利用物理实验深度学习有效对接高考“四翼”
时间：2023-02-02 14:25:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
赵 清
(嘉积中学，海南 琼海 571442)
2019年底教育部考试中心正式发布《中国高考评价体系》，将国家和高校的选才需求与素质教育育人目标有机结合。在近年的高考内容改革及命题中，高考评价体系的理念正逐步体现。高考评价体系由一核四层四翼组成，其中“四翼”为高考的考查要求，四翼包括基础性、综合性、应用性、创新性，回答怎么考的问题。物理学科要有效应对四翼考查，实验是非常重要的手段。例如通过实验创设情境，可以帮助理解物理观念，对接基础性和应用性，通过实验设计培养高阶思维，对接综合性与创新性。高中阶段可通过五种实验形式与四翼相呼应（如图1所示）。
图1 四翼与实验的关系
深度学习的概念源于人工神经网络的研究，由马顿和萨尔乔在1976年首次提出。后来被借用到教育心理学。一般认为，记忆和理解属于低阶思维，应用、分析、评价和创造属于高阶思维，后者是深度学习的关键。
胡卫平教授将深度学习定义为：能够深度理解并灵活应用知识和发展核心素养的、积极的认知、元认知和非认知（包括动机、情感、意志等）投入的、促进自主建构（包括认知建构和社会建构）的学习方式。
深度学习应该具备这些特征：遵循学习者身心发展和科学认知规律；
学习者深入理解学习对象（问题情境）本身；
学习者深度思考、触及事物（学科）本质；
身心充分参与，深度全面激活多层神经元；
学习者找到“自己”，向更高阶、更高层次发展。
新高考对四翼的考查，本质上可以看作是对深度学习的考查，而物理实验是深度学习的重要载体。高考“四翼”考查的内核就是深度学习能力，而物理实验是高中阶段实现深度学习的重要途径，尤其是应用性和创新性的培养，这是传统题海战术无法实现的。三者的辩证关系如图2所示。
图2 四翼与实验及深度学习关系
下面结合本人的教学实践与思考，从五个方面具体阐述如何实现物理实验与深度学习的有机融合。
3.1 实验导入有深度，激发学生的探究欲望，在认知冲突中引发深度思考
学生内在的学习动机被激发，愿意积极主动的参与，这是深度学习的首要条件。高中学生已经有自己的认知结构，如果教师不能将其打破，使思维远离平衡状态，则无法调动其学习积极性。通过实验设置认知冲突，将新旧知识矛盾显性化，可以激发学生的探究欲望。例如用伏安法测量电阻，高中要求会分析电流表内接与外接的区别，在测量中会选择合适方案。但学生在初中已经学过原理，再次面对两种电路时，反应必然是“冷漠”的，因为在原来的认知图式里，两种方案是等价的。为此我采用大型教学电表，分别用两种电路测量同一只小电阻的阻值，数据为6Ω和3.5Ω；
再测量同一只大电阻的阻值，数据为7KΩ和3.2KΩ,测量结果如此悬殊，引发强烈的认知冲突，自然促使学生深度思考。
3.2 利用实验创设“真实情境”，建立深度学习场，促进学生自主建构
新高考评价体系强调，情境设置是考查的重要载体。借助实验创设真实但又“陌生”的情境，提供必要的知识背景，让学生觉得有挑战性，打破已有的认知体系，形成一定程度的“认知失调”，学生自然愿意全身心积极参与，积极完成更加深入的自我建构。例如探究弹簧弹力与伸长量关系，需要测量弹簧的伸长量，很多参考书给的方法是利用刻度尺测出弹簧原长，再测得弹簧伸长后的总长，两者相减得到伸长量。实际操作中原长并不好测量，因为弹簧上端很难与刻度尺零刻度线对齐。于是我引导学生思考：测量伸长量是否一定需要知道原长。接着创设这样一个实验情景：刻度尺竖直放置，与弹簧平行，但刻度尺的零刻线高于弹簧上端。学生通过分析发现，挂钩码前后的指针读数之差即为伸长量。该方案方便易行，不用纠结弹簧的原长问题。这样获得的知识是活的，活知识孕育出新知识，学生不但掌握了基本的原理，还学会灵活处理，提升了解决问题的能力。
“真实情境”不一定是当下发生的，也可以是历史上曾经发生的情境。例如研究自由落体的实验，我们可以还原伽利略当年的实验情境：没有打点计时器，也没有秒表，更没有光电门，伽利略该如何测量运动时间？如何测量瞬时速度？如何判断自由落体的速度随时间均匀增加呢？在这样的情境中，学生的思维被充分调动，接着小组合作设计实验，获取数据，进行分析研究。领悟到如何在限制条件下寻找最优解，学会巧妙转换解决问题的思路，同时使学生深刻体会到伽利略的伟大。
3.3 在实验设计中深度探究，引领学生走向高阶思维
在实验设计环节，传统的做法是往往是这样：教师根据实验目的，直接给出实验设计，全体学生按照一个方案，进行接下来的实验操作，这样的做法省时省心，教师容易把控，但是无形中限制了学生的思维，不利于培养学生的深度学习本领。因此我们需要改变做法，例如先让学生自主设计实验方案，教师再设置相应问题链，引导学生发现问题，不断改进完善方案，在这样的交流探讨中，引领学生走向高阶思维。
