指向深度学习的初中科学教学策略

许宇伟|浙江省杭州市天元公学·杭州师范大学附属未来科技城学校

深度学习就是围绕学科核心概念，创设情境进行探究活动，以建立相关概念原理与现实生活世界的关联。教师要呈现问题情境，提出挑战性问题与任务，让学生在最近发展区上不断探究，进行知识建构、问题解决和反思改进，像科学家一样思考、探索，实现概念的建构和知识的迁移[1]。

一、基于情境探索的深度学习

深度学习强调联想与结构、活动与体验、本质与变式、迁移与应用，而这些都需要依托真实的情境来开展学与教的活动。科学知识必须融入情境之中，学生才容易理解、吸收并愿意学习，课堂才能显示出应有的活力。为了实现深层次的概念理解，教师要创设特定的情境并提出具有一定挑战性的任务，且情境任务要贴近学生的最近发展区，并在明确任务目标与解决问题的方法的基础上，引导学生从已有的知识和生活经验出发去思考、讨论。教师还要注重知识的逻辑性，使知识序、认知序和教学序和谐统一。

能量转化与守恒定律是最普遍、最重要的基本定律。这个定律不是通过实验直接得出的，而是在大量实验事实的基础上用推理的方法概括出来的。达·芬奇曾设计了一个“永动机”，但这个实验装置实验室里没有，那么如何激发学生的学习兴趣呢？笔者指导学生开展了“喝水鸟”实验，先介绍“喝水鸟”的结构与组成，头部、玻璃管和躯体连通且整体密封，由一个支点支持，里面装有乙醚。然后学生动手实验，让“喝水鸟”真实地动起来，并借助手机中的“慢动作”功能，逐步分析实验过程中的变化。在“喝水鸟”前面放一杯水，往“喝水鸟”头部滴一次水，就发现“喝水鸟”会做一系列的运动：低头喝水→抬头→又低头喝水→又抬头。

师：谁能分享一下“喝水鸟喝水”的原理？

生1：乙醚液化放热，产生热能，驱动小鸟喝水，转化为动能。

师：那不放水，小鸟也会喝水吗？

重做实验，此时学生的积极性大大提高，思维活跃。

生2：乙醚液化放热，热能可以转化为动能，且液体使鸟重心下移，又抬起头来……

生3：不对。应该是水蒸发吸热，鸟头部降温变冷，头部气压变小，而躯体内的气压不变，使玻璃管内的液柱上升，头部变重躯体变轻，杠杆平衡被破坏，头部下沉到杯中喝水。

师：那怎么有抬头呢？

生4：头部逐渐变重后，身体逐渐前倾，倾角逐渐变大，躯体中的乙醚变少，当玻璃管下端管口露出时，底部的气体迅速上升，液体由于重力作用向下流，头部变轻，躯体变重，所以抬头。

师：很好！这个“喝水鸟喝水”是“永动机”吗？不需要消耗能量吗？

生5：当然需要能量。水蒸发吸收了周围空气的热，乙醚汽化需要吸收热量，液化放出热量到空气中去。喝水鸟转动时要消耗一定的能量。

生6：能量只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，永动机只能成为神话！

师：该产品指出，其在室温低于16℃的室内基本不动。请说说理由。

生7：从能量转化的角度以及装置特点来看，在温度较高的环境里，头部水蒸发比较快，降温迅速，乙醚液化就快，汽化也容易发生。这样效果就会比较好。

美国21 世纪技能委员会指出，深度学习从某种意义上来说就是迁移学习。学生能将七年级时学到的“汽化与液化”知识，在九年级时用到新的情境中去，这就是一种有意义的学习。在“喝水鸟喝水”这个情境任务中，要分析乙醚的汽化与液化过程与外界发生能量转化的过程，学生就需要掌握汽化与液化的实质，并拥有一定的逻辑推理能力。学生在与他人的交流讨论中，学会倾听与尊重他人，并不断地学习他人的不同观点，培养了沟通和交流技能，提升了个人素养。

