促进学生深度学习的物理建模数字化实验

深度学习是一种基于理解的学习，是学习者以高阶思维发展和实际问题解决为目标，以整合知识为内容，积极主动、批判性学习新的知识和思想，并将它们融入原有的认知结构中，且能将已有的知识迁移到新的情景中的一种学习^[1]。物理是以实验为基础的一门学科，实验中必然伴随物理模型的建构活动。物理模型建构历程本质上是科学思维的物化过程。在创新实验的模型建构中培养学生的知识迁移、批判性思维、自我反思的深层次学习，从本质上讲是高阶思维的具体表征。笔者以“阿基米德原理”的数字化实验为例，在设计和制作物理模型的创新实验中融入数字化传感器技术，让学生在深度学习中将创意进行物化。

一、传统浮力实验存在不足

通过探究浮力大小与哪些因素有关来学习阿基米德原理，是初中物理的重要实验。在顺利完成教材上的实验后，学生根据已有的学习经验，反思传统实验的不足之处。主要表现在：弹簧测力计是唯一的测量工具，只能手提使用，由于指针上下振动，读数很不方便;一组实验中读取的数据量过多;探究浮力大小与物体排开液体的体积关系实验中，一次最多只能收集5组数据（立方体物块可以分5等份）;关系图像只是点状分布;误差较大、科学性差;等等。如要弥补以上不足，需要另辟路径，改进实验。将数字化实验融入传统实验中，让学生在小组合作探究活动中建构物理模型，在理解物理知识的同时促进科学思维能力的提升，进而实现深度学习，应是可行之道。

二、基于小组合作建模开展深度学习

笔者在浮力实验演示、学生微课观摩和习题训练中，让对实验和规律理解较深刻的学生担任实验小组的组长，自选“搭档”（组员），采用基于实践体验的“模型构建+小组合作”模式教学。这样可激发学生的热情并增强合作意识。

（一）初见成功端倪，感受数字模型的温度

学生进入深度学习状态，能抓住事物的本质，全面把握知识的内在联系，并由本质推出若干变式。

模型1：测量物块浮力大小实验

教师：同学们对测量浮力大小的传统实验原理和实验过程都已熟知。现在，我们确定新主题，运用数字化传感器改进实验。

甲组：这简单啊！用力传感器先测量物块在空气中的物重，再将物块全部浸没在液体中得出力传感器的示数，利用“称重法”并依据公式 = -间接测量浮力大小。

教师：完全可以。还有其他方法吗？

学生陷入沉思之中……

此时，教师带领学生重温刚才的测量思路。

教师：使用力传感器分别测出其中物重和物体浸在液体中的示数，我们进行了两次测量。有一步到位、直接测浮力大小的简单方法吗？

乙组：（思索片刻，小声地回答）有。只要在悬挂重物后对力传感器再实施“调零”，使=0，将之代入公式 = -=0-等式，即有=-。（响起掌声……）

教师：说得很好。运用力传感器的“调零”功能，从传感器上可以直接得出浮力的相反数，将其示数的绝对值与被物体排开的液体的重力比较，可很快得出实验结论。到此为止，实验思路理清了。此处正是实验最亮丽的创新点。

组装实验装置（学生称“铁架台式”），部件包括装好EDISlab pro数字化系统软件的笔记本电脑、双向力FS400传感器、数据采集器，数据传输线、带支架的铁架台、手动升降台、溢水杯、圆柱体重物等。

甲组开始实验：紧固好铁架台的横杆，悬挂好力传感器并打开电脑中数字化系统软件，新建工作界面，点击“调零”，再次挂上物块。界面显示=2.14 N。向容器中倒入足量的水并置于物块的正下方，用手旋动转轴，抬起升降台，使圆柱体物块由部分浸入直至全部浸没。断开电动机开关同时点击“停止”按钮，读得=1.35 N，算出=0.79 N。

乙组：在铁架台上悬挂好力传感器，然后挂上物块，打开软件界面，点击“调零”，界面显示=0。重复甲组步骤，让物块全部浸没，得出传感器拉力=0.79 N，就是浮力大小。学生探究能力得到提升，探究效果初见端倪。

