深度学习视域下的物理实验仪器教学研究

石尧 孙晓兵 尹迪

摘      要 为促进物理实验仪器教学中深度学习的发生，在对现有物理实验仪器的教学方式展开剖析的基础上，提出了以仪器研发历史为主线的重演式教学。同时结合大量教学实践，汲取科学文化哲学之精髓，进一步构建出了物理实验仪器重演教学模型，其间将实验仪器的重演教学分为本源问题、原型启发、组件创生、实践操作和仪器仿制五个部分，从而使物理实验仪器深度学习的开展有据可依。

关 键 词 深度学习  实验仪器  教育重演  物理教学

引用格式 石尧，孙晓兵，尹迪.深度学习视域下的物理实验仪器教学研究[J].教学与管理，2023（28）：47-50.

随着现代学习理论研究的不断发展与深入，“深度学习”这一概念愈发受到教育研究者的关注，业已成为发展学生核心素养的重要途径。所谓“深度学习”，是指在教师引领下，学生围绕具有挑战性的学习主题，全身心积极参与、体验成功、获得发展的有意义的学习过程[1]。物理学是一门以实验为基础的自然科学，2022年新颁布的《义务教育物理课程标准》就将原来的“科学探究”改为“实验探究”[2]，足见物理实验对学生认识物理世界的重要意义，而实验探究的开展少不了实验仪器的协助。我国著名科学史专家吴国盛先生曾高屋建瓴地指出：科学的进步在某些时候完全是被科学仪器的发明所推动的[3]。可以说，学生对实验仪器学习效果的优劣直接影响着物理教学的成效。因此，对实验仪器的教学就成为了发展学生实验探究能力的先决条件与基本保证。在当前的物理实验仪器教学中，教师大都将精力与时间投入到实验仪器操作步骤的讲解上，而对仪器的原理及研发过程却持一种漠然的态度，由此便造成学生对仪器的学习只能停滞于简单记忆与重复训练的浅层学习中，严重阻碍了深度学习的发生，更遑论通过物理实验仪器的教学来发展学生的物理学科核心素养了。针对这一症结，我们对现有物理实验仪器的教学方式进行审视与考察，从而对实验仪器的深度学习展开探索。

一、实验仪器研发重演教学的意义与价值

明晰实验仪器的组件功能，掌握实验仪器的使用方法，形成实验仪器的操作技能，历来是物理实验仪器教学的重要目标。然而这些目标都是以结果为导向的，忽略了过程性目标的重要性，由此导致人们长期以来只是关注物理实验仪器的工具属性，致使实验仪器在物理实验教学中处于配角的地位。学生大都也只会按照教材中注明的操作步驟机械地“照方抓药”，对整个仪器的原理及研发过程不甚了解，更无法获悉实验仪器在创生过程中所涉及的科学方法、科学思维、科学态度、科学品质、科学精神等一系列人类的认知精粹。换言之，对仪器工具价值的过度强调，势必会削弱，甚至忽视仪器的教育价值，造成学生人格的失衡，最终导致作为教育对象的学生成为“单向度”的人。在此，物理实验仪器研发重演教学的提出则为人们揭示了物理实验仪器教育层面的功能，使人们能够以一种崭新的视域审视物理实验仪器的价值，即实验仪器不仅具有使用价值，更兼具教育价值，它是发展学生关键能力与必备品格的有效载体，是传承人类认知精粹的媒介。如果用美国著名心理学家麦克利兰提出的“冰山模型”[4]来形象地表征物理实验仪器的使用价值与教育价值之间的区别，那么实验仪器的使用价值相当于浮出水面的冰山一角，它是显性的，以具体可见的物质形态呈现在学生面前，而实验仪器的教育价值则相当于潜藏在水下的庞大山体，它是隐性的精神形体，包含着科学态度、科学思维等一系列人类的认知精粹。毋庸置疑，正是后者这种缄默知识支撑住了整个庞大的山体。

因此，作为一名物理教师，我们既是经师，更是人师，绝不能把自己的视距局限于露出水面的那一小部分，更要透过水面，看到并关注隐藏于水下的那一大部分，从而在观念上匡正物理实验仪器在物理教学中的地位，使其由实验教学的配角变为实验教学的主角；在实践中处理好物理实验仪器中各价值之间的关系，使物理实验仪器的多元价值得以充分发挥，共同促进学生物理学科核心素养的发展。

