深度學習視域下的物理實驗儀器教學研究

石堯 孫曉兵 尹迪

摘? ? ? 要 為促進物理實驗儀器教學中深度學習的發生，在對現有物理實驗儀器的教學方式展開剖析的基礎上，提出了以儀器研發歷史為主線的重演式教學。同時結合大量教學實踐，汲取科學文化哲學之精髓，進一步構建出了物理實驗儀器重演教學模型，其間將實驗儀器的重演教學分為本源問題、原型啟發、組件創生、實踐操作和儀器仿制五個部分，從而使物理實驗儀器深度學習的開展有據可依。

關 鍵 詞 深度學習? 實驗儀器? 教育重演? 物理教學

引用格式 石堯，孫曉兵，尹迪.深度學習視域下的物理實驗儀器教學研究[J].教學與管理，2023（28）：47-50.

隨著現代學習理論研究的不斷發展與深入，“深度學習”這一概念愈發受到教育研究者的關注，業已成為發展學生核心素養的重要途徑。所謂“深度學習”，是指在教師引領下，學生圍繞具有挑戰性的學習主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發展的有意義的學習過程[1]。物理學是一門以實驗為基礎的自然科學，2022年新頒布的《義務教育物理課程標準》就將原來的“科學探究”改為“實驗探究”[2]，足見物理實驗對學生認識物理世界的重要意義，而實驗探究的開展少不了實驗儀器的協助。我國著名科學史專家吳國盛先生曾高屋建瓴地指出：科學的進步在某些時候完全是被科學儀器的發明所推動的[3]。可以說，學生對實驗儀器學習效果的優劣直接影響著物理教學的成效。因此，對實驗儀器的教學就成為了發展學生實驗探究能力的先決條件與基本保證。在當前的物理實驗儀器教學中，教師大都將精力與時間投入到實驗儀器操作步驟的講解上，而對儀器的原理及研發過程卻持一種漠然的態度，由此便造成學生對儀器的學習只能停滯于簡單記憶與重復訓練的淺層學習中，嚴重阻礙了深度學習的發生，更遑論通過物理實驗儀器的教學來發展學生的物理學科核心素養了。針對這一癥結，我們對現有物理實驗儀器的教學方式進行審視與考察，從而對實驗儀器的深度學習展開探索。

一、實驗儀器研發重演教學的意義與價值

明晰實驗儀器的組件功能，掌握實驗儀器的使用方法，形成實驗儀器的操作技能，歷來是物理實驗儀器教學的重要目標。然而這些目標都是以結果為導向的，忽略了過程性目標的重要性，由此導致人們長期以來只是關注物理實驗儀器的工具屬性，致使實驗儀器在物理實驗教學中處于配角的地位。學生大都也只會按照教材中注明的操作步驟機械地“照方抓藥”，對整個儀器的原理及研發過程不甚了解，更無法獲悉實驗儀器在創生過程中所涉及的科學方法、科學思維、科學態度、科學品質、科學精神等一系列人類的認知精粹。換言之，對儀器工具價值的過度強調，勢必會削弱，甚至忽視儀器的教育價值，造成學生人格的失衡，最終導致作為教育對象的學生成為“單向度”的人。在此，物理實驗儀器研發重演教學的提出則為人們揭示了物理實驗儀器教育層面的功能，使人們能夠以一種嶄新的視域審視物理實驗儀器的價值，即實驗儀器不僅具有使用價值，更兼具教育價值，它是發展學生關鍵能力與必備品格的有效載體，是傳承人類認知精粹的媒介。如果用美國著名心理學家麥克利蘭提出的“冰山模型”[4]來形象地表征物理實驗儀器的使用價值與教育價值之間的區別，那么實驗儀器的使用價值相當于浮出水面的冰山一角，它是顯性的，以具體可見的物質形態呈現在學生面前，而實驗儀器的教育價值則相當于潛藏在水下的龐大山體，它是隱性的精神形體，包含著科學態度、科學思維等一系列人類的認知精粹。毋庸置疑，正是后者這種緘默知識支撐住了整個龐大的山體。

因此，作為一名物理教師，我們既是經師，更是人師，絕不能把自己的視距局限于露出水面的那一小部分，更要透過水面，看到并關注隱藏于水下的那一大部分，從而在觀念上匡正物理實驗儀器在物理教學中的地位，使其由實驗教學的配角變為實驗教學的主角；在實踐中處理好物理實驗儀器中各價值之間的關系，使物理實驗儀器的多元價值得以充分發揮，共同促進學生物理學科核心素養的發展。