（二）实施等效思维，提高实验探究的热度

学生在操作传统实验的基础上利用传感器改进，成功地实现知识的深化和迁移。创新的脚步不停。

模型2：探究阿基米德原理=实验

情境展示：

教师：现以探究阿基米德原理=作为新模型的起点，请甲组发表建议，介绍设计思路。

甲组成员间展开热烈讨论后，小组长提出设计思路：用力学传感器替代弹簧测力计，直接测量和，利用数字化软件系统强大的数据收集和处理功能直接得出实验结论。教师对学生的想法给予肯定。

制作过程及操作方法如下。

（1）器材准备：在“铁架台式”装置基础上，增加双向力FS400传感器（两个）、手动升降台、溢水杯、圆柱体重物、塑料杯、棉线、烧杯、水和酒精等。

（2）制作过程：①如图1所示，将支架分别用螺丝固定在铁架台上，将双向力FS400传感器用细线分别悬挂在支架上，分别用数据线连接高频数据采集器，再用数据线一端连接采集器，另一端插入电脑USB接口。②在力传感器1挂钩下用细线悬挂圆柱体物块，正下方是装满清水的溢水杯;力传感器2下悬挂用塑料杯自制的小桶。③为便捷地将物块浸入水中，特意在溢水杯下放置一架手动升降台，目的是减小物块对传感器的冲击力，便于读取数据。

（3）操作方法：①打开装有EDISlab pro数字化系统软件的笔记本电脑，点开桌面右上角图标弹出菜单，点击“新建”按钮，进入工作界面;点击“自动识别”按钮;点击“采集参数”按钮，设定采集时间为2分钟。将物块和小桶分别悬挂在传感器挂钩上，分别右击工作界面左下角的“”和“”示数方格，弹出对话框，点击“调零”，使两个传感器示数都归零。

②点击“开始”，用手转动升降台旋钮，匀速抬高装满水的溢水杯，使圆柱体物块由部分浸入直至全部浸没后继续下潜，约1.5分钟后点击“停止”按钮。双击“”数据栏，弹出“数据列属性”后点击“显示”、“前景颜色”，选中“红色”，确定力传感器2生成的数据和图像（红色）。

③电脑工作界面收集数据并形成图像，鼠标右击图像弹出对话框，依次点击“输出”、“保存图片”，命名文件名“模型2”并保存，点击“导出到实验报告”，导出带有实验图像的实验报告单。

小组成员重复以上实验，发现=0.79 N（蓝色数据）和=0.70 N（红色数据）有较大的误差，偏大与偏小的概率都有。为什么？组员们陷入了深思之中，这时候组长想起来了，“升降台的台面在整个上升过程中会晃动，无法保证台面最终为水平面，是导致误差产生的主要原因”。“我有解决问题的办法：让溢水杯保持不动，在转轴上绕有细线的电动机下悬挂物块，启动电动机，将物块慢慢下放至溢水杯中就可以有效地减小误差”。“想法很好，运用了转换法思维”，教师及时肯定。在教师的帮助下，乙组成员投入紧张的探究中，用稳压电源供电，在支架上端固定电动机，使绕有细线的减速电动机匀速下放物块。

添加的器材有稳压电源（0～9 V）、微型减速电动机（直流6 V）。如图2所示，学生组装实验装置，闭合电动机开关，使圆柱体物块匀速下降，物块由部分浸入直至全部浸没后继续下潜，最后关闭电动机电源。整个过程由数字化系统进行数据记录。果然，学生如愿以偿，得出==0.79 N，每次实验的误差都很小。

学生通过两轮小组合作，收获了成功的喜悦，教师要呵护组内探究的热情，鼓励学生将实验探究进行下去。

（三）优化实验模型，加大探究活动的力度

赞可夫说过，教学法一旦触及学生的情绪和意志领域、触及学生的精神需要，这种教学法就能发挥高度有效的作用。

模型3：探究浮力大小与物体排开液体体积的关系

教师：为了顺利探究浮力大小与物体排开液体体积（）之间的关系，首要问题是在实验中如何反映出的变化量，同学们有何建议？学生：由于实验中选择的物块是规则的圆柱体，其横截面积是不变的，假设随着减速电动机以匀速放下，其竖直浸入液体的深度为=，那么就有==，由于、保持不变，可以得出与物块浸入液体的时间成正比的结论，函数-的关系就可以转化为-关系，仍然可以用以上装置进行实验探究。教师：你的思路很好，运用了转换法思维，这次你们两组共同完成这一任务。

