基于深度学习的科学探究设计

摘要

在深度学习理论下，以“自感”实验为例，从科学探究的4个层次：“感知体验，发现问题；理论分析，提出猜想；实验探究，交流质疑；推理分析，提炼核心”，构建深度学习下的实验教学设计策略，体现了学为中心的教学理念，促进了学生核心素养的养成和发展。

Graphical abstract

关键词

深度学习 / 科学探究 / 自感实验 / 自感电动势

“科学探究”是物理学科核心素养的一个重要维度，也是一种重要的教学形式，它基于观察和实验提出物理问题，形成猜想和假设，设计实验与制订方案，获取和处理信息，基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思，主要包括问题、证据、解释、交流等要素^［1］。但在实际的教学中，探究教学往往存在耗时久、组织难度大、教学设计要求高等问题，不少探究教学活动流于形式，学生参与度不高，思维的深度不够，缺乏严谨的推理和论证，达不到探究教学的高目标。

“深度学习”是美国学者Ference Marton和Roger Saljo在1976年提出的，深度学习的特征具体体现在：认知深度，即高阶思维的运用；参与深度，即积极主动地参与；目标深度，即通过学习实现知识的理解迁移，发展批判性、创造性思维^［2］。深度学习是指学生在教师的引领下，围绕具有挑战性的学习主题，全身心地积极参与，并从中体验成功、获得发展的一种有意义的学习过程^［3］。而探究教学是以问题为导向，在体验中发现问题并提出猜想，通过实验寻找证据，给出解释，最终通过交流讨论提升能力的过程，这与深度学习的特征相契合。笔者以“自感”的一个课后小实验为载体，探索基于深度学习的实验探究。

1 感知体验，发现问题

通过精心设计的实验让学生感知体验，造成对某个问题的“认知冲突”，学生产生主动探究的动力，注意力处于最集中最活跃的状态，进而萌发问题意识并提出相应的探究问题。例如，在完成“自感”教学内容后，向学生展示一个课外小实验，用自感线圈（镇流器）和两节干电池连成串联电路（图1）。

教师先提出一个问题：电键闭合时，ab两端电压会超过3 V吗？学生根据所学的自感知识，认为ab两端会产生自感电动势且大于3 V。然后教师请学生上台亲身验证，让学生手握ab处，教师闭合电键，学生并未感受到触电。学生会感到疑惑，难道电键闭合时没有产生自感电动势？再请一位学生上台，同样手握ab处，教师在操作时闭合电键后又马上断开，学生有触电状态。教师接着质疑：相同电路为什么有不同结果？并组织学生讨论，学生会得到两个结果：①两学生电阻不同；②两学生对电压耐受感不一样。

教师再次安排实验（图2），让刚才两位学生一起手拉手做实验，教师在闭合电键后马上断开，两位学生同时出现触电状态。教师总结：实验结果与人的电阻无关。引导学生分小组再次探究原因。学生通过分组实验后发现了秘密：与教师的操作有关，闭合电键时无感觉，断开时才有触电的感觉。

2 理论分析，提出猜想

猜想过程是学生重要的思维过程，在分析的基础上，引导学生从已有的知识去定量、准确地探寻现象的本质。将探究的实际情境转化为常见的物理问题，一部分学生首先会想到画出图3的电路图，从自感电动势的产生和影响其大小的因素去思考。在这个过程中，学生会在新旧知识间建立联系，增强知识迁移能力。

师：闭合电键时“无感觉”是不是没有产生自感电动势？

生：闭合电键，电流从无到有，一定会产生电动势。

师：“闭合”与“断开”时电动势为什么相差这么大？

学生讨论：由E=L\frac{\mathrm{\Delta }I}{\mathrm{\Delta }t}可知，相同的电路在闭合与断开过程中电流变化相同，但断开时电流变化时间短，电动势大。猜想：断开时电流变化时间比闭合时短得多。

3 实验探究，交流质疑

在猜想的基础上进行实验探究，是让学生在真实情境中发现问题并试图去解决问题的过程。每个问题都是新的挑战，每一步骤都需要学生深入思考，注重知识的迁移，不断进行交流与质疑，让学生获得深入有效的探究体验。