二、现有物理实验仪器教学方式的审视

1.以教师为中心的授受式教学割裂了仪器各个组件之间的联系

在这种教学方式中，教师首先从实验仪器的整体入手，解析与提炼出组成该实验仪器的各个关键组件，从而在此基础上，结合实验仪器的构造图，按照实验仪器的操作顺序，抑或各个组件在实验仪器中的位置顺序，为学生逐一阐述实验仪器中各组件的名称、功能及在具体操作中的注意事项，力图通过讲授的方式，帮助学生对实验仪器的构造形成宏观认识。这种将实验仪器拆解成一个个简单组件的教学方式，便于学生逐个学习与记忆，有效缓解了学生面对实验仪器的复杂整体而无从下手的窘境。其实，这种庖丁解牛式的教学方式，是以哲学中的“还原论”为理论基础的。所谓还原论，滥觞于笛卡尔的分析法，即对一个复杂系统进行逐层分解，直至分解为组成它的最小基元。然而，还原论因“不能把握由于系统诸要素相互作用而在宏观层面上所产生的新特性”[5]而广为人们所诟病，同样这种将实验仪器逐一拆解教学的方式看似细致入微，实则割裂了各仪器组件之间的联系，忽视了整体功能大于各部分功能之和的要义，继而导致在实验仪器的教学中，各组件之间明显缺乏相应的逻辑联系，呈现出一种并行罗列的态势。进一步而言，这种授受式的实验仪器教学囿于“教师中心论”的桎梏，忽视了学生的主观能动性，束缚了他们的思维创造力，使其只能被动接受教师索然无味的灌输，自然不会取得良好的教学效果。

2.以学生为中心的发现式教学降低了学生学习实验仪器的效率

这种教学方式的特点是，教师让学生在阅读教材相关内容的基础上，尝试进行实验仪器的操作，籍此初步建构出学生自己对实验仪器的理解，然后采用学案填空或是课堂提问等形式帮助学生落实实验仪器中各个组件的名称、功能及在具体操作中应注意的事项。不难看出，这种教学方式的理论基础是美国教育学家杜威所倡导的“做中学”，并且该教学方式还可在美国进步主义运动的教育实验中觅得雏形，即与帕克赫斯特的道尔顿制有一些相似之处。不可否认，这种强调学生自己发现知识的教学方式使学生可以在一定程度上自行掌握学习的进度，很好地照顾了每位学生的个性特点，并且通过对实验仪器的亲身操作大大加深了学生的具身体验，避免了教师只讲实验而学生不做实验的痼疾。但是有研究表明，“做中学”的方式并不能让学生理解到高深的、最顶端的知识内容[6]。相应地，这种“学生自主探索”的学习方式也如同美国进步教育中的诸多实验一样，因过分夸大学生的主观能动性而深陷“学生中心论”的泥淖，不仅有碍于学生对系统知识的获得，还空费学生的精力与时间，致使教学失之功利。关于深度学习的研究也揭示出，学生的学习不是一般意义上学习者的自学，其中必须有教师的引导和帮助。可以说，教师的引导是深度学习自然发生的先决条件[7]。

3.以仪器研发历史为主线的重演式教学有效促进了深度学习的发生

教育哲学家谢密斯曾言：所有教育问题最终都是哲学问题。于是我们从科学哲学入手，对物理实验仪器的授受式教学和发现式教学进行剖析。二者之所以难以取得理想的教学效果，主要还是因为它们深受科学知识哲学的影响，将自己的教学目标禁锢于“被人创造的知识”中，而非“创造知识的人”。其实，科学作为一种既包含历史性，亦包含人文性的文化活动，绝不能和知识画等号。由此我们需要一种全新的科学哲学来指导物理实验仪器的教学设计。20世纪60年代以来科学哲学出现的“文化转向”，以及随之产生的科学文化哲学，为我们研究物理实验仪器的教学提供了全新的理论视角。科学文化哲学强调以人为本，将科学视为人类的文化活动，从而突破了狭隘的知识论视野，凸显了科学的人文底蕴[8]。科学文化哲学主张将科学放到整个人类文化背景中考察，关注创造知识的人与人类创造科学知识的过程，籍此实现了从关注知识转向关注知识的创造过程，消弭了科学与人文的疏离对峙。有鉴于此，我们应以一种动态的知识观来取代原本的静态知识观，即知识不是摆在某个位置等待学生去获取，而是学生根据自己的需要去建构与创造属于他们自己的知识。正如深度学习理论所指出的，学生的学习不是被动地容纳外在知识的灌输，也不是从实践开始的盲目试误，而是通过主动的、有目的的活动，对人类已有认识成果及其过程的学习与体验[9]。

