基于深度学习的“思维型”科学探究建构

    周剑 叶成林

    摘? ?要：为引导学生在初中物理科学探究主题活动中能全身心积极参与，发展其建模、推理、论证、质疑创新等科学思维，体验成功并获得发展，文章建构深入浅出的思维型科学探究，促进学生深度学习，探寻发展学科核心素养的创新路径。

    关键词：深度学习;科学探究;思维型;学科核心素养

    中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2021）5-0008-4

    1? ? 深度学习概述

    深度学习（Deep Learning）的概念最初来源于人工神经网络的研究。北师大郭华教授认为，深度学习的内涵是指在教师的引导下，学生围绕具有挑战性的学习主题，全身心积极参与探索，体验成功并获得发展的有意义学习过程（图1）。外延到物理学科学习的过程中，学生掌握物理学科的核心知识，理解学习的过程，把握物理学科的本质及思想方法，形成积极的内在学习动机、高级的社会性情感、积极的态度、正确的价值观，成为既具独立性、批判性、创造性又有合作精神、基础扎实的优秀学习者，成为未来社会历史实践的主人[1]。

    研究表明，深度学习既是发展学生学科核心素养的有效途径，也是对当下初中物理课堂探究教学变革需求的主动回应。通过建构思维型科学探究，促进学生深度学习，是落实发展学生学科核心素养的创新路径尝试，对初中物理课堂探究教学变革有一定的实践价值和指导意义。

    2? ? 为何建构思维型科学探究

    2.1? ? 课标降位

    《义务教育物理课程标准（2011年版）》中科学探究包含提出问题、猜想与假设、设计实验与制订计划、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流七个要素，《普通高中物理课程标准（2017年版）》将科学探究修改为问题、证据、解释、交流四个要素。科学探究从原先被三维目标统领，改为和物理观念、科学思维、科学态度与责任并列，新课程标准的变化，说明科学探究与知识与技能的内化、科学思维的养成、情感、态度与价值观的培养一样不可或缺。

    2.2? ? 师生迎合

    近十年来，在初中物理教学中，师生对科学探究的迎合源于《义务教育物理课程标准（2011年版）》的指向。“虽不能理解，但可以认同”，导致师生对探究活动重视有余而深入不足，开展的探究活动多数流于形式，呈现出为了探究而探究的“伪探究”。在这种貌似“精彩绝伦”的探究过程中，学生“真动手”却“假动脑”，实际上处于“虚假繁荣”的浅层学习层面，得到的结论常常不会迁移应用，“知其然而不知其所以然”。最终，学生的思维没有得到实质性发展。

    2.3? ? 反思缺失

    首先，科学探究的七个要素中没有反思，师生很容易忽视这个重要的环节，误以为科学探究不需要反思，导致教学随着探究活动的结束而终止，师生对科学探究的目标、过程和结果“学而不思”，缺乏批判性的深刻认识。其次，不是所有物理知识都需要科学探究，有些通过理论演绎或验证即可。如果缺乏对科学探究的反思，未能找准其角色定位，则会导致滥用或乱用，教学效果适得其反。

    3? ? 何为初中物理思维型科学探究

    3.1? ? 初中物理思维型科学探究的内涵

    初中物理思维型科学探究是以深度学习理论为指导，提升初中物理探究活动的科学性，注重发展学生科学思维及实际解决问题的能力;以“生动的问题情境、积极的具身体验、意义的整合运用、批判的交流反思”为基本原则，创设有发展思维空间的挑战性学习主题，引导学生感悟内化物理知识的意义达成，体验学习的获得感、价值感和意义感;以解决情境中生成的问题为目标，探索科学探究中提升学生思维品质的策略，发展学生的学科核心素养。

    3.2? ? 初中物理思维型科学探究的架构

    促进深度学习的思维型科学探究过程及教师活动和学生活动如表1所示。

    首先，通过图片、视频或生活情境，激发学生的学习兴趣，明确科学探究的学习主题;其次，让学生制订科学探究实验方案，全身心积极参与动手实验操作，并记录数据;然后，分析实验所得数据，并进行深加工处理，寻找有力的证据，形成合理的结论，再用已有的结论进行科学解释，体验成功;最后，撰写完整、规范的科学探究报告，交流、反思科学探究的过程与结果，获得发展。

    4? ? 如何进行初中物理思维型科学探究教学

    笔者以“探究物体从高空下落时收尾速度的影响因素”教学为例，探讨如何通过建构思维型科学探究来促进学生深度学习，以期抛砖引玉。

    4.1? ? 创设问题情境，激发认知冲突，明确学习主题

    【环节1】 问题

    播放“火神山”建设的“云监工”短视频，小华注意到在整个“火神山”医院建设的过程中，几乎天天下雨，而电力工人们冒雨进行电力设施的铺设，从中他观察到下列现象：“瓢泼大雨”以很快的速度降落到地面，而“毛毛细雨”则缓慢地飘落到地面，故而担心雨滴落到地面的速度会影响整个工程的施工进度。

    师：请从上述生活情境中提炼出有价值、可探究的物理问题。

    生：雨滴下落的速度受什么因素影响？

    师：查阅资料，物体从高空下落时，速度越来越大，所受阻力也越来越大，当阻力增大到与重力相等时，将以某一速度做勻速直线运动，这个速度被称为物体下落的收尾速度。

    生：物体从高空下落时的收尾速度与什么因素有关？

    师：请提出合理的猜想与假设。

    生：可能与物体的横截面积有关，可能与物体的质量（或重力）有关。

    评价：通过教师设计一个抗疫（火神山建设）视频情境，激起学生的兴趣。学生情不自禁地将情境与前概念联系，唤醒休眠的思维。在教师的引导下，先提炼出“粗问题”，再加工形成有价值、可探究的物理“细问题”。做出合理猜想假设后，明确本次挑战的学习主题。

