深度學習是一種基于理解的學習，是學習者以高階思維發(fā)展和實際問題解決為目標，以整合知識為內(nèi)容，積極主動、批判性學習新的知識和思想，并將它們?nèi)谌朐械恼J知結(jié)構(gòu)中，且能將已有的知識遷移到新的情景中的一種學習^[1]。物理是以實驗為基礎的一門學科，實驗中必然伴隨物理模型的建構(gòu)活動。物理模型建構(gòu)歷程本質(zhì)上是科學思維的物化過程。在創(chuàng)新實驗的模型建構(gòu)中培養(yǎng)學生的知識遷移、批判性思維、自我反思的深層次學習，從本質(zhì)上講是高階思維的具體表征。筆者以“阿基米德原理”的數(shù)字化實驗為例，在設計和制作物理模型的創(chuàng)新實驗中融入數(shù)字化傳感器技術(shù)，讓學生在深度學習中將創(chuàng)意進行物化。

一、傳統(tǒng)浮力實驗存在不足

通過探究浮力大小與哪些因素有關來學習阿基米德原理，是初中物理的重要實驗。在順利完成教材上的實驗后，學生根據(jù)已有的學習經(jīng)驗，反思傳統(tǒng)實驗的不足之處。主要表現(xiàn)在：彈簧測力計是唯一的測量工具，只能手提使用，由于指針上下振動，讀數(shù)很不方便;一組實驗中讀取的數(shù)據(jù)量過多;探究浮力大小與物體排開液體的體積關系實驗中，一次最多只能收集5組數(shù)據(jù)（立方體物塊可以分5等份）;關系圖像只是點狀分布;誤差較大、科學性差;等等。如要彌補以上不足，需要另辟路徑，改進實驗。將數(shù)字化實驗融入傳統(tǒng)實驗中，讓學生在小組合作探究活動中建構(gòu)物理模型，在理解物理知識的同時促進科學思維能力的提升，進而實現(xiàn)深度學習，應是可行之道。

二、基于小組合作建模開展深度學習

筆者在浮力實驗演示、學生微課觀摩和習題訓練中，讓對實驗和規(guī)律理解較深刻的學生擔任實驗小組的組長，自選“搭檔”（組員），采用基于實踐體驗的“模型構(gòu)建+小組合作”模式教學。這樣可激發(fā)學生的熱情并增強合作意識。

（一）初見成功端倪，感受數(shù)字模型的溫度

學生進入深度學習狀態(tài)，能抓住事物的本質(zhì)，全面把握知識的內(nèi)在聯(lián)系，并由本質(zhì)推出若干變式。

模型1：測量物塊浮力大小實驗

教師：同學們對測量浮力大小的傳統(tǒng)實驗原理和實驗過程都已熟知。現(xiàn)在，我們確定新主題，運用數(shù)字化傳感器改進實驗。

甲組：這簡單啊！用力傳感器先測量物塊在空氣中的物重，再將物塊全部浸沒在液體中得出力傳感器的示數(shù)，利用“稱重法”并依據(jù)公式 = -間接測量浮力大小。

教師：完全可以。還有其他方法嗎？

學生陷入沉思之中……

此時，教師帶領學生重溫剛才的測量思路。

教師：使用力傳感器分別測出其中物重和物體浸在液體中的示數(shù)，我們進行了兩次測量。有一步到位、直接測浮力大小的簡單方法嗎？

乙組：（思索片刻，小聲地回答）有。只要在懸掛重物后對力傳感器再實施“調(diào)零”，使=0，將之代入公式 = -=0-等式，即有=-。（響起掌聲……）

教師：說得很好。運用力傳感器的“調(diào)零”功能，從傳感器上可以直接得出浮力的相反數(shù)，將其示數(shù)的絕對值與被物體排開的液體的重力比較，可很快得出實驗結(jié)論。到此為止，實驗思路理清了。此處正是實驗最亮麗的創(chuàng)新點。