研究发现，物理学发展史这种对物理知识发展过程的史实性叙述可以很好地表达“人类已有认识成果的形成过程”。同时，母小勇等人通过实证研究亦揭示出，学生学习科学知识的过程与科学家探索科学世界的过程存在着高度的相似性，学习者在学习科学知识过程中所遇到的困难往往也是人类在科学研究过程中需要长时间累积、消化的突破点[10]。缘此，由科学文化哲学引导的物理实验仪器教学便应该是，教师通过对实验仪器研发过程的再现与复演，引导学生亲历物理实验仪器的创生过程，继而在历史的浸润与陶染中幫助学生进入深度学习的状态。概言之，这种教学方式强调实验仪器的整体性、系统性与结构性，力图将实验仪器研发的来龙去脉展现在学生眼前，使实验仪器在学生眼中不再是散碎零件的简单堆砌，而是由一系列彼此关联的组件所构成的复合体。

三、物理实验仪器的重演教学模型构建

结合大量教学实践，汲取科学文化哲学之精髓，我们以实验仪器研发的历史逻辑顺序为教学主线，以学生对实验仪器原理、结构、操作的掌握为教学目标，以学生深度学习的发生为教学主旨，构建出物理实验仪器的重演教学模型（如图1所示），希冀带领学生“模拟”整个实验仪器的研发过程。

1.逻辑起点：还原历史事实，回到问题原点

逻辑起点是一节课的教学起始环节，合理的逻辑起点将有效保障学生深度学习的真实发生。逻辑起点的确定应从学科自身逻辑和学生思维发展两个向度综合考量。一方面，通过追溯实验仪器的发展历史可以发现，一件物理实验仪器的发明往往是因为现有技术手段不能准确完成某一物理量的测量或某一物理现象的观察，这样便构成了实验仪器教学在学科向度上的逻辑起点；另一方面，作为物理学科核心素养重要发展目标的科学思维应为教师教学设计的出发点，而学生思维的发展源于问题的驱动和由此引发的认知冲突，因而合理的科学问题就构成了实验仪器教学在学生向度上的逻辑起点。接下来，我们找寻两个向度上逻辑起点的重合点，从而将实验仪器教学的逻辑起点定位为物理实验仪器发明动因这一本源性问题，即在实验仪器教学伊始，将学生的学习情境还原回实验仪器创生之初的原点，将当时人们所遭遇的问题复现给学生，并以问题驱动的形式引发学生的认知冲突。

2.中间过渡：提供启发原型，凸显仪器原理

任何发明创造都不是人脑主观臆想的结果，或多或少可以从生活中的事物上觅得启发的原型，如人们因锯齿状的草叶划破手指而发明了锯子，利用长颈鹿可控制血压的紧绷皮肤而研制了宇航服。原型启发对科学的发展，科技的进步都有着积极的推动作用，同时亦是促进学生创造性思维发展的有力手段。于是，在学生思考一段时间后，教师不要急于为学生展示成型的物理实验仪器，而应向学生展示实验仪器在发明之初所参考的原型事物，籍此作为学生学习物理实验仪器的生长点，促使他们从中获得解决问题的灵感。一般而言，被选作启发原型的事物须满足两个条件：一是该事物应与学生的日常生活密切相关，以便促使学生展开联想；二是该事物能凸显实验仪器的原理，便于学生的后续学习。由此便产生了两种重要的启发原型，一种是取自日常生活实际的事物原型，如托盘天平研发时的原型跷跷板；另一种是取自实验现象中的过程原型，如在温度计研发过程的教学中，教师现场用玻璃瓶与毛细管为学生演示液体热胀冷缩的特性。

