物理深度学习与数字化教学融合的探索与实践
作者:韩建光

  深度学习是美国学者Ference Marton和Roger Saljo 基于学生阅读的实验,针对孤立记忆和非批判性接受知识的浅层学习问题,借鉴了布卢姆认知维度层次划分理论,于1976 年首次提出的。随着信息技术的发展,近年来国外学者逐渐开始研究信息技术支持下的深度学习。笔者结合自己多年来在高中物理深度学习与数字化教学深度融合上所做的一些实践探索,与大家分享心得体会。

  一、数字技术助力深度认知

  物理深度学习是遵循人的认知心理学活动规律的,深度学习模式的实践以认知学习理论为支撑,将同化、顺应、平衡、意义建构等认知心理学的观念贯穿在物理概念、规律等的学习活动之中。深度学习活动的开展要有明确的目的,关注反馈矫正活动的及时跟进,注重掌握性学习策略的应用。在布卢姆提出的认知领域学习目标分类所对应的“记忆、理解、应用、分析、评价、创造”这 6个层次中,浅层学习的认知水平只停留在“记忆、理解”这2个层次,而深度学习的认知水平则对应“应用、分析、评价、创造”这4 个较高级的认知层次,处于高级的认知层次,面向高级认知技能的获得,涉及高阶思维活动。在上述理论思考的基础之上,笔者建构了高中物理深度学习的认知模型(如图 1)。

  图1物理深度学习的认知模型

  在这个深度学习的模式中,数字化技术有着广泛的用武之地。在认知冲突阶段,教师借助数字化技术可以充分暴露学生的“前概念”,也可以利用数字化的教学资源帮助学生在认知冲突中获得正确的理解。在问题的挖掘过程中,教师借助数字化技术可以让学生进行深度思维活动,这是学生深度学习的标志性表现。笔者通过思维导图,梳理了深度学习过程中的笔记方法、记忆方法、解题方法、复习方法、归纳方法等,总结出了用最经济的时间投入而获得最大学习成效的学习方法。在指导学生解决物理探究性问题时,采用思维导图可以帮助学生采取正确有效的策略,更快更有效地进行知识梳理,从而促进解题效率和质量的提高。整理和绘制思维导图的过程会涉及如何快速阅读和整理信息,以及关键词和核心内容的查找,这可以更好地帮助学生加强对所学知识的理解。同时,有助于建立系统完整的知识框架体系,对学习的课程进行有效的资源整合,使整个解题流程设计更加系统、科学、有效。

  用思维导图解决物理探究题,会促成学生形成整体的观念并在头脑中创造全景图,进一步加强对所理解内容的整体把握,事半功倍。思维导图是一款非常有效的工具。

  二、策略性开发数字化资源

  基于深度学习的数字化资源有其独特性,那就是能给学生提供思维活动展开的宽广舞台。在信息技术与物理课程的整合方面,如何开发出以物理模型为基础并能进行参数设置、同步显示动态规律的探究性积件,一直是广大物理教育工作者努力的方向。几何画板、仿真实验室、DIS 实验室、网络插件、微视频、思维导图成为笔者开发高中物理深度学习资源的主要数字化工具,它们构成了一个多样化、系列性的深度学习资源库。

  以几何画板为例,笔者运用几何画板这个软件,自主开发了与人教版教材配套的全套几何画板资源库。在开发过程中不断总结几何画板的技术特点,开发出有明确目标定位、有探究性交互功能、能实现相对独立教学功效的积件库。又如,微视频的开发则从制定学习目标开始就借鉴了美国教育心理学家布卢姆的“教育目标分类学”,每一课微视频不求全而求专,每一条目标的制定都要从“行为主体、行为动词、行为条件和表现程度”这 4个方面考虑,比如“学生能利用加速度公式准确计算出加速度的值,判断出方向”,以上4 个方面都包含其中了。这样,目标非常明确,具有操作性,能够据此来评价学生是否达到了微视频中预设的学习目标。

  笔者将高中物理的全部知识点进行梳理,制定了每一个知识点分层次的学习目标,以整体性的目标引导课程的高效实施,再从这些学习目标中遴选出需要微视频辅助的部分进行开发,并撰写该微视频的解读性文案,配以有针对性的达成训练落实学习目标。辅助型微视频由“微视频 +微课学习指导性文案+达成训练”3个部分组成。