組裝實驗裝置（學生稱“鐵架臺式”），部件包括裝好EDISlab pro數(shù)字化系統(tǒng)軟件的筆記本電腦、雙向力FS400傳感器、數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)傳輸線、帶支架的鐵架臺、手動升降臺、溢水杯、圓柱體重物等。

甲組開始實驗：緊固好鐵架臺的橫桿，懸掛好力傳感器并打開電腦中數(shù)字化系統(tǒng)軟件，新建工作界面，點擊“調(diào)零”，再次掛上物塊。界面顯示=2.14 N。向容器中倒入足量的水并置于物塊的正下方，用手旋動轉(zhuǎn)軸，抬起升降臺，使圓柱體物塊由部分浸入直至全部浸沒。斷開電動機開關同時點擊“停止”按鈕，讀得=1.35 N，算出=0.79 N。

乙組：在鐵架臺上懸掛好力傳感器，然后掛上物塊，打開軟件界面，點擊“調(diào)零”，界面顯示=0。重復甲組步驟，讓物塊全部浸沒，得出傳感器拉力=0.79 N，就是浮力大小。學生探究能力得到提升，探究效果初見端倪。

（二）實施等效思維，提高實驗探究的熱度

學生在操作傳統(tǒng)實驗的基礎上利用傳感器改進，成功地實現(xiàn)知識的深化和遷移。創(chuàng)新的腳步不停。

模型2：探究阿基米德原理=實驗

情境展示：

教師：現(xiàn)以探究阿基米德原理=作為新模型的起點，請甲組發(fā)表建議，介紹設計思路。

甲組成員間展開熱烈討論后，小組長提出設計思路：用力學傳感器替代彈簧測力計，直接測量和，利用數(shù)字化軟件系統(tǒng)強大的數(shù)據(jù)收集和處理功能直接得出實驗結(jié)論。教師對學生的想法給予肯定。

制作過程及操作方法如下。

（1）器材準備：在“鐵架臺式”裝置基礎上，增加雙向力FS400傳感器（兩個）、手動升降臺、溢水杯、圓柱體重物、塑料杯、棉線、燒杯、水和酒精等。

（2）制作過程：①如圖1所示，將支架分別用螺絲固定在鐵架臺上，將雙向力FS400傳感器用細線分別懸掛在支架上，分別用數(shù)據(jù)線連接高頻數(shù)據(jù)采集器，再用數(shù)據(jù)線一端連接采集器，另一端插入電腦USB接口。②在力傳感器1掛鉤下用細線懸掛圓柱體物塊，正下方是裝滿清水的溢水杯;力傳感器2下懸掛用塑料杯自制的小桶。③為便捷地將物塊浸入水中，特意在溢水杯下放置一架手動升降臺，目的是減小物塊對傳感器的沖擊力，便于讀取數(shù)據(jù)。

（3）操作方法：①打開裝有EDISlab pro數(shù)字化系統(tǒng)軟件的筆記本電腦，點開桌面右上角圖標彈出菜單，點擊“新建”按鈕，進入工作界面;點擊“自動識別”按鈕;點擊“采集參數(shù)”按鈕，設定采集時間為2分鐘。將物塊和小桶分別懸掛在傳感器掛鉤上，分別右擊工作界面左下角的“”和“”示數(shù)方格，彈出對話框，點擊“調(diào)零”，使兩個傳感器示數(shù)都歸零。

②點擊“開始”，用手轉(zhuǎn)動升降臺旋鈕，勻速抬高裝滿水的溢水杯，使圓柱體物塊由部分浸入直至全部浸沒后繼續(xù)下潛，約1.5分鐘后點擊“停止”按鈕。雙擊“”數(shù)據(jù)欄，彈出“數(shù)據(jù)列屬性”后點擊“顯示”、“前景顏色”，選中“紅色”，確定力傳感器2生成的數(shù)據(jù)和圖像（紅色）。