二、現有物理實驗儀器教學方式的審視

1.以教師為中心的授受式教學割裂了儀器各個組件之間的聯系

在這種教學方式中，教師首先從實驗儀器的整體入手，解析與提煉出組成該實驗儀器的各個關鍵組件，從而在此基礎上，結合實驗儀器的構造圖，按照實驗儀器的操作順序，抑或各個組件在實驗儀器中的位置順序，為學生逐一闡述實驗儀器中各組件的名稱、功能及在具體操作中的注意事項，力圖通過講授的方式，幫助學生對實驗儀器的構造形成宏觀認識。這種將實驗儀器拆解成一個個簡單組件的教學方式，便于學生逐個學習與記憶，有效緩解了學生面對實驗儀器的復雜整體而無從下手的窘境。其實，這種庖丁解牛式的教學方式，是以哲學中的“還原論”為理論基礎的。所謂還原論，濫觴于笛卡爾的分析法，即對一個復雜系統進行逐層分解，直至分解為組成它的最小基元。然而，還原論因“不能把握由于系統諸要素相互作用而在宏觀層面上所產生的新特性”[5]而廣為人們所詬病，同樣這種將實驗儀器逐一拆解教學的方式看似細致入微，實則割裂了各儀器組件之間的聯系，忽視了整體功能大于各部分功能之和的要義，繼而導致在實驗儀器的教學中，各組件之間明顯缺乏相應的邏輯聯系，呈現出一種并行羅列的態勢。進一步而言，這種授受式的實驗儀器教學囿于“教師中心論”的桎梏，忽視了學生的主觀能動性，束縛了他們的思維創造力，使其只能被動接受教師索然無味的灌輸，自然不會取得良好的教學效果。

2.以學生為中心的發現式教學降低了學生學習實驗儀器的效率

這種教學方式的特點是，教師讓學生在閱讀教材相關內容的基礎上，嘗試進行實驗儀器的操作，籍此初步建構出學生自己對實驗儀器的理解，然后采用學案填空或是課堂提問等形式幫助學生落實實驗儀器中各個組件的名稱、功能及在具體操作中應注意的事項。不難看出，這種教學方式的理論基礎是美國教育學家杜威所倡導的“做中學”，并且該教學方式還可在美國進步主義運動的教育實驗中覓得雛形，即與帕克赫斯特的道爾頓制有一些相似之處。不可否認，這種強調學生自己發現知識的教學方式使學生可以在一定程度上自行掌握學習的進度，很好地照顧了每位學生的個性特點，并且通過對實驗儀器的親身操作大大加深了學生的具身體驗，避免了教師只講實驗而學生不做實驗的痼疾。但是有研究表明，“做中學”的方式并不能讓學生理解到高深的、最頂端的知識內容[6]。相應地，這種“學生自主探索”的學習方式也如同美國進步教育中的諸多實驗一樣，因過分夸大學生的主觀能動性而深陷“學生中心論”的泥淖，不僅有礙于學生對系統知識的獲得，還空費學生的精力與時間，致使教學失之功利。關于深度學習的研究也揭示出，學生的學習不是一般意義上學習者的自學，其中必須有教師的引導和幫助。可以說，教師的引導是深度學習自然發生的先決條件[7]。

3.以儀器研發歷史為主線的重演式教學有效促進了深度學習的發生

教育哲學家謝密斯曾言：所有教育問題最終都是哲學問題。于是我們從科學哲學入手，對物理實驗儀器的授受式教學和發現式教學進行剖析。二者之所以難以取得理想的教學效果，主要還是因為它們深受科學知識哲學的影響，將自己的教學目標禁錮于“被人創造的知識”中，而非“創造知識的人”。其實，科學作為一種既包含歷史性，亦包含人文性的文化活動，絕不能和知識畫等號。由此我們需要一種全新的科學哲學來指導物理實驗儀器的教學設計。20世紀60年代以來科學哲學出現的“文化轉向”，以及隨之產生的科學文化哲學，為我們研究物理實驗儀器的教學提供了全新的理論視角。科學文化哲學強調以人為本，將科學視為人類的文化活動，從而突破了狹隘的知識論視野，凸顯了科學的人文底蘊[8]。科學文化哲學主張將科學放到整個人類文化背景中考察，關注創造知識的人與人類創造科學知識的過程，籍此實現了從關注知識轉向關注知識的創造過程，消弭了科學與人文的疏離對峙。有鑒于此，我們應以一種動態的知識觀來取代原本的靜態知識觀，即知識不是擺在某個位置等待學生去獲取，而是學生根據自己的需要去建構與創造屬于他們自己的知識。正如深度學習理論所指出的，學生的學習不是被動地容納外在知識的灌輸，也不是從實踐開始的盲目試誤，而是通過主動的、有目的的活動，對人類已有認識成果及其過程的學習與體驗[9]。

