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        基于深度學習的“思維型”科學探究建構

        2021-06-15 09:08:49周劍葉成林
        物理教學探討 2021年5期
        關鍵詞:科學探究學科核心素養(yǎng)深度學習

        周劍 葉成林

        摘? ?要:為引導學生在初中物理科學探究主題活動中能全身心積極參與,發(fā)展其建模、推理、論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等科學思維,體驗成功并獲得發(fā)展,文章建構深入淺出的思維型科學探究,促進學生深度學習,探尋發(fā)展學科核心素養(yǎng)的創(chuàng)新路徑。

        關鍵詞:深度學習;科學探究;思維型;學科核心素養(yǎng)

        中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A ? ? 文章編號:1003-6148(2021)5-0008-4

        1? ? 深度學習概述

        深度學習(Deep Learning)的概念最初來源于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的研究。北師大郭華教授認為,深度學習的內(nèi)涵是指在教師的引導下,學生圍繞具有挑戰(zhàn)性的學習主題,全身心積極參與探索,體驗成功并獲得發(fā)展的有意義學習過程(圖1)。外延到物理學科學習的過程中,學生掌握物理學科的核心知識,理解學習的過程,把握物理學科的本質(zhì)及思想方法,形成積極的內(nèi)在學習動機、高級的社會性情感、積極的態(tài)度、正確的價值觀,成為既具獨立性、批判性、創(chuàng)造性又有合作精神、基礎扎實的優(yōu)秀學習者,成為未來社會歷史實踐的主人[1]。

        研究表明,深度學習既是發(fā)展學生學科核心素養(yǎng)的有效途徑,也是對當下初中物理課堂探究教學變革需求的主動回應。通過建構思維型科學探究,促進學生深度學習,是落實發(fā)展學生學科核心素養(yǎng)的創(chuàng)新路徑嘗試,對初中物理課堂探究教學變革有一定的實踐價值和指導意義。

        2? ? 為何建構思維型科學探究

        2.1? ? 課標降位

        《義務教育物理課程標準(2011年版)》中科學探究包含提出問題、猜想與假設、設計實驗與制訂計劃、進行實驗與收集證據(jù)、分析與論證、評估、交流七個要素,《普通高中物理課程標準(2017年版)》將科學探究修改為問題、證據(jù)、解釋、交流四個要素??茖W探究從原先被三維目標統(tǒng)領,改為和物理觀念、科學思維、科學態(tài)度與責任并列,新課程標準的變化,說明科學探究與知識與技能的內(nèi)化、科學思維的養(yǎng)成、情感、態(tài)度與價值觀的培養(yǎng)一樣不可或缺。

        2.2? ? 師生迎合

        近十年來,在初中物理教學中,師生對科學探究的迎合源于《義務教育物理課程標準(2011年版)》的指向?!半m不能理解,但可以認同”,導致師生對探究活動重視有余而深入不足,開展的探究活動多數(shù)流于形式,呈現(xiàn)出為了探究而探究的“偽探究”。在這種貌似“精彩絕倫”的探究過程中,學生“真動手”卻“假動腦”,實際上處于“虛假繁榮”的淺層學習層面,得到的結(jié)論常常不會遷移應用,“知其然而不知其所以然”。最終,學生的思維沒有得到實質(zhì)性發(fā)展。

        2.3? ? 反思缺失

        首先,科學探究的七個要素中沒有反思,師生很容易忽視這個重要的環(huán)節(jié),誤以為科學探究不需要反思,導致教學隨著探究活動的結(jié)束而終止,師生對科學探究的目標、過程和結(jié)果“學而不思”,缺乏批判性的深刻認識。其次,不是所有物理知識都需要科學探究,有些通過理論演繹或驗證即可。如果缺乏對科學探究的反思,未能找準其角色定位,則會導致濫用或亂用,教學效果適得其反。

        3? ? 何為初中物理思維型科學探究

        3.1? ? 初中物理思維型科學探究的內(nèi)涵

        初中物理思維型科學探究是以深度學習理論為指導,提升初中物理探究活動的科學性,注重發(fā)展學生科學思維及實際解決問題的能力;以“生動的問題情境、積極的具身體驗、意義的整合運用、批判的交流反思”為基本原則,創(chuàng)設有發(fā)展思維空間的挑戰(zhàn)性學習主題,引導學生感悟內(nèi)化物理知識的意義達成,體驗學習的獲得感、價值感和意義感;以解決情境中生成的問題為目標,探索科學探究中提升學生思維品質(zhì)的策略,發(fā)展學生的學科核心素養(yǎng)。