师：请设计一个实验来证明你的猜想，除上述器材外还需要什么？

生：电流表和秒表。

教师在电路中接入电流表，闭合和断开电键，学生用秒表记录电流变化时间。多次测量取平均值：闭合时\overline{\mathrm{\Delta }}{t}_{\mathrm{1}}=\mathrm{0.38}\mathrm{s}，断开时\overline{\mathrm{\Delta }}{t}_{\mathrm{2}}=\mathrm{0.39}s。

师：电流变化的时间相差不大，那为什么自感电动势相差这么大？请从电表原理去思考，你记录的是通电时间吗？

生：是指针摆动的时间，不是通电和断电时间。

师：那有没有其他器材可以精确记录电流随时间变化？

生：传感器。

教师按图4接好电路，并完成实验，得到图5的I-t图象。

师：从图5可以精确得到闭合和断开时电流变化时间\mathrm{\Delta }{t}_{\mathrm{1}}和\mathrm{\Delta }{t}_{\mathrm{2}}，能算出E_{\mathrm{1}}^{}和E_{\mathrm{2}}比值吗？

生：\frac{E_{\mathrm{1}}}{E_{\mathrm{2}}}=\frac{\mathrm{\Delta }{t}_{\mathrm{2}}}{\mathrm{\Delta }{t}_{\mathrm{1}}}=\frac{\mathrm{4}}{\mathrm{3}}。

师：请思考为什么与实际感受到的电压不同？

4 推理分析，提炼要点

当学生思维陷入巨大矛盾中时，教师应重新梳理整个探究过程，引导学生从出现的实验现象和物理量间寻找关系，从学生已有的知识体系入手，通过推理分析，挖掘内在的逻辑本质，强化物理概念的理解，扩展概念体系内涵，实现深度学习。

师：自感是一种电磁感应现象，当电路中电流增大时，自感电动势与原电流方向如何？起什么作用？自感电动势与电源电压什么关系？

生：自感电动势与原电流方向相反，阻碍电流增大。E_{\mathrm{自}}＜E，怪不得闭合电键时无感觉。

师：当电路中电流减小时，自感电动势与原电流方向又如何？起什么作用？

生：自感电动势与原电流方向相同，阻碍电流减小。

师：电键断开瞬间，回路中电流从最大值I₀逐渐减小，若此时回路中电阻为R，那自感电动势多大？

生：E_{\mathrm{自}}=I₀R。

师：断开后回路的电阻无穷大，这瞬间E_{\mathrm{自}}>>E。

生：（恍然大悟）那E=L\frac{\mathrm{\Delta }I}{\mathrm{\Delta }t}有错吗？

师：E=L\frac{\mathrm{\Delta }I}{\mathrm{\Delta }t}中的E是平均电动势还是瞬时值？

生：平均电动势。

师：自感系数L越大，回路中电流变化快慢如何？

生：L越大，电流变化越慢，电流变化时间越长。

师：L越大，\mathrm{\Delta }t也越大，由E=L\frac{\mathrm{\Delta }I}{\mathrm{\Delta }t}能否判断E的大小？

生：不能。

师：电路中E、I是不断变化的，但在某一时刻的大小是确定的，它们应该遵循什么规律？

生：欧姆定律。（异口同声）

小结：将动态变量转化为不变量进行处理是物理学中的一种重要方法。求解自感电动势的峰值与平均电动势的方法有所不同。峰值与自感系数L的大小无关，仅取决于回路中的电流和电阻。在课堂上进行了定性分析，具体的推导过程学生可以自行查找相关资料（涉及微积分知识，课堂上不展开）。

5 结语

整个探究活动像是一部情节曲折、高潮迭起的悬疑剧：学生首先通过感知体验，发现通电和断电时自感电动势的差异，进而引导他们运用自感电动势的知识分析原因并提出猜想，然后进行实验探究获取证据，又出现新的疑问，再进行推理分析，交流提炼，厘清了平均电动势与瞬时电动势的关系，以及定性分析了影响它们大小的因素。学生在一次次的质疑、探究和释疑中，经历了深度学习的过程，体验了成功并获得了发展。这一过程基于事实证据和科学推理，对不同观点和结论提出疑问和批判，进行检验和修正，进而培养了学生提出创造性见解的能力与品格。在深度探究过程中，学生养成了严谨认真、实事求是的科学态度，体现了“学为中心”的教学理念，促进了学生核心素养的养成和发展。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020.

[2] 郑东辉.促进深度学习的课堂评价：内涵与路径［J］.课程·教材·教法，2019，39（02）：59-65.

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