研究發現，物理學發展史這種對物理知識發展過程的史實性敘述可以很好地表達“人類已有認識成果的形成過程”。同時，母小勇等人通過實證研究亦揭示出，學生學習科學知識的過程與科學家探索科學世界的過程存在著高度的相似性，學習者在學習科學知識過程中所遇到的困難往往也是人類在科學研究過程中需要長時間累積、消化的突破點[10]。緣此，由科學文化哲學引導的物理實驗儀器教學便應該是，教師通過對實驗儀器研發過程的再現與復演，引導學生親歷物理實驗儀器的創生過程，繼而在歷史的浸潤與陶染中幫助學生進入深度學習的狀態。概言之，這種教學方式強調實驗儀器的整體性、系統性與結構性，力圖將實驗儀器研發的來龍去脈展現在學生眼前，使實驗儀器在學生眼中不再是散碎零件的簡單堆砌，而是由一系列彼此關聯的組件所構成的復合體。

三、物理實驗儀器的重演教學模型構建

結合大量教學實踐，汲取科學文化哲學之精髓，我們以實驗儀器研發的歷史邏輯順序為教學主線，以學生對實驗儀器原理、結構、操作的掌握為教學目標，以學生深度學習的發生為教學主旨，構建出物理實驗儀器的重演教學模型（如圖1所示），希冀帶領學生“模擬”整個實驗儀器的研發過程。

1.邏輯起點：還原歷史事實，回到問題原點

邏輯起點是一節課的教學起始環節，合理的邏輯起點將有效保障學生深度學習的真實發生。邏輯起點的確定應從學科自身邏輯和學生思維發展兩個向度綜合考量。一方面，通過追溯實驗儀器的發展歷史可以發現，一件物理實驗儀器的發明往往是因為現有技術手段不能準確完成某一物理量的測量或某一物理現象的觀察，這樣便構成了實驗儀器教學在學科向度上的邏輯起點；另一方面，作為物理學科核心素養重要發展目標的科學思維應為教師教學設計的出發點，而學生思維的發展源于問題的驅動和由此引發的認知沖突，因而合理的科學問題就構成了實驗儀器教學在學生向度上的邏輯起點。接下來，我們找尋兩個向度上邏輯起點的重合點，從而將實驗儀器教學的邏輯起點定位為物理實驗儀器發明動因這一本源性問題，即在實驗儀器教學伊始，將學生的學習情境還原回實驗儀器創生之初的原點，將當時人們所遭遇的問題復現給學生，并以問題驅動的形式引發學生的認知沖突。

2.中間過渡：提供啟發原型，凸顯儀器原理

任何發明創造都不是人腦主觀臆想的結果，或多或少可以從生活中的事物上覓得啟發的原型，如人們因鋸齒狀的草葉劃破手指而發明了鋸子，利用長頸鹿可控制血壓的緊繃皮膚而研制了宇航服。原型啟發對科學的發展，科技的進步都有著積極的推動作用，同時亦是促進學生創造性思維發展的有力手段。于是，在學生思考一段時間后，教師不要急于為學生展示成型的物理實驗儀器，而應向學生展示實驗儀器在發明之初所參考的原型事物，籍此作為學生學習物理實驗儀器的生長點，促使他們從中獲得解決問題的靈感。一般而言，被選作啟發原型的事物須滿足兩個條件：一是該事物應與學生的日常生活密切相關，以便促使學生展開聯想；二是該事物能凸顯實驗儀器的原理，便于學生的后續學習。由此便產生了兩種重要的啟發原型，一種是取自日常生活實際的事物原型，如托盤天平研發時的原型蹺蹺板；另一種是取自實驗現象中的過程原型，如在溫度計研發過程的教學中，教師現場用玻璃瓶與毛細管為學生演示液體熱脹冷縮的特性。