        3.2? ? 初中物理思維型科學探究的架構

        促進深度學習的思維型科學探究過程及教師活動和學生活動如表1所示。

        首先,通過圖片、視頻或生活情境,激發(fā)學生的學習興趣,明確科學探究的學習主題;其次,讓學生制訂科學探究實驗方案,全身心積極參與動手實驗操作,并記錄數(shù)據(jù);然后,分析實驗所得數(shù)據(jù),并進行深加工處理,尋找有力的證據(jù),形成合理的結(jié)論,再用已有的結(jié)論進行科學解釋,體驗成功;最后,撰寫完整、規(guī)范的科學探究報告,交流、反思科學探究的過程與結(jié)果,獲得發(fā)展。

        4? ? 如何進行初中物理思維型科學探究教學

        筆者以“探究物體從高空下落時收尾速度的影響因素”教學為例,探討如何通過建構思維型科學探究來促進學生深度學習,以期拋磚引玉。

        4.1? ? 創(chuàng)設問題情境,激發(fā)認知沖突,明確學習主題

        【環(huán)節(jié)1】 問題

        播放“火神山”建設的“云監(jiān)工”短視頻,小華注意到在整個“火神山”醫(yī)院建設的過程中,幾乎天天下雨,而電力工人們冒雨進行電力設施的鋪設,從中他觀察到下列現(xiàn)象:“瓢潑大雨”以很快的速度降落到地面,而“毛毛細雨”則緩慢地飄落到地面,故而擔心雨滴落到地面的速度會影響整個工程的施工進度。

        師:請從上述生活情境中提煉出有價值、可探究的物理問題。

        生:雨滴下落的速度受什么因素影響?

        師:查閱資料,物體從高空下落時,速度越來越大,所受阻力也越來越大,當阻力增大到與重力相等時,將以某一速度做勻速直線運動,這個速度被稱為物體下落的收尾速度。

        生:物體從高空下落時的收尾速度與什么因素有關?

        師:請?zhí)岢龊侠淼牟孪肱c假設。

        生:可能與物體的橫截面積有關,可能與物體的質(zhì)量(或重力)有關。

        評價:通過教師設計一個抗疫(火神山建設)視頻情境,激起學生的興趣。學生情不自禁地將情境與前概念聯(lián)系,喚醒休眠的思維。在教師的引導下,先提煉出“粗問題”,再加工形成有價值、可探究的物理“細問題”。做出合理猜想假設后,明確本次挑戰(zhàn)的學習主題。

        4.2? ? 注重具身體驗,引導自主建構,積極身心參與

        【環(huán)節(jié)2】 證據(jù)

        制訂計劃并設計實驗方案,論證并選定方案進行分組實驗操作,將實驗數(shù)據(jù)記錄在設計的表中,如表2所示。

        師:如何研究物體的下落過程呢?

        生:可以用小球作為理想化模型來代替生活中的不規(guī)則物體作為研究對象進行探究。

        師:怎樣設計實驗?請討論并確定方案。

        生:……(小組討論,分析論證)

        生:取5個不同的小球進行實驗,在相同環(huán)境條件下,分別從一定高度(足夠高)由靜止下落,來探究小球從高空下落時的收尾速度與哪些因素有關。

        師:如何測量物體下落時的收尾速度?

        生:利用頻閃照片研究,小球從足夠高的地方下落到一定程度,將保持勻速直線運動。

        評價:教師搭建問題支架,驅(qū)動學生思維活動,建構模型來研究問題。學生制訂實驗方案,體驗物理知識建構的過程,積極參與并討論方案的合理性,發(fā)展學生的科學論證能力。學生積極參與研究,設計表格記錄原始數(shù)據(jù),在自主建構和具身實驗中體驗成就感、價值感。

        4.3? ? 強調(diào)整合運用,重視遷移應用,體驗探究成功

        【環(huán)節(jié)3】 解釋

        學生從實驗得到的原始數(shù)據(jù)中尋找規(guī)律與處理方法,對數(shù)據(jù)進行深加工處理后形成合理的結(jié)論。用已有的物理知識進行科學解釋。

        師:比較1、2號小球的相關實驗數(shù)據(jù),可以得到的初步結(jié)論是什么?