小组在实验过程发现铁架台装置比较松散，搬运不方便，师生合作制作图3所示的（学生称“木架台式”）模型，使用起来方便多了。将圆柱体物块系在减速电动机绕线的传感器1挂钩下，将烧杯中的水倒满溢水杯，打开数字化系统软件，新建工作界面，传感器2下挂上小桶，将两传感器分别“调零”，接通电动机电源的同时开始记录数据，关闭电动机电源的同时停止记录数据，保存数据图像。小组交流讨论，从-函数图像发现：液体密度不变，浮力大小与物体排开液体的体积成正比。

（四）挖掘学习潜能，刷新实验探究的高度

布卢姆将认知过程分为六个层次，其中深度学习的水平达到“应用、分析、评价、创造”这四个较高级的认知层次，注重知识的深度应用和问题解决，是一种高级认知技能的获得。

模型4：探究浮力与液体密度之间的关系

教师：同学们在探究教材中与关系实验中，都是将同一物块浸没在不同液体中控制不变，探究与的关系。数字化实验的最大特点就是采集和处理大量数据并形成图像得出规律。大家对此实验有什么好的创意？

学生：由阿基米德原理可得与是相等的，根据等效法，有两条路径读取：运用力传感器1探究与之间关系;也可以运用传感器2（测量）探究与之间关系。

教师：同学们的思路很敏捷，下面继续分组建构子模型。

子模型1：只用力传感器1（测）探究与关系

甲组学生先把装置中力传感器2卸下来，打开电脑中数字化系统软件，新建工作界面（显示力传感器1），在挂钩下挂上圆柱体物块， 点击“调零”后，在大容器中加入足量的水后置于物块的正下方，接通电动机的同时点击“开始”按钮，使圆柱体物块由部分浸入直至全部浸没后继续下潜一些。断开电动机开关的同时点击“停止”按钮，读出=-0.76 N，则=0.76 N。将大容器中的水换成酒精重复以上实验，再次读出= -0.67 N，得出=0.67 N，发现物块在酒精中的浮力变小了。

子模型2：只用力传感器2（测）探究与关系

乙组学生将物块直接挂在电动机的细线下（去掉传感器1），打开电脑中数字化系统软件，新建工作界面，将小桶悬挂在传感器2挂钩下，点击“调零”，界面显示=0。在溢水杯中加满水并置于物块的正下方，接通电动机的同时点击“开始”按钮，使圆柱体物块由部分浸入直至全部浸没后仍下潜一些;断开电动机开关，同时点击“停止”按钮，直接读出=0.79 N。将溢水杯中的水换成酒精重复以上实验，再次读出=0.67 N，收集并将图像组合。在误差允许的范围内，根据阿基米德原理=可直接读出浮力大小，学生用等效法同样完成了实验。

经过多次实验操作，各组学生达成共识，发现vhqTG8tjjV+Ju1GBVuli8A==两种方法殊途同归，得出实验结论：物体受到液体的浮力与液体的密度有关，密度越大，浮力也越大。学生组内交流，发现通过两组图像的走势近似平行的特点，顺利得出相同时，与成正比的结论。

三、总结

通过对知识的批判性理解、注重新旧知识的整合或联结、在真实问题中解决问题，学生更加关注对学习和自我认知的反思。这些都是深度学习的重要特征。此案例中的数字化创新实践教学实现了实验数据的精准性收集和处理，依据新课标要求，运用控制变量法，在模型和子模型的建构过程中探究阿基米德原理。这样教学既激发学生的学习兴趣和探索问题的热情，又在探究中培养学生发现并解决问题的能力。笔者利用信息技术创新实验促进了学生高阶思维下的深度学习，在项目活动中、在多路径中、在师生交流中、在生生合作中灵活运用转换法和等效法思维，培养学生的分析问题和解决问题的能力。

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.

（作者刘信生系安徽省庐江县龙桥镇初级中学高级教师;汤金波系南京师范大学附属中学树人学校正高级教师，特级教师）

责任编辑：祝元志