  三、应用4种深度学习模式的案例

  资源的开发最终要在深度学习活动中发挥作用才有意义。笔者立足课堂教学,探索了以下4 种模式,即积件嵌入模式、网络自助模式、实验探究模式、微视频辅助模式。

  (一)积件嵌入模式——以“电场强度E”为例

  对于“电场强度E ”这个概念的教学,由于“场”看不见、摸不着的特殊性,也限于中学阶段实验条件的限制,教师无法用真实的实验来进行探究性教学活动,只能借助于虚拟情景为载体开展探究性的活动。

  1.点电荷电场积件的开发。图2所示的是积件“探究电场强度E”的界面,主要包括以下几个部分。

  图2探究电场强度E

  (1)设置了可调节的变量。此次探究活动主要是通过运用“比值方法”引入电场强度的概念。由于电场强度的定量研究在中学教学中不易用实验完成,该积件就以虚拟的情景为载体,充分体现“比值方法”定义物理量的思维过程:电场的强弱,不能仅用电场力来描述,因为电场力与放入电场的试探电荷的电量和电性有关系,采用单位试探电荷的电场力来描述,就解决了问题。因此,积件中设置的可调节变量有:源电荷 Q的大小和电性、试探电荷q的大小和电性、两电荷间的距离r;而电场力F是运用库仑定律计算得出,并以矢量的方式展示在界面上。

  (2)使用说明。为了便于学生的自主探究活动,界面中对积件的基本操作作了介绍,主要的功能有:①拖动界面上“q调节点”“Q 调节点”,可以连续改变电荷的带电量;②拖动“试探电荷”,点,可以改变试探电荷在电场中的位置,而试探电荷受到的电场力的大小、方向可以同步、动态显示;③通过软件提供的“测算”和“计算”菜单,可以进行数据模拟采集和定量研究。

  2.等量同(异)种电荷电场叠加的积件开发。积件界面如图3所示。

  图3积件界面

  (1)可调节的参量:两个源电荷的电量与电性、两个源电荷间的距离。

  (2)E叠加的“平行四边形定则”:拖动源电荷改变两个源电荷间的相对位置,观察界面中场强合成的动态变化图。

  设计意图:本次教学活动中设计虚拟情景是探究性活动开展的关键,要让学生能够在这个虚拟的探究性情景中有基于自身思考、操作的探究性活动,让学生成为整个探究性活动的主体。积件只是辅助学生深入思考问题的一个工具。学生可以在“拖”“看”“算”“思”等一系列活动中逐步展开深层次的学习活动。

  (二)网络自助模式——以“伏安法测电阻”为例

  根据欧姆定律可知R=U/I,只要测得电阻两端的电压U及流过电阻的电流强度I ,我们就可以得到电阻的阻值。实际测量时,由于电压表内阻的分流及电流表内阻的分压不可避免地存在,因此我们需要根据测量电阻阻值的不同,适当地进行实验电路的设计,以尽量减小电压表内阻的分流及电流表内阻的分压给测量带来的系统误差。常见的连接方式有“电流表内接”和“电流表外接”两种。为了实现实验中对电压 U及电流强度I的调节,电路中还需要接入滑动变阻器,可以采用“串联的限流式”和“并联的分压式”。

  根据上述分析,不难看出实验可以参考的电路有以下4种组合,即“限流内接”“限流外接”“分压内接”“分压外接”。围绕这4 种实验方案的探究,构成了此次学习活动的问题中心。4 种方案是并列的关系,所以都可以作为学习活动的起始问题,不会影响学习活动的质量。教师可以提出“如何根据提供的实验器材测量待测电阻的阻值”这样的问题,让学生自由选择参与学习活动的切入口,在“自行设计方案”“评估他人方案”“总结一般规律”这样的程序引导下,达到实现相同的学习效果的目的。可以说,这是一种殊途同归的非线性教学设计方法的有益尝试。

  设计意图:非线性的教学设计打破了传统教学设计中学习活动单向的线性进程,这样的教学设计更适合在网络环境下完成,因为非线性的过程恰恰是网络环境的特性所在,也可以说网络环境为非线性的教学设计提供了可靠的技术保障。非线性教学设计更突出了学生在学习活动中的主体地位。案例中只提供了学生要完成的任务,没有提供一条固定的学习路径。每个学生的学习活动进程完全掌控在自己的手中,他对问题理解的对错都真实地反映在他提交的学习作品(设计的电路方案)上,这样实际上是用网络这一特殊的工具记录学生思维发展、变化的过程。仿真实验室软件是学习活动展开的舞台:在开发的电路设计环境中,只提供问题涉及的基本元器件,学生可以通过鼠标简单操作,完成自己的设计。

  (三)实验探究模式——以“探究自由落体运动规律为例”

  以下是课堂教学的实录片段。

  师:用几何画板预先构造了一个Y=KXn的函数。将设定的参数K、n加以调节,请学生看大屏幕上函数图像的相应变化。当n=2 时,是什么函数?

