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指向深度学习的“高见度”实验教学策略

范文

黄建林

摘要：分析物理实验教学存在的问题，以小孔成像实验为例，提出了指向深度学习的“高见度”实验教学的七种策略：“真实情境”引发深度思考、“模型建构”导向深度研究、“认知冲突”进行深度投入、“设计评价”进行深度学习、“创新实验”促使深度进阶、“多重对比”达成深度理解、“疑难问题”延向深度探究，以此来促进深度学习，提高实验教学效率。

关键词：深度学习? 高见度? 实验教学? 小孔成像

深度学习（Deep Learning），又叫深层学习。它是指在理解的基础上，批判性地学习新知识和思想，并将新知识和思想融入已有的认知结构中，建立联系并能迁移到新情境中，作为决策和解决问题的一种学习方式[1]。它注重对知识学习的批判性理解，强调新旧知识间的有机整合，面向的是真实问题的解决，关注学习和自我认知的反思[2]。因此，它是一种以高阶思维为主导的学习过程，以核心素养为指向的学习方式。但在现阶段的物理实验教学中常碰到教师教得浅层、学生学得无奈、理得不深等问题。笔者经过实践研究，提出了以小孔成像为例的七种实验教学策略，以此来促进深度学习。

一、“真实情境”引发深度思考

深度学习面向的是真实情境下的问题解决。在实验教学的导课中，努力做到知识问题化，问题情境化，情境生活化。

教师设置一个生活化情境：呈现一张树下的光斑，让学生针对现象提问题。他们提出了以下几个问题：树下的光斑是什么形状？它的形状跟什么因素有关？光斑是怎么来的？

设计意图：通过生活化情境引发深度思考，为后续深度学习打下基础，通过现象提问题，培养学生针对现象提问题的能力。

二、“模型建构”导向深度研究

《普通高中物理课程标准（2017版）》中指出：模型建构是科学思维素养之一，它是物理学习的一种重要思维方式。在针对复杂问题或生活情境的教学过程中，教师要积极引导学生把生活化问题转化为物理问题，通过建构模型解决实际问题。

要研究光斑，主要因素有什么？学生答：太阳光、树孔、地面。如果用桌上的器材，可以怎么模拟实验？答：太阳光、纸孔和白纸（光屏）。如果在室内，可以用什么代替太阳光？答：蜡烛。这样研究光斑的模型建构完成，变成了蜡烛、纸孔和光屏了。

设计意图：通过光斑现象提出的问题，转化成物理问题，然后引导学生用建构模型来解决物理问题，使问题简约化、形象化。

三、“认知冲突”进行深度投入

深度学习的一大特征是“高投入”。如何让学生“高投入”建构知识，最好的办法是基于生活经验，提出猜想，暴露前概念，然后引发认知冲突。

点燃蜡烛，让学生观察光屏上有一个明亮的光斑。问：把大孔改成小孔，将看到什么现象？理由是什么？回答有以下几种：一个暗点的光斑、一个暗点的蜡烛像（正立的）、半部分蜡烛像等。理由分别是：进光量变少，要暗点。大孔看到大光斑，小孔看到小光斑。因为通过门缝、手指缝等小孔看景物时，看到正立的景物。通过小孔的光只有部分，看到的像也是部分。但当教师把大孔改成小孔时，看到的却是倒立的完整的蜡烛像。

设计意图：通过蜡烛、孔和屏位置的摆放，为后续实验设计埋下伏笔。通过设问成像特点，暴露学生前概念。通过大小孔成像对比，引发学生的认知冲突，为后续实验装置的设计和深度学习的进阶打下基础。

四、“设计评价”进行深度学习

深度学习的一大特征是聚焦高阶思维。高阶思维包括：设计、评价和创造。设计是探究实验的重要组成部分，设计装置（方案）的好坏、成功与否对探究实验的结论起着决定作用。评价是设计的一个有力补充，它对设计起指导作用。

