深度学习视域下创新实验设计与实践

摘要

以“西瓜甜度声学特性无损检测技术研究”为例，在深度学习视域下开展创新实验设计与实践。实验设计融合了五大理念：通过创设真实情境，激发学习动机；围绕甜度无损检测的核心技术问题发展高阶思维；整合跨学科知识，支持学生自主建构知识体系；设计科学探究实验培养探究能力；采用表现性评价促进学生深度反思。实践结果表明，该实验设计不仅有效提升了学生的探究实践能力、创新能力和高阶思维能力，还为西瓜甜度无损检测技术提供了基于深度学习的优化方案，验证了创新实验设计的有效性。

Graphical abstract

关键词

深度学习 / 创新实验 / 高阶思维 / 真实情境 / 学习策略

深度学习是美国学者马里恩和罗杰于1976年根据布卢姆认知维度层次划分理论创新提出的关于学习层次的概念^［1］。深度学习是一种关注解决复杂问题所需要的核心知识和高阶思维能力，学习者能够应用批判性思维和创新思维主动构建、迁移、深度理解并学习新知识，解决实际问题的学习方式^［2］。创新实验是学生经历真实的情境或生活经验，提出问题，作出合理猜想，自主创新设计实验、科学分析、验证理论与得出结论的一系列的科学探究过程，能够激发学生的创新思维，提高综合问题解决能力和创新实践能力。笔者以“西瓜甜度声学特性无损检测技术研究”创新实验为例，探讨深度学习视域下创新实验的设计与实践。

1 关注真实情境创设，激发学习动机

深度学习是学生主动参与知识建构的行为和满足求知乐趣的内在需求。内在动机是学习活动的基础与动力。在开展创新实验时，在真实的情境中激发学生认知冲突，并提出有趣味性、创新性和有探究价值的问题，引发学生深度思考，激发探究学习的内在动机。

创设情境：创设“购买西瓜”生活情境，西瓜商贩、顾客在挑选西瓜时，会用手指敲击西瓜，如果发出“砰砰”的低沉声音，说明是成熟的西瓜；如果发出“当当”的清脆声音，说明是未成熟的西瓜，如果发出“噗噗”的浑浊声，则是过熟的西瓜。源于生活的情境容易引起学生的探究兴趣，提出问题：“并不是所有人都能够通过听声音这种主观经验去判断西瓜的成熟程度，那是否有更为简单、易于掌握的方法挑选西瓜呢？”教师进一步提问引发学生深度思考：“声音是由振动产生的，有响度和音调的特征，然而，用力敲击西瓜，响度就大，轻轻敲击西瓜，响度就小，因此响度不能作为西瓜甜度的判断标准。是否可以用音调的高低作为评判的依据呢？”

2 关注解决核心问题，发展高阶思维

浅层学习关注解决浅显问题所需要的基本知识与技能，通常表现为“记忆、理解和简单应用”。根据马扎诺学习维度框架，深度学习视域下的创新实验关注解决核心问题，即发生在较高认知、态度、心智习惯水平层次上的高阶实验策略，包含问题解决、创见、决策、实验、调研与系统分析6个维度，借助比较、分类、抽象、归纳、演绎与推理等高阶思维获取和整合知识、扩展和精炼知识，以发展学生问题解决能力、逻辑思维能力、创新思维能力、批判性思维能力。如图1所示，本次实验的核心问题为西瓜甜度声学特性无损检测技术。

3 关注整合学习内容，学生自主建构知识

浅层学习的学习内容多为单学科、零散孤立的事实或概念，问题浅显；学生的学习方式也多为被动接受与机械记忆。而深度学习视域下的创新实验则注重整合学习内容，将具有内在联系的新旧知识与学生已有经验相融合，设计真实问题，引导学生经历主动加工、构建、迁移与应用知识的完整过程。学生在创新实验过程中，通过实验现象与数据获取信息，并通过分析、比较、解释等方法将信息转化为相应认知，促进学习者对知识的深度理解与长期记忆，实现知识的自主建构。如在“西瓜甜度声学特性无损检测技术研究”的创新实验中，整合西瓜甜度的测量生物学知识、西瓜敲击频率测量的物理学知识以及相关分析、一元线性回归的数学知识，学生可在实验过程中实现自我知识的建构与解决复杂问题能力的提升。内容建构如图2所示。

4 关注探究能力培养，科学设计探究实验

“勇于探究”是学生需重点发展的核心素养之一，“实验探究”“科学探究”“实验探究与创新意识”是学生学科素养发展程度的重要标志。引导学生深度学习是发展该核心素养的重要手段。如表1所示，学生在设计探究实验的过程中，经历思考实验目的、实验原理、实验器材、实验方法设计、实验结果分析、实验结论一系列的过程，既能够内化成学生知识结构中的程序性知识，又能提升学生的科学探究能力，还能发展学生的理性思维品质。

5 关注学习表现性评价，促进学生深度反思

深度学习注重学生的知识逐步加深，注重批判性思维与深度反思。通过关注学习过程中的表现性评价，持续及时反馈学生学习过程中的真实性，着眼于把握高阶认知能力，关注学习中思维发展的过程，通过开展多角度、多层次的表现评价，系统收集学习过程中的作品和记录，形成过程性评价。

5.1 表现性评价设计内容一：实验结果，数据整理

西瓜甜度检测结果、RIJOL DS1102E示波器和HZDH 多功能声速测定仪信号源频率检测结果、手机App频率检测结果分别如表2、表3、表4所示。

5.2 表现性评价设计内容二：实验数据分析

（1） 频率检测结果皮尔逊相关分析。

对RIJOL DS1102E示波器和HZDH多功能声速测定仪信号源频率检测结果与手机App频率检测结果进行皮尔逊相关分析，结果表明：实验室状态下检测设备与检测结果更加精密准确，而手机App检测结果易受环境影响，手机App的声音检测原理和软件开发过程并不清楚，无法明确手机App检测结果是否真实有效，因此应用统计学皮尔逊相关分析，分析手机App数据是否可靠。SPSS统计软件结果相关系数r=0.988，说明手机App测量的声音频率准确，可以作为测量的标准参考。

（2） 西瓜甜度与手机App频率检测结果线性回归模型的建立。

可以通过SPSS软件建立一元线性回归方程，设定西瓜甜度为自变量x，音调频率值为因变量y，一元线性方程为：y=1.871+0.032x，推测符合频率标准的频率测试范围（300.9～316.5 Hz）。实验数据通过SPSS建立的一元线性回归方程，直观呈现了西瓜甜度与频率的量化关系，学生可据此验证检测结果的合理性，分析误差来源，反思实验设计，促进知识迁移与批判性思维发展，实现从数据观察到实践应用的深度评价。

综上所述，“深度学习”视域下的创新实验设计与实践关注学生高阶思维发展，促进学生自主建构知识，注重探究能力培养，为提升学生核心素养课程建设提供一种新的思路与方法，值得每一位教师在教学过程中积极实践。

参考文献

[1] 王靖，崔鑫.深度学习动机、策略与高阶思维能力关系模型构建研究［J］.远程教育杂志，2018（06）：41-52.

[2] 蒋慧.马扎诺有效教学设计模式研究［D］.杭州：浙江大学，2018.

基金资助

江苏省教育科学“十三五”2020年度青年专项重点自筹课题“深度学习视野下实验探究教学的研究”(C-b/2020/02/06)