例如探究加速度与物体受力、物体质量的关系实验中，学生很容易想到控制变量法，但是在测量物体（小车）受到的力时，有两个错误环节非常容易出现：一是将长木板水平放置，认为拉力就是合力；
二是认为悬挂砝码的重力等于细线的拉力；
结果作出的图像显示，加速度与“合力”并不成正比（如图3）。
图3 实验装置及a-F图像
在学生处于疑惑的时刻，教师及时设置问题链抛给学生思考：（1）研究加速度与物体受合力关系，需测量哪些物理量？（2）如何测量小车加速度？（3）拉力就是小车受到的合力吗？该如何测量物体受到的合力？（4）为什么要垫高平板一端？应该垫高哪一端？垫多高合适？（5）为什么不能悬挂过多砝码？
教师通过引导学生讨论，逐步解开学生心中的疑问，分析图3的a-F图像不过原点及弯曲原因。教师再布置任务，学生相互交流、查阅提供的资料，设计出多种改进创新方案如图4。
图4 改进后的实验方案
教师在引导学生深度思考，总结这些方案的特点，填写在表格中（见表格1）。
表1 实验方案的特点总结
这样的实验设计初看费时费力，但是正所谓磨刀不误砍柴工，它能有效打开高阶思维的切口。培养了学生的分析反思能力，学会如何处理信息的能力，会评价对比方案的优劣，会抓住事物本质，举一反三解决问题，进而获得普遍意义问题的求解思路。这恰好是创新思维的起点，是高阶思维能力的作用点与生长点。
需要注意的是，引导学生设计实验方案时，一定要紧紧抓住核心概念，不能信马由缰，反而造成学习时间的紧张，学习效果的低下，那就得不偿失了。以验证动量守恒定律为例，其核心概念为“找出作用之前与作用之后系统的总动量”。实验设计必须重点围绕这个核心展开，完成实验方案的设计。可以将学生分为若干小组，先开展头脑风暴，最终设计出以下这些方案：在气垫导轨上碰撞、利用单摆碰撞、利用碰撞后平抛运动验证等等。再比如用落体测量重力加速度，其核心概念是测量出位移及相应时间，再利用运动学知识或推论求得加速度。自然可以设计出如下方案，利用打点计时器、利用光电门、或者滴水计时法等等。
3.4 对实验数据和结果评价交流，形成深度反思，在反思中批判与创新
对实验数据或结果进行分析，利用作图法等处理数据，形成合理的结论，并与同伴进行相互交流，从而有效培养证据意识和创新意识。传统教学中往往是讲实验，实验结果不是真实做出来，而是拼凑或借鉴已有的，这样会掩盖很多问题。真实的实验数据或结果往往是非理想的，是最好的学习素材，因此要利用好它们，帮助学生学会反思与批判，真正经历从“失败”走向成功的过程，而不是直接给出正确的结果，虚假的数据，使学生思维失去成长的机会。
例如在验证机械能守恒定律实验中，甲同学实验结果显示，重锤动能的增加量小于重锤势能的减少量；
而乙同学实验结果显示，重锤动能的增加量大于重锤势能的减少量，不符合机械能守恒。学生通过分析交流，发现原因是存在空气阻力。乙同学使用了v=gt计算速度，实质上与机械能守恒定律等价，该式恰好是被验证的结论，犯了循环论证的逻辑错误。
再比如伏安法测量电阻实验，学生囿于初中思维定式，不管待测电阻阻值大小如何，都习惯用限流式方案，教师可以顺其自然，让学生测量某个大阻值电阻，然后引导分析结果。发现实验数据范围太窄，测量误差偏大。自然引出创新方案--分压式接法。学生再次实验，从理论上分析分压式接法的特点，完成了知识的顺应与思维的升华。
3.5 习题实验化形成深度体验，有效突破学习的疑点难点
目前物理新高考对四翼的考查，主要还是通过高考试卷来落实，但是考查形式正在发生变化，具体表现为更加重视利用情境化设置问题，更加重视与生产生活紧密联系。在新的趋势下我们若仍然奉行传统题海战术，缺乏引导学生从思维起点思考问题，缺乏对其提供情景化体验，将导致学生思维走向僵化，越来越难以适应新高考的要求。纵观2021年物理高考题，高考全国乙卷设置了运动员拍篮球情境；
浙江省物理卷设置了在秋千上摆动，用激光笔照射透明塑料光盘情境；
山东省设置了密封的矿泉水瓶里小瓶沉浮情境等。因此教师平时要重视实验，包括一些拓展实验，找到实验与四翼的连接点，设法将题目实验化，与理论分析相互印证，从而在深度体验中解决问题。例如讨论图5细绳拉力如何变化：（1）绳长不变，右端细绳上下移动（2）绳长不变，将右杆缓慢左移。此题可以纯理论分析，但是借助实验效果会更好，可以利用废弃的窗帘滑槽零头等制作如图器材，还可以结合力传感器，使问题迎刃而解。鼓励学生结合题目多做课外实验，动手制作实验器材帮助分析。
图5 晾衣绳模型
促进学生深度学习的方式虽然多种多样，但我认为物理实验是非常有效的手段。我们需要高度重视物理实验，使深度学习落到实处，从而有效应对高考“四翼”考查，则高考成功自然水到渠成。
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