“深度学习”视域下实验教学的策略研究

黄建林

摘 要：通过分析当前实验教学存在的问题，提出了 “认知冲突”引发深度思考、“评价交流”形成深度反思、“真实情境”激发深度学习、“数字实验”凸显科学本质、“深度探究”导向高阶思维、“家庭实验”促使深度研究六种“深度学习”视域下的实验教学策略.

关键词：物理实验；深度学习；实验教学

一、当前实验教学的现状

物理是一门以实验为基础的学科，实验对教学有举足轻重的作用：它可以提高学生的学习兴趣；激发学生的求知欲和好奇心；培养学生的动手实践能力和培养学生的思维习惯；提高学生的科学素养等.但受当前快餐式学习方式和中考指挥棒的影响，实验教学中教师的“教”和学生的“学”更加趋于功利主义，往往存在三种现象：讲实验、看实验和练实验.物理实验中有很多地方用到有害材料，如外界对气体做功使气体内能增加实验用的是乙醚，好多教師直接用讲实验来代替真正的实验.在物理实验教学中一些难成功的实验，如晶体熔化实验，往往是叫学生看视频实验.到中考实验时，针对几个要考的实验往往叫学生进行强化练习，机械操作.讲、看、练实验导致的结果是学生的学习处于浅层次学习，理解不深刻，实验现象和实验结论死记硬背，实验操作机械生硬，出现知其然却不知其所以然的结果.长此以往，学生的学习兴趣和学习积极性会大大减弱，分析问题和解决问题的能力会降低，一碰到开放性的问题，学生们就无从下手.

二、深度学习的概念及特征

深度学习，也被译为深层学习，是在1976年由美国学者Ference Marton和Roger saljo根据学习者获取和加工信息的方式提出来的.目前对深度学习定义比较认同的是：深度学习是指在理解学习的基础上，学习者能够批判性地学习新的知识和思想，并将新的知识和思想融入已有的认知结构中，能够在众多的思想间进行联系，并能够将已有的知识迁移到新的情境中，作为决策和解决问题的一种学习方式[1].深度学习与浅层学习主要在建构反思、思维能力、思维层次、学习内容、学习状态和学习目标等方面存在着显著差异，具体表现如表1[2].

三、深度学习的实验教学策略

（一）“认知冲突”引发深度思考

建构主义观点认为：学习不仅仅是信息量的积累，更是新旧知识经验之间的冲突而引发的观念转换和认知结构重组的过程.学习者在学习前不是空着脑袋而是带着“前概念”进课堂的.这些前概念有的是偏激的甚至是错误的，更主要是前概念具有顽固性、持久性和个人性、普遍性等特征.按最近发展区理论，要想促进深度学习，就必须把这些前概念进行转化，同时对已有认知结构进行改造和重构，使得旧知识和新知识之间建立一座桥梁，引发学习者深度思考，从而对知识进行有效建构.

案例1 灯泡亮暗是由什么因素决定的

经过八年级的串并联电路的学习，在学生的头脑中已经形成了灯泡的亮度是由电流决定的错误前概念.在初三学电功率时，教师提问：当“220V 100W”“220V 40W”的两盏灯串联时，哪盏灯更亮？学生异口同声回答一样亮，理由是它们电流一样.当合上时却发现不是一样亮而是40W的更亮.这引发了第一次认知冲突.当提问“220V 200W”“220V 40W”的两盏灯串联时，现象会如何，学生回答是200W的暗，40W的亮，合上开关时却发现200W的不亮，40W的亮.这时教师让学生上台摸200W灯泡发现它在发热，是有电流的.这又引发了第二次认知冲突.当“220V 200W”“220V 40W”的两盏灯并联时，又会怎样？学生回答是40W亮后，当教师合上开关那一瞬间，学生彻底傻眼了，竟是200W的更亮，再次引发他们的认知冲突.

案例2 水和人体到底能否导电

在学生的前概念中，水和人体都是能导电的，但当他们用自己设计出的检验导体与绝缘体的检验方案时，发现小灯泡不亮且电流表示数为0，这时就产生了认知冲突，老师适时提醒，是尊重实验结果还是直接认定人体和水是导体这个结论.这样的认知冲突就促使学生深度思考，到底是什么原因导致小灯泡不亮以及电流表示数为0，经过仔细、深度地思考后，他们认为主要是电流太小引起的，从而再进一步思考，最后得出最好用灵敏电流表来检测.

（二）“评价交流”形成深度反思

评价是一种关于价值的判断，是一种主体性活动，它的作用则是指导活动，确定活动的目标、方向[4].英国文豪萧伯纳说过：一个苹果跟另一个苹果交换，最终得到的还是一个，而一种思想跟另一种思想交流，那就是二种甚至更多种思想.可见知识可以在对话中重组，在交流中倍增，在共享中升华.在实验的探究和设计过程中，进行评价和交流，不但能体现语言的准确性、逻辑性和严密性，更能形成深度反思，使思维深刻化.

