深度學習視域下高中物理實驗教學設計研究

【摘要】隨著教育理念的不斷更新和發展，深度學習逐漸成為教育領域關注的焦點．在高中物理實驗教學中，引導學生進行深度學習有助于提高他們的物理素養和綜合能力．本文以“驗證機械能守恒定律”實驗為例，探討深度學習視域下高中物理實驗教學設計的策略和方法，旨在為提高高中物理實驗教學質量提供參考．

【關鍵詞】深度學習；高中物理；實驗教學

高中物理作為一門基礎性學科，對學生的科學思維和實踐能力培養具有重要意義．實驗教學是高中物理教學的重要組成部分，通過實驗可以幫助學生更好地理解物理概念和規律，培養學生的觀察能力、動手能力和創新思維．然而，在傳統的高中物理實驗教學中，往往存在著學生被動參與、實驗過程流于形式等問題，難以達到理想的教學效果．深度學習強調學生對知識的深入理解和應用，注重培養學生的批判性思維、創新能力和解決實際問題的能力．因此，將深度學習理念引入高中物理實驗教學，對于提高實驗教學質量具有重要的現實意義．

1 深度學習的內涵

在高中階段，物理學科作為自然科學的重要組成部分，對于培養學生的邏輯思維、科學素養以及解決實際問題的能力具有不可忽視的作用．而深度學習作為一種高效的學習方式，在高中物理學習中具有重要的意義．

首先體現在對知識的深入理解上．高中物理知識體系較為復雜，涵蓋了力學、熱學、電磁學、光學、近代物理等多個領域．深度學習要求學生不僅要記住公式和定理，更要理解其背后的物理概念、原理和規律．

例如 在學習牛頓第二定律時，不僅要知道F=ma這個公式，更要明白力是改變物體運動狀態的原因，加速度與力成正比、與質量成反比的本質關系．通過深入理解，能夠將物理知識融會貫通，構建起完整的知識框架．

其次，深度學習強調知識的遷移與應用．高中物理知識并非孤立存在，而是相互聯系、相互滲透的．深度學習要求學生能夠將所學的物理知識靈活運用到不同的情境中，解決實際問題．

例如 在學習了電學知識后，能夠運用歐姆定律、電功率等知識來分析家庭電路中的問題，或者解決電路設計方面的挑戰．這種知識的遷移與應用能力，使學生能夠真正掌握物理知識的實用價值，提高解決實際問題的能力．

再者，深度學習注重培養學生的批判性思維和創新能力．在高中物理學習中，學生不應盲目接受書本上的知識和結論，而應敢于質疑、善于思考．對于一些經典物理實驗的結果，學生可以思考實驗方法是否存在局限性，是否有改進的空間．通過批判性思維，激發創新意識，培養學生探索未知、解決復雜問題的能力．

2 深度學習視域下實驗教學片段設計

下面以“驗證機械能守恒定律”實驗教學片段為例，分析深度學習視域下的實驗教學．

環節1：教材原型實驗原理闡述

本實驗驗證極其簡單情形下的機械能守恒──自由落體運動．在該過程中，物體重力勢能減小，動能增加，根據機械能守恒定律可知，物體減小的重力勢能等于增加的動能．即等式成立，就能驗證機械能守恒．

環節2：常規紙帶實驗

教師進行實驗演示并引導學生進行實驗操作：

（1）使用打點計時器與紙帶，記錄重物自由落體運動過程；

（2）數據處理與分析.

環節3：拓展利用視頻分析軟件，減小阻力誤差影響

用紙帶法研究自由落體運動時，打點計時器與紙帶的接觸摩擦帶來的實驗誤差較大．為了便于學生日常開展實驗，接下來介紹利用智能手機對物體落體運動進行視頻分析，驗證機械能守恒定律．

實驗原理：驗證機械能守恒定律，由于在自由落體運動過程中只有重力對物體做功，遵守機械能守恒定律，即重力勢能與物體動能之和保持不變．規定最高點為零勢能點，利用Video Physics軟件實時記錄每個點的高度h與速度v，計算出物體機械能E=mgh+12mv2的總和并轉化為圖像，若得到的E-t圖像為一條常數函數，則可驗證機械能守恒定律．

設計意圖 通過三個環節的設計，學生不僅能夠掌握教材原型實驗，而且能較熟練運用現代科技驗證機械能守恒定律．同時，教學設計層層遞進，培養了學生的質疑創新能力和批判性思維，達到深度學習的目的．

3 教學評價與反饋

例 某實驗興趣小組利用如圖1所示的裝置驗證機械能守恒定律．將鐵架臺固定在實驗桌的邊緣，用細線將鋼柱掛在鐵架臺上，在鐵架臺的下部再固定一電動機（軸上裝軟筆）．電動機轉動時，軟筆尖每轉一周（時間間隔為T）就在鋼柱表面畫一條痕跡．如圖2，在鋼柱上從痕跡O開始選取5條連續的痕跡A、B、C、D、E，測得它們到O的距離分別為hA、hB、hC、hD、hE．重力加速度g已知．

（1）在實驗操作過程中，應．

（A）先打開電源使電動機轉動，后燒斷細線使鋼柱自由下落．

（B）先燒斷細線使鋼柱自由下落，后打開電源使電動機轉動．

（2）軟筆尖畫痕跡D的瞬間，鋼柱下落的速度vD=________．（用題中物理量表示）

（3）設各條痕跡到O的距離為h，對應鋼柱的下落速度為v，畫出v2－h圖像，發現圖線接近一條傾斜的直線，若直線斜率近似等于________，則鋼柱下落過程中機械能近似守恒．

解析 （1）實驗操作時，為了使軟筆在鋼柱表面畫上的痕跡條數多一些，應該先打開電源使電動機轉動，后燒斷細線使鋼柱自由下落，故選（A）．

（2）根據勻變速直線運動中間時刻速度等于該段過程的平均速度，則畫出痕跡D時，鋼柱下落的速度為vD=hE－hC2T．

（3）鋼柱下落過程中，只有重力做功，重力勢能的減小量等于動能的增加量，即mgh=12mv2，整理有v2=2gh，如果v2－h圖像是一條傾斜直線，且斜率k近似等于2g，則鋼柱下落過程中機械能近似守恒．

點評 本例采用教材實驗原理驗證機械能守恒定律，但在數據的處理方式上和教材中的有所不同，本例采用圖像來處理，使得過程簡潔、科學，實現了深度學習的效果．

4 結語

在深度學習視域下進行高中物理實驗教學設計，需要教師轉變教學觀念，創新教學方法，以學生為中心，引導學生積極參與實驗探究活動，培養學生的創新思維和實踐能力．在“驗證機械能守恒定律”實驗教學中，通過問題驅動、小組合作和探究式教學等方法，激發了學生的學習興趣和主動性，提高了學生的實驗探究能力和數據處理能力．

參考文獻：

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［2］嚴燦云.“深度學習”視域下高中物理實驗教學例談［J］.物理教師，2014，35（12）：53-54.

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