教师要求学生按桌上的器材（易拉罐、两个能套在一起的纸筒、橡皮薄膜、蜡烛等）进行小孔成像装置的设计，通过自己设计、讨论、评价，最后他们设计出了以下两种小孔成像装置，如图所示：通过评价，他们发现，图1这种小孔成像装置方便、简单;图2这种装置在图1的基础上还增加了光屏可以伸缩。

设计意图：通过设计评价，培养语言表达能力、批判性思维能力和创新思维能力;同时，培养团结、协作、理性的科学思维和科学品质，也为后续实验的创新打基础。

五、“创新实验”促使深度进阶

实验创新是在实验的设计、评价及操作基础之上的，是更聚焦于高阶思维和批判性思维。创新的起点是问题，它是建立在对现有实验不满的基础上，提出自己的疑惑或相应的问题。因此，在创新实验前，一定要学生通过制作、操作等手段，充分理解现有实验的缺陷，针对实验的缺陷，提出改进意见，从可见度、操作性、安全性、循環性、定量化等方面着手。通过实验的创新，促使深度进阶。

确定好设计后，合作制作小孔成像仪，然后按书本对应的实验进行探究。通过实验发现小孔成像成的是倒立的实像，也能初步探究像与物、像距的定性关系。但是也碰到了很多的问题：如蜡烛火焰太暗，像不清晰;小孔形状无法改变;找不到等大的像;无法探究像随孔动态改变的情况;物距、像距与像的定量关系;不明白什么叫小孔等。他们讨论提出实验的缺陷后，也提出了一些改进意见，如用显微镜的光圈来做小孔;孔形状最好不同;把蜡烛光源改成LED灯。通过一系列的改进和评价、讨论后，最后教师和学生共同制作了如图3、图4所示的小孔成像仪。实验装置总共分为三层：最前面一层为光屏层，中间有一个红色方框;中间层是小孔层，由一个显微镜光圈组成，可动态演示小孔大小;最后一层是光源层（如图5），由几颗LED灯构成，边上也有一个红色的方框，与光屏层上的红色方框大小、中心都一样，目的是为了找到等大的像。在物距和像距上方都有一把刻度尺，可以直接读出物距、像距的大小。

设计意图：动手制作提高学生的动手能力，通过实验找到缺陷，为实验的创新设计和制作铺垫。创新实验是为了更好探究小孔成像的特点，如像随孔形状、大小改变情况等，激发他们深度学习，促使深度进阶。

六、“多重对比”达成深度理解

深度学习的一大特征是“高产出”，而“高产出”就是要促使学生深度理解，包括对知识、概念、规律的深度理解，达到“要点弄通、多点联通和触类旁通”[3]。对比实验是物理教学中常用的一种方法，它是将对比和实验两者有机融合在一起，突出“辨异求同”和“同中求异”两种特性，以把握物理学本质属性，运用对比法教学，可以使抽象问题形象化、复杂问题简单化、隐性问题显性化、实验现象明了化、实验问题情景化、实验效果放大化、知识理解深刻化等，在课堂教学上，运用多重对比，促使学生对知识深度理解[4]。

1.物距、像距定量改变对像大小影响对比

控制物距，改变像距;控制像距，改变物距。通过物距、像距刻度尺读数，对比得出：物距大于像距，成倒立缩小的实像;物距小于像距，成倒立放大的实像。特别是当光屏上的像刚好填充在红方框时，物距等于像距。把光源往上提或往下沉时，像移动方向相反，更清楚小孔成像是倒立像。顺时针旋转光源，像顺时针旋转;反之，都逆时针旋转。得出：像物旋转方向一致。教师适时地让学生在纸上画光路图，找出成像规律的原理。

设计意图：通过物距、像距定量改变对像大小对比，得出小孔成像规律。通过两个红方框的对比，得出成等大像时物距等于像距。画光路图为了让学生透过现象理解本质，理解小孔成像的规律及原理。