案例三 浮力大小与排开水的重力关系

笔者让学生设计出排开水的重力时，共有二种方案，如图1和图2所示.让学生自己对二种方案进行评价，评价此方案优点和相应的缺点.他们认为：第一种方案在数据精确性上有问题，即当小烧杯把排出的水倒入量筒时会因部分水沾着，导致测得排出水的体积比真实值要少；第二种方案实验操作性上不规范，即直接用量筒接排出的水，实验操作不当.通过交流与评价，学生经过深度反思后提出可以把两种方案优点组合在一起，提出了第三种方案，即图3，用小烧杯接着排出的水，然后用天平称出烧杯和水的总质量，或用小筒做这个实验直接测它们的总重力.

通过评价、交流，形成深度反思后，同学们对数据的精确性和实验操作的规范性等问题掌握得很清楚.当然在他们评价与交流时，教师要适时引导他们用准确、规范、简单明了的语言来表达自己的观点，鼓励他们多想、多说，在说的过程中培养他们的语言表达能力.

（三）“真实情境”激发深度学习

伟大教育家陶行知说过：不以生活为背景的教学是死教学.其也说明了情境在教学中的重要性.而对于物理实验教学，情境教学显得尤为重要，它能够给学生提供一个好的学习情境，使得学生愿意学，喜欢学，特别是真实的物理情境，一旦学生进入这种情境中，各种原生态的物理问题（大多是开放性问题）会接踵而来，这些问题较书本问题更能激发学生的学习兴趣，使得学习向纵深发展，从而提升他们运用综合知识的能力.

案例四 水火箭的发射

当学生学过有关力学知识后，可以尝试着让学生自己制作水火箭，然后再进行发射高度的比赛.为了使自己制作的水火箭飞得最高，这时他们会去学习有关水火箭的一些资料，包括制作、平衡、水量与气量的比例、发射角度、总重量、火箭的节数等问题.在正式比赛过程中，还会涉及很多的原生态物理问题，如风力和风向对飞行的影响，发射台的导航轨道长短的影响等.

案例五 怎样使小灯泡正常发光

“2.5V 0.3A”的小灯泡要正常发光，学生会想到用二节干电池，但二节干电池的电压有3V，超过小灯泡正常发光的电压.这时学生自然想到串联一个电阻Rx（通过计算大约为1.67Ω的电阻）去分压.但实验室没有这样的电阻，只能自己动手做.提供6.8Ω/m的康铜丝、刻度尺、老虎钳等，算出要截取24.56cm长的康铜丝，如图4所示.这时小灯泡发光时两端的电压应该是2.5V，当学生把电压表并联在灯泡两端时却发现电压表示数小于2.5V，这是为什么？这样的原生态问题实际上是对欧姆定律的深度学习和应用.

（四）“数字实验”凸显科学本质

在概念、规律方面，教育心理学的研究成果显示，学生在形成概念的初级阶段，必须先有一定的感性认识，然后再上升到抽象的、概括的理性认识上.但在实际教学中，好多概念、规律，特别是传统实验得不出正确结论时，教师往往直接以“空降“的形式抛给学生，弄得学生不知所以，如听天书.这时教师可以运用数字传感器来有效突破概念、规律的难点，从而凸显科学本质，使学生的学习如饮甘饴、如履平地，大大提高他们的学习积极性和学习效率.

案例六 作用力与反作用力的关系

作用力与反作用力往往老师们是直接口头说的，又或者是用二个弹簧秤直接拉，这样做的结果前者是学生不理解，也没有获得感性的认识；后者因為弹簧很难控制匀速又或者由于器材等原因导致示数不相等，反而会得出错误的结论.运用数字传感器连接电脑，可以在电脑上画出如图5所示的图像，又或者直接转化成数字显示.

通过数字传感器的运用，凸显了科学本质，使学生学得清楚又明白，透过现象看事物的本质规律.

（五）“深度探究”导向高阶思维

深度学习的核心是高阶思维，而科学的本质特征是科学探究，它具有重要的教育价值，因为学生在课堂中获得的探究能力在今后的生活、工作和研究中能得到广泛的迁移.深度探究可以让学生解决接近于实际的问题，能够使学生获得活动的体验[5]，为此教师在课堂上应多引导学生通过探究活动，培养他们解决问题的能力，从而导向高阶思维.

案例七 纸片为什么不会掉下来

在上《大气压》这节课时，老师先在杯中装满水，放上纸片，问学生：如果把纸片和杯子一起倒过来，将会出现什么现象？学生都认为纸片会掉下来，但结果令他们大跌眼镜，竟没有掉下来.这时他们探究欲望被激发，都在问一个问题：纸片为什么不掉下来呢？学生猜测有三种情况：第一种是纸片是被水吸住了；第二种是大气压把纸片压住了；第三种是大气压和水共同作用的原因.老师组织学生继续探究，怎么证明他们的猜测呢？学生讨论后认为：既然第一种认为是水吸住的，只要把纸片换成是水吸不住的塑料片就成.第二种只要把大气压给去除，也即放在真空环境中或把杯和纸放在钟罩中，然后抽气，看纸片有没有掉下来.第三种只要让大气压进入这个杯中，也就是在杯底钻个洞，看纸片会不会掉下来.他们所设计的方案如图6所示.利用此知识老师再组织学生深度探究：为什么有的组实验不成功，不成功的原因是什么？如果要定量研究大气压跟水柱的高度关系应怎么处理？如果杯中有部分空气，纸片会不会掉下来？为什么不会掉下来？到多少空气时才会掉下等问题.