3.組件創生：劃分階段目標，合理設置問題

該部分可謂實驗儀器研發重演教學模型的主核，因為在這個部分中，教師將從實驗儀器的啟發原型出發，通過合理設問，引導學生逐一添加實驗儀器的各個組件，從而建構并完善整個實驗儀器。眾所周知，有限的課堂時間不允許教師向學生展現實驗儀器發展的全部歷史過程。對此，我們可以從近代物理學的量子觀中覓得破解之道。不同于經典物理學體系中物理量的任意連續性變化，在量子力學體系中，物理量只能采取某些分離數值的特征。受此啟發，我們可將實驗儀器的演進過程劃分為一個個關鍵性步子，或稱“階段性目標”，然后逐一達成。需要指出的是，這些階段性目標不宜過多，參照伊勞特“目標密度”[11]的相關概念和內容，并結合中學生的認知規律與思維特點，我們認為實驗儀器重演教學的“階段性目標（關鍵性步子）”應控制在4～5個為宜，即選取實驗儀器發展至今所保留下的那些關鍵組件的創生過程，并將這些關鍵組件的創生過程轉化為便于學生解決的科學性問題。

4.深化理解：體驗操作過程，規范實驗操作

在傳統教學中，教師往往將儀器組件的功能與儀器使用的規則分開教學，這無形中破壞了課程的整體感，降低了教學的效果，因此教師須設法將二者整合在一條教學主線中。縱覽物理實驗儀器的發展歷史，實驗儀器的研發與改進往往建立在實驗儀器使用的基礎之上，亦即實驗儀器是在使用過程中才得以不斷發展和完善的。在這個意義上，實驗儀器的操作步驟必定寓于實驗儀器的研發過程之中，當學生經歷了實驗儀器研發過程的重演后，他們在大腦中自然會初步形成儀器操作序列的表象。對此，我們曾進行過相應的實踐研究，選取溫度計、托盤天平、彈簧測力計等實驗儀器作為教學重演的內容，在帶領學生親歷這些儀器的研發過程后，直接讓學生操作儀器完成測量任務。結果顯示，大多數學生都可以按照正確的操作順序使用實驗儀器，因此在很大程度上完成了實驗儀器操作的學習目標，但是操作中一些需要注意的事項卻未能得到學生很好的重視。于是，結合調查中發現的問題，在完成實驗儀器的重演教學后，教師須先通過語言引導學生對操作步驟進行自組織梳理，并留出梳理的時間。然后讓學生直接操作儀器完成實驗任務，而不向學生講解實驗儀器的操作步驟及注意事項，由此充分暴露學生認知中的問題。其間，教師巡視并捕捉學生操作中的典型錯誤（如現場拍照），爾后采用投屏展示，抑或邀請具有典型操作錯誤的學生上臺“演示”等形式，為學生糾正這些典型錯誤，從而在匡正、完善學生儀器操作的基礎上，深化學生對實驗儀器操作的理解。

5.邏輯終點：布置實踐作業，促進手腦并用

具身認知理論作為心理學中的一個新興研究領域，在科學教育中的作用日益凸顯，該理論指出人們的生理體驗與心理狀態之間有著強烈的聯系，生理體驗能夠“激活”心理感覺，反之亦然。因此，在帶領學生重演物理實驗儀器的研發過程后，最終還要為學生提供動手實踐的機會，這里所指的實踐不能僅局限于讓學生通過實驗儀器獲取實驗數據，而應為學生布置仿制實驗儀器的實踐類作業，如讓學生利用身邊的低成本材料制作一架小天平，一支溫度計等。這是因為，學生對實驗儀器的仿制過程絕不是簡單的“鏡像復制”，而是一個先在大腦中解構實驗儀器，再在實踐中動手組合、構建儀器的自組織過程。英國著名物理學家麥克斯韋就曾說過：學生用自制的儀器雖然經常出毛病，但他卻會比用仔細調整好的儀器學到更多的東西[12]。并且，相較讓學生按步驟機械地操作實驗儀器，這種制作低成本實驗儀器的實踐類作業更能激發學生的學習興趣，延長學生有效學習的時長。由此，仿制實驗儀器就構成了研發重演教學的邏輯終點。需要強調的是，這里切忌為學生提供制作步驟的說明，而要充分調動學生的主觀能動性，使其憑借大腦中的“實驗儀器”表象與自己的想象力完成制作任務，并鼓勵學生拓展創新。此外，學校還可以開展班級與年級之間的自制儀器互評，幫助學生在相互借鑒中改進與完善自己的作品，以物化的學習成果為物理實驗儀器的學習畫上完滿句號。

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