2.孔大小对像的影响对比

改变小孔大小，学生观察得出：孔变大，像变亮且变模糊;孔变小，像变暗且变清晰。并让学生尝试解释原因。特别是当孔足够大且像距足够近时，在光屏上成的是孔形状——很亮的光斑，但当孔足够大而像距足够远时，像又有所不同。回到引课实验，让学生思考大孔、小孔对实验的影响，同时，让学生联系生活情境，解释为什么树下光斑多数是圆形且较暗。

设计意图：通过原因的解释，使学生理解孔大和孔小对进光的多少和重叠现象的影响，从而明确像模糊但会亮一点，变清晰时却会暗一点的原因。通过树下光斑的提出联系生活，使学习更有乐趣。

3.孔图案变化对像影响对比

为了使学科与艺术有效融合，老师把孔图案变成艺术味的圖案，如心形，双心形等，让学生看成像效果并分析原因（如图6所示）。

设计意图：加深学生对小孔成像的理解和印象，同时也让学生明白科学之美，艺术之美，两者是可以有效融合的。

七、“疑难问题”指向深度探究

学习不仅仅是课堂中短暂的40分钟，而是一项持久的马拉松。教师应针对学习内容，适时提供可持续探究的生活化原始问题，用这些问题引发学生自主思考，自主查阅相关资料并自行设计相关方案，解决问题，用疑难问题来巩固课堂知识，同时用疑难问题来指向深度探究。

课堂接近尾声时，教师让学生回答上课开始时自己提出的问题，同时再提一些有关小孔问题或自己想研究的问题，如有学生提出：小孔成像为什么一定要光屏，没有光屏是否成像，如果不能，理由是什么？针对旁边有些近视的学生在上课时把眼睛眯成缝，黑板上的字为什么更清晰等问题，然后让学生课后去探究，并写研究报告。

设计意图：拓展一些基于生活的问题，使学习更持续化、更深度化，激发学生学习的内驱力，也使他们的学习做到学以致用、以用促学的目的。

八、“强化反思”提高学习质量

1.情境创设引入课堂教学

杜威曾提出：情境教学是思维训练很重要的条件。因此，要促使学生深度学习，最好的办法是提供一定真实的、内容美、有思维含量且有情感体验的学习情境，将深度学习的信息嵌入情境中，形成具有一定的体验性、挑战性、迁移性的任务活动。当然，情境教学不能太复杂，碰到太难的问题，教师要适时提供脚手架，促使他们好学、乐学、爱学，使得深度学习真正地发生。

2.过程评价融入深度学习

评价是教学的指南针和催化剂。缺少评价的课堂将会是无源之水，无本之木，特别是深度学习的课堂应该是基于评价的课堂。一方面教师在备课过程中就应该清楚以评促教，以教促评;另一方面，深度学习过程中，要促使学生自主评价。通过评价，使得学习过程中的新旧知识不断地发生冲突并不断地同化与顺应，创造出新的认知和自我结构并在不断的评价过程中推进深度学习。

3.实验创新指向教学实践

基于深度学习的实验教学，最主要的设计、创新等手段是必不可少的。教师在实验教学过程中，可以把创新实验作为一个载体，通过不断地评价、讨论、修正完善实验装置，利用一定的科学方法，进行深度探究，使得学生对知识、概念、规律等达到深度理解。

参考文献

[1] 孙银黎.对深度学习的认识[J].绍兴文理学院学报，2007（04）.

[2] 吴举宏.促进深度学习的中学生物学教学策略[J].生物学教学，2017（10）.

[3] 郑东辉.促进深度学习的课堂评价[J].课程·教材·教法，2019（02）.

[4] 田城良，盛正民.对比法对物理教学的促进作用[J].物理教学，2014（04）.

【责任编辑? 孙晓雯】

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