨勢下我們若仍然奉行傳統題海戰術，缺乏引導學生從思維起點思考問題，缺乏對其提供情景化體驗，將導致學生思維走向僵化，越來越難以適應新高考的要求。縱觀2021年物理高考題，高考全國乙卷設置了運動員拍籃球情境；浙江省物理卷設置了在秋千上擺動，用激光筆照射透明塑料光盤情境；山東省設置了密封的礦泉水瓶里小瓶沉浮情境等。因此教師平時要重視實驗，包括一些拓展實驗，找到實驗與四翼的連接點，設法將題目實驗化，與理論分析相互印證，從而在深度體驗中解決問題。例如討論圖5細繩拉力如何變化：（1）繩長不變，右端細繩上下移動（2）繩長不變，將右桿緩慢左移。此題可以純理論分析，但是借助實驗效果會更好，可以利用廢棄的窗簾滑槽零頭等制作如圖器材，還可以結合力傳感器，使問題迎刃而解。鼓勵學生結合題目多做課外實驗，動手制作實驗器材幫助分析。

圖5 晾衣繩模型

4 結束語

促進學生深度學習的方式雖然多種多樣，但我認為物理實驗是非常有效的手段。我們需要高度重視物理實驗，使深度學習落到實處，從而有效應對高考“四翼”考查，則高考成功自然水到渠成。