指向深度学习的物理校本实验

邱晓峰

摘   要：高中学生进行物理学科学习时还保留了许多初中学习的痕迹，思维不够深入，认知和思考停留在浅层，这一现象使得学生普遍感觉高中物理学习难度大，失去学习兴趣。本文阐述了教师如何在高中物理校本课程中，利用DIS数据信息采集系统改造或设计一系列的校本实验，使得学生在校本实验的操作中，解释实验现象，分析实验数据的过程中逐步提升思维层次，优化学习方式，走向深度学习，以适应21世纪对人才具备的能力要求。

关键词：DIS数据采集;深度学习;实验方案改进;教学策略

课程改革以来教学课堂较之以往多了更多的"自主，合作，探究”的过程，但由于很多教师对这种学习模式的内涵、实施策略的理解并不到位，使得初中很多的物理课堂演变成为表面形式的合作与探究。学生和教师往往热衷于对各种现代化工具的使用，浅层次的对话，而在学科学习过程中要深度学习的核心问题，依旧停留在了解与记忆的层次上，这种方式仅仅只是丰富了学生学习知识的过程，而并没有让学生真正的理解内涵，践行价值观。加之初中的考试对解决问题能力考察的不足，使得学生经过初中两年的物理学习形成了一种固化的学习模式，即对物理知识的学习仅限于了解现象，而定量计算分析能力较差。

高中物理与初中物理的学习差异巨大，其中之一就是学习任务要求从初中的定性分析转变为定量分析，从之前的解释现象转变为解释并且预测现象，这就要求学生对其学习的内容要进行深度学习。能够对知识进行简单的描述，同时只停留在学习认知领域中的“知道、理解”层次，即属于浅层学习阶段;而对知识的实际应用，利用所学知识能够解决具体问题，并且能加以创新或者改进则属于深度学习，深度学习更加注重知识的应用和问题的解决[ 1 ]。因此学生初入高中学习时，普遍反映物理学科学习跨度大，而导致学习信心不足，学习兴趣下降。此时需要教师优化学生的学习方式，提升学生学习的层次由“浅”入“深”，由记忆转向实际应用。优化学生学习方式的教学措施应该是全方位地滲透进学生学习全过程中，包括教师课堂教学方式的改变，课后习题的设置，考察方式的侧重等。本文通过若干个教学案例介绍了如何在校本课程中，通过数据信息采集系统（DIS）数据化学习任务促使学生深度学习。

1  从基于习题训练到面对实际问题解决

在众多的物理试题中，其实蕴藏着很多的可以转变成小实验的物理模型，利用DIS改造并重现这些实验，不仅可以让学生理解物理模型，更让他们在实践操作中培养分析问题、应用知识解决问题的能力，从而提升学习的深度。下面介绍一个改造试题变为DIS实验的实例：为了研究人们用绳索跨越山谷过程中绳索拉力的变化规律，同学们设计了如图1所示的实验装置，他们将不可伸长轻绳通过测力计（不计质量及长度）固定在相距为D的两立柱上，固定点分别为P和Q，P低于Q，绳长为L（L>PQ），他们首先在绳上距离P点10cm处（标记为C）系上质量为m的重物（不滑动），由测力计读出绳PC、QC处的拉力大小TP和TQ。随后，改变重物悬挂点C的位置，每次将P到C点的距离增大10cm，并读出测力计的示数，最后得到TP和TQ与绳长PC的关系曲线如图2所示，由实验可知：

如图3绳子总长L（约130cm）一定，两固定点距离L0（约100cm）一定的前提条件下，测量钩码（50-100g）挂在距离A点x距离P点时，AP绳子受到的拉力F1，BP绳子受到的拉力F2，改变P点位置，测出不同x值下两绳拉力，通过F-x坐标，找到两拉力随x的变化规律，通过DIS系统采集实验数据，用Execl表格处理数据，画出F-x图象。由于有了数据量化任务的要求，学生在实验过程中不再只是流于表面，数据化提升了学生的学习层次和深度，并大大改善了实验环境。图4为学生根据实验数据作出的图象。

为了能够解释实验中得到的图象，学生必须自行尝试用平行四边形法则去解释此物理模型，这个过程中就达到了深度学习的要求——通过解决一些具有挑战性的学习任务，学生重新判断和建构学科基本知识，提升分析问题解决问题的能力。

2  从具体性知识学习到核心观念建构

在电学实验设计的教学中，教师或者参考书上经常告诉学生滑动变阻器分压接法的适用条件之一是滑动变阻器的阻值远小于待测电阻的阻值，因为此时如果用限流接法则调节范围不够明显。事实是否如此，学生带着此疑问用DIS系统做了如图5实验，待测电阻为Rx，滑动变阻器R1的最大阻值为R0，其滑片右侧电阻值为R，待测电阻RX=nR0，实验中得到如图6的实验图象。

从图象中学生可以看出当13  从知识解析到促进认识转变和发展

为了促进学生从“解题”向“解决问题”的转变，需要教师开发一系列能够转变学生学习物理习惯的校本实验，希望通过动手操作这些实验，并理论解释实验结果以及误差分析，促进学生认识的转变和发展。

以下列举几个适合高一学生动手操作的校本实验。

3.1  研究下蹲、站起过程超重和失重情况

用手抓住传感器，开启传感器先测出钩码重力，然后记录下蹲过程每隔一定时间的拉力大小，重复以上步骤，改为站起过程。然后用Excel处理数据，研究超重失重过程。

3.2  研究蹦极过程起始下落高度h与下落过程最大拉力F之间的关系

用力学传感器测量砝码下落过程最大拉力F，用刻度尺测量，砝码从橡皮绳原长上方开始下落高度h。用F-h研究最大拉力与开始下落高度之间的关系（如图7）。

3.3  研究橡皮筋弹力与伸长量之间的关系

用力学传感器测量橡皮筋弹力F，用刻度尺测量其伸长量x，用数据画出F-x图象，用图象寻找它们之间的规律（如图8）。

以上实验都是教师开发出来的真实情景下的物理问题，这些开发能发掘出物理实验在物理教学中的独特功能，促使学生转变以往浅层学习的学习方式，从理论走向实际，从知识学习转向实际问题的解决，从知识解析到促进学生认知的转变。

4  结束语

在综合了全世界200多名研究者的研究成果——《为21世纪培育教师提高学校领导力：来自世界的经验》报告中指出：21世纪学生必须掌握的技能，其中一项就是决策和学习能力，教师在培养学生学习能力时应尤其重視用持续性的高阶思维活动支持下的深度学习能力培养。在教育目标分类学的定义中，把“分析、综合、评价和创造”这四种思维行为归为高阶思维[ 4 ]。这就要求教师在设计教学环节时，应关注学习者的认知水平，根据不同阶段不同地域甚至是不同性别学生的认知发展的客观规律，设置的问题、物理情景应有阶梯过渡，让学生能够“跳一跳，够得到”，在大部分学生的思维遇到困难时，教师还应有适当的引导，从而促使学生保持有高投入的学习状态，达到高阶思维能力培养的目标。

参考文献：

[1]安富海. 促进深度学习的课堂教学策略研究[J]. 课程.教材.教法，2014 （11）：57-62.

[2]彭维珍. 2014年高考中的极限问题[J]. 物理通报， 2014（12）：98-100.

[3]陈柏良.建构深度学习的数学课堂[J]. 中学数学教学参考，2017 （11）：14-16.

[4]AndreasSchleich.为21世纪培育教师提高学校领导力：来自世界的经验[M]. 北京：北京大学出版社，2012：35.