③電腦工作界面收集數(shù)據(jù)并形成圖像，鼠標右擊圖像彈出對話框，依次點擊“輸出”、“保存圖片”，命名文件名“模型2”并保存，點擊“導出到實驗報告”，導出帶有實驗圖像的實驗報告單。

小組成員重復以上實驗，發(fā)現(xiàn)=0.79 N（藍色數(shù)據(jù)）和=0.70 N（紅色數(shù)據(jù)）有較大的誤差，偏大與偏小的概率都有。為什么？組員們陷入了深思之中，這時候組長想起來了，“升降臺的臺面在整個上升過程中會晃動，無法保證臺面最終為水平面，是導致誤差產(chǎn)生的主要原因”?！拔矣薪鉀Q問題的辦法：讓溢水杯保持不動，在轉(zhuǎn)軸上繞有細線的電動機下懸掛物塊，啟動電動機，將物塊慢慢下放至溢水杯中就可以有效地減小誤差”?！跋敕ê芎?，運用了轉(zhuǎn)換法思維”，教師及時肯定。在教師的幫助下，乙組成員投入緊張的探究中，用穩(wěn)壓電源供電，在支架上端固定電動機，使繞有細線的減速電動機勻速下放物塊。

添加的器材有穩(wěn)壓電源（0～9 V）、微型減速電動機（直流6 V）。如圖2所示，學生組裝實驗裝置，閉合電動機開關，使圓柱體物塊勻速下降，物塊由部分浸入直至全部浸沒后繼續(xù)下潛，最后關閉電動機電源。整個過程由數(shù)字化系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)記錄。果然，學生如愿以償，得出==0.79 N，每次實驗的誤差都很小。

學生通過兩輪小組合作，收獲了成功的喜悅，教師要呵護組內(nèi)探究的熱情，鼓勵學生將實驗探究進行下去。

（三）優(yōu)化實驗模型，加大探究活動的力度

贊可夫說過，教學法一旦觸及學生的情緒和意志領域、觸及學生的精神需要，這種教學法就能發(fā)揮高度有效的作用。

模型3：探究浮力大小與物體排開液體體積的關系

教師：為了順利探究浮力大小與物體排開液體體積（）之間的關系，首要問題是在實驗中如何反映出的變化量，同學們有何建議？學生：由于實驗中選擇的物塊是規(guī)則的圓柱體，其橫截面積是不變的，假設隨著減速電動機以勻速放下，其豎直浸入液體的深度為=，那么就有==，由于、保持不變，可以得出與物塊浸入液體的時間成正比的結(jié)論，函數(shù)-的關系就可以轉(zhuǎn)化為-關系，仍然可以用以上裝置進行實驗探究。教師：你的思路很好，運用了轉(zhuǎn)換法思維，這次你們兩組共同完成這一任務。

小組在實驗過程發(fā)現(xiàn)鐵架臺裝置比較松散，搬運不方便，師生合作制作圖3所示的（學生稱“木架臺式”）模型，使用起來方便多了。將圓柱體物塊系在減速電動機繞線的傳感器1掛鉤下，將燒杯中的水倒?jié)M溢水杯，打開數(shù)字化系統(tǒng)軟件，新建工作界面，傳感器2下掛上小桶，將兩傳感器分別“調(diào)零”，接通電動機電源的同時開始記錄數(shù)據(jù)，關閉電動機電源的同時停止記錄數(shù)據(jù)，保存數(shù)據(jù)圖像。小組交流討論，從-函數(shù)圖像發(fā)現(xiàn)：液體密度不變，浮力大小與物體排開液體的體積成正比。

（四）挖掘?qū)W習潛能，刷新實驗探究的高度

布盧姆將認知過程分為六個層次，其中深度學習的水平達到“應用、分析、評價、創(chuàng)造”這四個較高級的認知層次，注重知識的深度應用和問題解決，是一種高級認知技能的獲得。