3.组件创生：划分阶段目标，合理设置问题

该部分可谓实验仪器研发重演教学模型的主核，因为在这个部分中，教师将从实验仪器的启发原型出发，通过合理设问，引导学生逐一添加实验仪器的各个组件，从而建构并完善整个实验仪器。众所周知，有限的课堂时间不允许教师向学生展现实验仪器发展的全部历史过程。对此，我们可以从近代物理学的量子观中觅得破解之道。不同于经典物理学体系中物理量的任意连续性变化，在量子力学体系中，物理量只能采取某些分离数值的特征。受此启发，我们可将实验仪器的演进过程划分为一个个关键性步子，或称“阶段性目标”，然后逐一达成。需要指出的是，这些阶段性目标不宜过多，参照伊劳特“目标密度”[11]的相关概念和内容，并结合中学生的认知规律与思维特点，我们认为实验仪器重演教学的“阶段性目标（关键性步子）”应控制在4～5个为宜，即选取实验仪器发展至今所保留下的那些关键组件的创生过程，并将这些关键组件的创生过程转化为便于学生解决的科学性问题。

4.深化理解：体验操作过程，规范实验操作

在传统教学中，教师往往将仪器组件的功能与仪器使用的规则分开教学，这无形中破坏了课程的整体感，降低了教学的效果，因此教师须设法将二者整合在一条教学主线中。纵览物理实验仪器的发展历史，实验仪器的研发与改进往往建立在实验仪器使用的基础之上，亦即实验仪器是在使用过程中才得以不断发展和完善的。在这个意义上，实验仪器的操作步骤必定寓于实验仪器的研发过程之中，当学生经历了实验仪器研发过程的重演后，他们在大脑中自然会初步形成仪器操作序列的表象。对此，我们曾进行过相应的实践研究，选取温度计、托盘天平、弹簧测力计等实验仪器作为教学重演的内容，在带领学生亲历这些仪器的研发过程后，直接让学生操作仪器完成测量任务。结果显示，大多数学生都可以按照正确的操作顺序使用实验仪器，因此在很大程度上完成了实验仪器操作的学习目标，但是操作中一些需要注意的事项却未能得到学生很好的重视。于是，结合调查中发现的问题，在完成实验仪器的重演教学后，教师须先通过语言引导学生对操作步骤进行自组织梳理，并留出梳理的时间。然后让学生直接操作仪器完成实验任务，而不向学生讲解实验仪器的操作步骤及注意事项，由此充分暴露学生认知中的问题。其间，教师巡视并捕捉学生操作中的典型错误（如现场拍照），尔后采用投屏展示，抑或邀请具有典型操作错误的学生上台“演示”等形式，为学生纠正这些典型错误，从而在匡正、完善学生仪器操作的基础上，深化学生对实验仪器操作的理解。

5.逻辑终点：布置实践作业，促进手脑并用

具身认知理论作为心理学中的一个新兴研究领域，在科学教育中的作用日益凸显，该理论指出人们的生理体验与心理状态之间有着强烈的联系，生理体验能够“激活”心理感觉，反之亦然。因此，在带领学生重演物理实验仪器的研发过程后，最终还要为学生提供动手实践的机会，这里所指的实践不能仅局限于让学生通过实验仪器获取实验数据，而应为学生布置仿制实验仪器的实践类作业，如让学生利用身边的低成本材料制作一架小天平，一支温度计等。这是因为，学生对实验仪器的仿制过程绝不是简单的“镜像复制”，而是一个先在大脑中解构实验仪器，再在实践中动手组合、构建仪器的自组织过程。英国著名物理学家麦克斯韦就曾说过：学生用自制的仪器虽然经常出毛病，但他却会比用仔细调整好的仪器学到更多的东西[12]。并且，相较让学生按步骤机械地操作实验仪器，这种制作低成本实验仪器的实践类作业更能激发学生的学习兴趣，延长学生有效学习的时长。由此，仿制实验仪器就构成了研发重演教学的逻辑终点。需要强调的是，这里切忌为学生提供制作步骤的说明，而要充分调动学生的主观能动性，使其凭借大脑中的“实验仪器”表象与自己的想象力完成制作任务，并鼓励学生拓展创新。此外，学校还可以开展班级与年级之间的自制仪器互评，帮助学生在相互借鉴中改进与完善自己的作品，以物化的学习成果为物理实验仪器的学习画上完满句号。

参考文献

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[12] 邢红军.中学物理论文写作教程[M].郑州：河南科学技术出版社，1993：235.

【责任编辑  孙晓雯】