  生:二次曲线中的抛物线。

  师:下面请学生们将刚才记录的实验数据公布出来,老师利用几何画板中的“画点”功能,将实验数据描绘出来。

  学生大声通报6组实验数据。描绘的过程如图4所示。

  师:将上述构造的函数与描绘的点进行拟合:当调节K值为4.9、n值为2时,函数曲线与数据点拟合得最理想,如图4 所示。请学生们思考:拟合的结果能说明自由落体运动的规律吗?

  图4实验数据描绘

  生:能。拟合中可以看出n值为2,说明自由落体运动的规律符合二次曲线中的抛物线。也就是说下落高度与所用时间的平方成正比。

  师:谁能说出匀变速运动的位移公式?

  生:匀变速运动位移公式S=1/2at2。

  师:将上述拟合中得到的规律与匀变速运动位移公式S=1/2at2对比,能得到什么结论?

  生:(经过讨论)可以得到K=4.9=1/2a,所以a=9.8m/s2。

  设计意图:如何将实验中的数据进行定量分析从而得出自由落体运动的规律,是本次探究性活动的重点和难点,特别是在限定的课堂教学时间里进行定量计算一直是一个瓶颈。为此,本环节充分利用几何画板“数形结合”的强大功能,采用“动态拟合”的方法达到了上述目的。高中阶段物理学科的探究性教学活动的开展,往往是针对比较复杂的问题情境,要在定量的水平上实现对规律的探索就更不易实现。本次教学公开活动采取了一种将真实实验与几何画板软件有机结合,实现探究性学习活动的方法,其中自制的教具构思独特,几何画板开发课件的运用巧妙,是一次信息技术与物理课程巧妙整合的独特案例。

  (四)微视频辅助模式——以“探究小车速度随时间变化的关系”为例

  笔者拍摄了汽车速度计上真实的速度数据的视频素材:汽车从启动到速度达60km/h整个过程中速度计指针的变化情况,在达到60km/h 后保持行驶一段时间,同时也就说明了匀速运动的情况。由于视频播放过程中可以随时暂停,这样通过自拍的这段视频我们就可以获取汽车实际运动过程中的瞬时速度,而对应的时刻可以通过播放器的播放头的位置显示出来,在此基础上我们就可以用“描点、连线”的方式建立汽车运动的速度图像,从而探究汽车的运动规律。

  设计意图:自拍的视频短片虽然缺少一些专业性的技巧,但对于教学活动来讲,这种与课程紧密结合的原生态资源也许更有魅力。同时高一是从初中物理到高中物理的过渡性学习阶段,保持对物理学科学习的兴趣是实现平稳过渡的很重要的一个因素,笔者在教学中就特别注意时时激发学生对学习物理的兴趣。

  上述4种模式的案例具有一定的典型性,背后蕴含着一些可以归纳的一般原则。

  其一,物理是一门以实验为基础的学科,但有时限于条件,某些特殊的物理现象、概念、规律等无法用实验来探究,此时用数字化技术开发的资源就有了用武之地。当然,还应特别关注这些虚拟情景的科学性、可探性。

  其二,在深度学习活动开展过程中,数字化技术可以运用在收集实验数据、分析数据特征、拟合问题规律等环节,让深度学习过程中学生的思维过程、思维的当下状态、思维的逻辑深度、思维的动态变化等得到简单有效的技术支撑。几何画板的数形结合功能非常值得推荐。

  其三,“伏安法测电阻”实现了基于网络的一种学习活动的开展,学习目标是学习的起点,也是评价学习成效的终点。每个学习者的学习起点有差异,在预设的学习目标的引导下,可以走过不同的学习路径、采用不同的学习方法、经历不同的思维碰撞,最终所要达到的学习成效可以通过学习目标来评价。学习目标要贯穿始终!

  网络环境还是实现数据共享的一种简单实用的数字化技术。在另一个“单摆”案例中,每个学生通过实验独立获得实验数据,再用网络共享学伴间数据,进一步探究了单摆的运动规律。这样的设计实现了基于真实实验的深度学习,实现了个体学习与群体学习的有机结合。

  (作者系江苏省常熟市教师发展中心副主任、特级教师)

  责任编辑:祝元志

欢迎投稿
投稿平台

https://bkstg.pep.com.cn

联系信箱

mouyn@pep.com.cn

sunjh@pep.com.cn

zhuyz@pep.com.cn

欢迎加入QQ群
与编辑互动
合作伙伴