模型4：探究浮力與液體密度之間的關系

教師：同學們在探究教材中與關系實驗中，都是將同一物塊浸沒在不同液體中控制不變，探究與的關系。數(shù)字化實驗的最大特點就是采集和處理大量數(shù)據(jù)并形成圖像得出規(guī)律。大家對此實驗有什么好的創(chuàng)意？

學生：由阿基米德原理可得與是相等的，根據(jù)等效法，有兩條路徑讀?。哼\用力傳感器1探究與之間關系;也可以運用傳感器2（測量）探究與之間關系。

教師：同學們的思路很敏捷，下面繼續(xù)分組建構(gòu)子模型。

子模型1：只用力傳感器1（測）探究與關系

甲組學生先把裝置中力傳感器2卸下來，打開電腦中數(shù)字化系統(tǒng)軟件，新建工作界面（顯示力傳感器1），在掛鉤下掛上圓柱體物塊， 點擊“調(diào)零”后，在大容器中加入足量的水后置于物塊的正下方，接通電動機的同時點擊“開始”按鈕，使圓柱體物塊由部分浸入直至全部浸沒后繼續(xù)下潛一些。斷開電動機開關的同時點擊“停止”按鈕，讀出=-0.76 N，則=0.76 N。將大容器中的水換成酒精重復以上實驗，再次讀出= -0.67 N，得出=0.67 N，發(fā)現(xiàn)物塊在酒精中的浮力變小了。

子模型2：只用力傳感器2（測）探究與關系

乙組學生將物塊直接掛在電動機的細線下（去掉傳感器1），打開電腦中數(shù)字化系統(tǒng)軟件，新建工作界面，將小桶懸掛在傳感器2掛鉤下，點擊“調(diào)零”，界面顯示=0。在溢水杯中加滿水并置于物塊的正下方，接通電動機的同時點擊“開始”按鈕，使圓柱體物塊由部分浸入直至全部浸沒后仍下潛一些;斷開電動機開關，同時點擊“停止”按鈕，直接讀出=0.79 N。將溢水杯中的水換成酒精重復以上實驗，再次讀出=0.67 N，收集并將圖像組合。在誤差允許的范圍內(nèi)，根據(jù)阿基米德原理=可直接讀出浮力大小，學生用等效法同樣完成了實驗。

經(jīng)過多次實驗操作，各組學生達成共識，發(fā)現(xiàn)vhqTG8tjjV+Ju1GBVuli8A==兩種方法殊途同歸，得出實驗結(jié)論：物體受到液體的浮力與液體的密度有關，密度越大，浮力也越大。學生組內(nèi)交流，發(fā)現(xiàn)通過兩組圖像的走勢近似平行的特點，順利得出相同時，與成正比的結(jié)論。

三、總結(jié)

通過對知識的批判性理解、注重新舊知識的整合或聯(lián)結(jié)、在真實問題中解決問題，學生更加關注對學習和自我認知的反思。這些都是深度學習的重要特征。此案例中的數(shù)字化創(chuàng)新實踐教學實現(xiàn)了實驗數(shù)據(jù)的精準性收集和處理，依據(jù)新課標要求，運用控制變量法，在模型和子模型的建構(gòu)過程中探究阿基米德原理。這樣教學既激發(fā)學生的學習興趣和探索問題的熱情，又在探究中培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)并解決問題的能力。筆者利用信息技術(shù)創(chuàng)新實驗促進了學生高階思維下的深度學習，在項目活動中、在多路徑中、在師生交流中、在生生合作中靈活運用轉(zhuǎn)換法和等效法思維，培養(yǎng)學生的分析問題和解決問題的能力。

參考文獻

[1] 安富海.促進深度學習的課堂教學策略研究[J].課程·教材·教法，2014（11）：57-62.

（作者劉信生系安徽省廬江縣龍橋鎮(zhèn)初級中學高級教師;湯金波系南京師范大學附屬中學樹人學校正高級教師，特級教師）

責任編輯：祝元志