        生:在該環(huán)境下,半徑相同的小球從高空落下時,質(zhì)量越大,收尾速度越大。

        師:能否找到比定性關系更精準的定量關系?(提示求比值)

        生:在該環(huán)境下,半徑相同的小球從高空落下時的收尾速度與質(zhì)量成正比。

        師:從其他小球的數(shù)據(jù)看,還能得到什么結(jié)論?(提示小球橫截面積與半徑的關系,π≈3.14)

        生:在該環(huán)境下,質(zhì)量相同的小球從高空下落時的收尾速度與橫截面積成反比。

        師:根據(jù)表2中的數(shù)據(jù),推理5號小球的收尾速度。(提示用已有的結(jié)論遷移應用)

        生:根據(jù)前面得到的兩個結(jié)論,可以增加對照組6,如表3所示,假設增加6號小球,由2、6號小球?qū)φ諗?shù)據(jù)推理出6號小球的收尾速度應該是40/9 m·s-1;再由5、6號小球?qū)φ諗?shù)據(jù)推理出5號小球的收尾速度是40 m·s-1。

        評價:通過物理知識意義的整合運用,發(fā)展學生的科學思維與推理能力。引導學生分析數(shù)據(jù),尋找加工和處理數(shù)據(jù)的方法,發(fā)現(xiàn)規(guī)律,形成合理的結(jié)論,學會遷移應用,即用已有的物理知識進行科學解釋,感悟探究的價值感和意義感。

        4.4? ? 引導交流反思,強化自我監(jiān)控,獲得思維發(fā)展

        【環(huán)節(jié)4】 交流

        完成上述活動,引導學生對科學探究過程和結(jié)論進行反思,分享經(jīng)驗和交流成果。

        師:5號小球的收尾速度還有其他解法嗎?

        生:……如果能直接算出就好了。

        師:由實驗得到的結(jié)論,小球的收尾速度表達式可設為v=km/r2,把1號小球的數(shù)據(jù)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號小球的數(shù)據(jù)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:原來還可以將科學探究得出的物理規(guī)律轉(zhuǎn)化為表達式,準確地解出答案。

        師:你認為上述科學探究的過程合理嗎?有無需要改進的地方?

        生:可以更換其他物體再進行實驗;可增加對照組多次實驗。

        師:通過上述探究,與同學交流合作并解釋“跳傘運動員打開降落傘后比打開降落傘前的收尾速度小”的原因是什么?

        生:由實驗結(jié)論知,若其他因素不變,打開降落傘,半徑增大,橫截面積增大,收尾速度變小。

        評價:利用交流反思(師生交流,生生交流),推動學生思維深入,實現(xiàn)自我監(jiān)控。撰寫完整、規(guī)范的科學探究報告,交流、反思科學探究的過程與結(jié)果,通過師生交流,在反思中質(zhì)疑,將物理規(guī)律定性解決問題轉(zhuǎn)化為定量表達式解決問題,創(chuàng)新改進方法,讓學生獲得思維發(fā)展。

        5? ? 結(jié)? 語

        綜上,建構初中物理思維型科學探究教學范式,引導學生思維經(jīng)過認知沖突—自主建構—遷移應用—自我監(jiān)控等過程,引發(fā)學生模型建構、科學推理、科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等科學思維活動,促進學生在科學探究中科學思維的養(yǎng)成,進入真正意義上的深度學習。實踐表明,指向深度學習的初中物理思維型科學探究的教學范式,讓學生身心得到解放,思維得到高品質(zhì)發(fā)展,為物理學科核心素養(yǎng)落地生根尋找了一條卓有成效的創(chuàng)新路徑。

        參考文獻:

        [1]郭華.深度學習及其意義[J].課程·教材·教法,2016,36(11):25-32.

        [2]任虎虎.指向深度學習的高中物理思維型課堂構建的研究[J].物理教師,2019,40(07):28-31.

        [3]李艷青,胡揚洋.“科學探究”如何走進“素養(yǎng)時代”——基于我國物理教學的審視[J].教育理論與實踐,2019,39(02):47-49.

        [4]張世成,倪志鋒.深度教研成就深度學習——以“電生磁”教學為例[J].中學物理,2019,37(24):25-27.

        [5]林崇德,胡衛(wèi)平.思維型課堂教學的理論與實踐[J].北京師范大學學報:社會科學版,2010(01):29-36.

        [6]周劍.學科核心素養(yǎng)下科學探究邏輯解析與突破策略——以蘇科版“電能表與電功”為例[J].中學物理,2020,38(12):2-5.

        (欄目編輯? ? 趙保鋼)

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