二、基于可视化的深度学习

在教学过程中，常常要处理与解决一些复杂的、隐性的、微小的问题，这时，教师就要引导学生把它们转换为简单的、显性的、放大的现象，以便观察、比较、分析、理解事物的本质。也有一些实验，受条件的限制，实验效果往往不如人意，甚至以失败告终，这就可以采用数字技术，将实验数据准确地转化为函数图像，直观地呈现给学生。这有利于学生分析证据，找到其内在的规律[2]。

一些实验现象不明显，我们的感官难以辨识，如物体振动形成的声波，我们无法直接观察到，但可借助DIS 传感器将声波显示出来，然后对声波的响度、频率等内容进行分析，使学生对声波的波形产生直观的认识。

此外，利用频闪照片技术，可以把物体的运动过程拍摄下来进行分析。频闪照片会在相等的间隔时间拍下一张照片，体现过程性。如研究“斜向上抛出的小球到达顶部时有无速度”，如果没有这样的频闪照片，学生就需要具备良好的想象力，才能理解其过程。而借用频闪技术，显示其运动过程中的速度变化，学生很容易就发现，小球在开始抛出的时候速度大，到达顶端附近速度变得很小，但是还有一定的速度，并领悟出其原因。

笛卡尔说，没有什么东西比图形更容易映入大脑了。美国学者斯蒂斯也说过：“如果一个问题能被转化为一个图形，那么，思想就整体地把握了问题。”因此，在科学教学中，我们常常把问题转化为图形来分析。图文结合更能引导学生理解科学的本质，促进深度学习。

三、基于模型建构的深度学习

学习知识当然重要，但是科学的思维方法比知识更加重要。学生思维的发展需要思维工具的支撑，科学模型代表着一种科学思维方法与哲学思考，能将复杂的事物或过程简单化，是促进学生科学思维发展的有效工具。任何一个模型，都追求对原型的本质描述，以及对原型的深入认识与概括。模型是对原型的实质性和关键性环节的描述，它摒弃次要因素及非关键环节和过程，探求事物内在的规律，尤其在多要素、多层次的复杂地理系统分析中，利用模型和建构模型对促进深度学习具有重要意义。

为了引导学生发现一类问题的本质内涵，教师需要充分展示该类问题的具体模型。在形象可视的模型建构过程中聚焦核心问题，可促进学生用模型建构的方法进行思考。教师不仅要让学生去建构模型、完善模型的内涵，更要让学生领会现象背后的本质，建立更加符合客观事实的科学模型。

例1：两个容积相同、形状不同的容器（图略），一个正放，一个倒放，分别加入相同质量的水，请比较两者产生的压力F1、F2的大小。

这个问题学生很容易出错，大多数认为F1＜F2，也有学生认为F1=F2，因为两者所加的水的质量相等，所以压力相等。解决此类问题，就可通过分析问题建立模型的方式。

液体压强大小与深度、密度有关，与容器的大小、形状无关，但是，相同质量的液体，在不同形状的容器中，产生的压力大小往往不同。我们可以先将容器归类：（1）直筒状的容器；（2）上小下大的梯形容器；（3）上大下小的梯形容器。然后采取建模的方法分析各类容器中液体受到侧壁的压力方向，求得压力大小；或者根据力产生的原因直接求得压力大小。

当然，也可假设三类容器的底面积大小相同，液体深度也相同，所以三种情况下液体对容器的压力是相等的。直筒状的容器中，液体对容器底部的压力等于液体的重力；上小下大的梯形容器中，可以理解成液体重力加上容器外的两侧的液体重力，才能与直筒状的容器相同，因此，液体对容器底部的压力大于液体自身的重力；上大下小的梯形容器中，则可以理解成有一部分的液体作用在容器的侧壁上，压力被侧壁分担了，相当于切去两侧部分的液体，因此，液体对容器底部的压力小于液体自身的重力。

通过上述建模分析，不难发现例1中的压力大小问题就容易解决了。因此，像这种同类但有差异的问题，教师需要分别建立解题的模型，引导学生深入分析其过程，掌握这一类问题中存在的规律，从而将解决问题的方法形成一定的模型，使抽象的问题变得具体、动态，以深化学生的科学思维。