    4.2? ? 注重具身体验，引导自主建构，积极身心参与

    【环节2】 证据

    制订计划并设计实验方案，论证并选定方案进行分组实验操作，将实验数据记录在设计的表中，如表2所示。

    师：如何研究物体的下落过程呢？

    生：可以用小球作为理想化模型来代替生活中的不规则物体作为研究对象进行探究。

    师：怎样设计实验？请讨论并确定方案。

    生：……（小组讨论，分析论证）

    生：取5个不同的小球进行实验，在相同环境条件下，分别从一定高度（足够高）由静止下落，来探究小球从高空下落时的收尾速度与哪些因素有关。

    师：如何测量物体下落时的收尾速度？

    生：利用频闪照片研究，小球从足够高的地方下落到一定程度，将保持匀速直线运动。

    评价：教师搭建问题支架，驱动学生思维活动，建构模型来研究问题。学生制订实验方案，体验物理知识建构的过程，积极参与并讨论方案的合理性，发展学生的科学论证能力。学生积极参与研究，设计表格记录原始数据，在自主建构和具身实验中体验成就感、价值感。

    4.3? ? 强调整合运用，重视迁移应用，体验探究成功

    【环节3】 解释

    学生从实验得到的原始数据中寻找规律与处理方法，对数据进行深加工处理后形成合理的结论。用已有的物理知识进行科学解释。

    师：比较1、2号小球的相关实验数据，可以得到的初步结论是什么？

    生：在该环境下，半径相同的小球从高空落下时，质量越大，收尾速度越大。

    师：能否找到比定性关系更精准的定量关系？（提示求比值）

    生：在该环境下，半径相同的小球从高空落下时的收尾速度与质量成正比。

    师：从其他小球的数据看，还能得到什么结论？（提示小球横截面积与半径的关系，π≈3.14）

    生：在该环境下，质量相同的小球从高空下落时的收尾速度与横截面积成反比。

    师：根据表2中的数据，推理5号小球的收尾速度。（提示用已有的结论迁移应用）

    生：根据前面得到的两个结论，可以增加对照组6，如表3所示，假设增加6号小球，由2、6号小球对照数据推理出6号小球的收尾速度应该是40/9 m·s-1;再由5、6号小球对照数据推理出5号小球的收尾速度是40 m·s-1。

    评价：通过物理知识意义的整合运用，发展学生的科学思维与推理能力。引导学生分析数据，寻找加工和处理数据的方法，发现规律，形成合理的结论，学会迁移应用，即用已有的物理知识进行科学解释，感悟探究的价值感和意义感。

    4.4? ? 引导交流反思，强化自我监控，获得思维发展

    【环节4】 交流

    完成上述活动，引导学生对科学探究过程和结论进行反思，分享经验和交流成果。

    师：5号小球的收尾速度还有其他解法吗？

    生：……如果能直接算出就好了。

    师：由实验得到的结论，小球的收尾速度表达式可设为v=km/r2，把1号小球的数据代入可得：16 m·s-1=k×2 g/（0.05 m）2，求出：k=0.02 m3/（g·s），代入5号小球的数据求得收尾速度：v=km/r2=0.02 m3/（g·s）×45 g/（0.15 m）2=40 m·s-1。

    生：原来还可以将科学探究得出的物理规律转化为表达式，准确地解出答案。

    师：你认为上述科学探究的过程合理吗？有无需要改进的地方？

    生：可以更换其他物体再进行实验;可增加对照组多次实验。

    师：通过上述探究，与同学交流合作并解释“跳伞运动员打开降落伞后比打开降落伞前的收尾速度小”的原因是什么？

    生：由实验结论知，若其他因素不变，打开降落伞，半径增大，横截面积增大，收尾速度变小。

    评价：利用交流反思（师生交流，生生交流），推动学生思维深入，实现自我监控。撰写完整、规范的科学探究报告，交流、反思科学探究的过程与结果，通过师生交流，在反思中质疑，将物理规律定性解决问题转化为定量表达式解决问题，创新改进方法，让学生获得思维发展。

    5? ? 结? 语

    综上，建构初中物理思维型科学探究教学范式，引导学生思维经过认知冲突—自主建构—迁移应用—自我监控等过程，引发学生模型建构、科学推理、科學论证、质疑创新等科学思维活动，促进学生在科学探究中科学思维的养成，进入真正意义上的深度学习。实践表明，指向深度学习的初中物理思维型科学探究的教学范式，让学生身心得到解放，思维得到高品质发展，为物理学科核心素养落地生根寻找了一条卓有成效的创新路径。

    参考文献：

    [1]郭华.深度学习及其意义[J].课程·教材·教法，2016，36（11）：25-32.

    [2]任虎虎.指向深度学习的高中物理思维型课堂构建的研究[J].物理教师，2019，40（07）：28-31.

    [3]李艳青，胡扬洋.“科学探究”如何走进“素养时代”——基于我国物理教学的审视[J].教育理论与实践，2019，39（02）：47-49.

    [4]张世成，倪志锋.深度教研成就深度学习——以“电生磁”教学为例[J].中学物理，2019，37（24）：25-27.

    [5]林崇德，胡卫平.思维型课堂教学的理论与实践[J].北京师范大学学报：社会科学版，2010（01）：29-36.

    [6]周剑.学科核心素养下科学探究逻辑解析与突破策略——以苏科版“电能表与电功”为例[J].中学物理，2020，38（12）：2-5.

    （栏目编辑? ? 赵保钢）