四、基于实验探究的深度学习

深度学习，需要学生围绕核心概念，从多个角度对其进行探索与思考，并能在真实的情境中应用，能作出解释、建立模型、迁移应用、解决问题、建立知识网络。教师应重视对学生科学思维的培养，教学不能停留在事物的表面，而是应该追寻学科的本质，厘清其中的规律与内核，帮助学生学习如何建立科学模型。同时，教师要注意引导学生在事实、证据、结论与应用之间进行辨析，引导学生在知识和迁移之间进行思考[3]。

如在杠杆学习中，学生只有对杠杆有一个全面的把握，才能真正建立起杠杆模型。教师在引导学生建构杠杆模型的过程中，应该从杠杆这个大概念入手，通过实际问题情境，对杠杆进行要素分析，帮助学生建立杠杆五要素的概念。其中，力臂是杠杆教学中的一个重要的“小概念”，也是杠杆教学中的一个难点。一些教师往往直接出示定义进行力臂的概念教学，然后通过作图进行示范，再布置给学生一些作图练习等。但是如此教学，学生就不明白为什么要引入力臂概念，也不明白为什么这样定义力臂概念。因此，笔者改变探究方式，以如下实验探究活动引导学生深入探究力臂概念。

例2：杠杆处于水平位置的平衡状态（图略），改变拉力的方向，使弹簧测力计分别沿着F1、F2、F3拉，记录并比较弹簧测力计的示数。

这个实验是让学生初步感知，作用在同一个作用点上但力的方向不同，力的大小是不一样的。这会引起学生认知上的冲突：作用在杠杆上同一个点的力是不相同的？

接着，笔者引导学生制作杠杆力臂演示仪，轻质杠杆可以绕O点转动（摩擦力可以忽略），其中OA长20cm，OB长10cm，并发给每个小组一套该装置，钩码若干。

第一次实验保持水平位置平衡（如图1-甲，铁架台等固定装置未画出），分别记下钩码G1与G2的值。第二次实验，松开螺母保持阻力臂OA不动，使OB向下折一定角度后再拧紧螺母固定杠杆的形状（如图1-乙），形成一根偏折的杠杆AOB′，保持钩码G1位置不变，分别在①②③④处挂上钩码（或弹簧测力计），记录三次的数据并进行比较，容易发现挂在③处的钩码大小就等于G1，而且可发现③竖直正对B处。改变G1与G2的大小或改变OA与OB的长度，仍然重复上述步骤进行实验，可以初步发现一个规律：在①②③④处施加竖直向下的力的大小，与支点O到该力的作用线的垂直距离有关。

图1 杠杆力臂演示仪

但是，学生还是很难建构力臂模型。为了进一步探索力臂概念，建构力臂模型，笔者引导学生继续设计实验进行探究。制作一个硬纸板圆盘，圆盘上画有一组等距的同心圆，圆心（支点）用铁钉固定。在圆盘的左边P点挂一个重为1N（其他大小也可）的钩码，即阻力的大小为1N，再分别在A、B、C、D等处用拉力传感器拉，要求动力的大小保持不变，但可改变力的方向，使圆盘上的OP仍然保持水平的静止状态，用铅笔分别记下力的方向，并进行实验数据分析。经作图（如图2）与数据分析发现，当阻力、阻力臂大小一定，且动力的大小也一定时，无论怎样改变力的方向，支点O到各个力的作用线的距离都相等。然后笔者让学生继续探究“动力的大小与方向都改变时的情况”。学生在多次实验探究后，始终能得到相同的结论，也就顺利理解了力臂概念。

图2 力臂模型探究

这样的深层次概念理解，主要是经过不同层次的实验探究习得的。这一实验探究过程，既解决了问题，又促进了学生高阶思维的形成。其中，教师主导起到了明显的作用，即设置一个个问题与实验支架，引导学生从未知到知，从知之不多到知之甚多，逐渐理解“力臂”概念，促进了有意义的深度学习。

综上，深度学习的推进，需要从学生的立场出发，从学生的认知特点出发。教师要仔细分析教学内容，设计相应的教学活动，贴近学生的最近发展区，使学生能顺利开展有意义的学习，并顺畅地沟通与交流。同时，教师要关注学生的学习状态，及时调整教学方法与材料呈现的方式，以更好地促进深度学习。正是在这个意义上，深度学习不仅要体现学生的主体地位，更要充分发挥教师的主导作用。