深度學(xué)習(xí)作為人工智能領(lǐng)域的重要分支，已經(jīng)在眾多領(lǐng)域取得了顯著的成果。然而，將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于教育領(lǐng)域，尤其是在初中物理建模教學(xué)中的探索仍然相對(duì)有限。物理建模作為一種重要的科學(xué)方法，可以幫助學(xué)生更好地理解物理現(xiàn)象和原理。本文以“變阻器”建模為例，探討如何在初中物理教學(xué)中融入深度學(xué)習(xí)技術(shù)，以提升學(xué)生的建模能力和物理素養(yǎng)。深度學(xué)習(xí)視角下的初中物理建模教學(xué)設(shè)計(jì)，旨在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和科學(xué)探究能力，為我國(guó)培養(yǎng)更多具有科學(xué)素養(yǎng)的人才奠定基礎(chǔ)。

一、教學(xué)目標(biāo)

（一）物理觀念目標(biāo)

1.了解變阻器的原理和工作特點(diǎn)：通過(guò)課堂講解、實(shí)驗(yàn)觀察和實(shí)例分析，學(xué)習(xí)變阻器的基本工作原理，包括其如何通過(guò)改變接入電路中的電阻線長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)電阻，以及如何影響電路中的電流和電壓。識(shí)別不同類型的變阻器，并解釋它們?cè)诟鞣N電子設(shè)備和日常生活中的應(yīng)用。

2.掌握歐姆定律及其在實(shí)際問(wèn)題中的應(yīng)用：復(fù)習(xí)歐姆定律的內(nèi)容，包括電壓（U）、電流（I）和電阻（R）之間的關(guān)系（U=IR）。通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)際案例分析，學(xué)會(huì)如何使用歐姆定律來(lái)計(jì)算電路中的未知量，以及如何解決實(shí)際問(wèn)題，如電流表和電壓表的使用、電路功率計(jì)算等。

3.學(xué)會(huì)構(gòu)建變阻器模型并預(yù)測(cè)分析：了解深度學(xué)習(xí)的基本概念，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）等。通過(guò)編程實(shí)踐和案例研究，掌握如何使用深度學(xué)習(xí)框架（如TensorFlow或PyTorch）來(lái)構(gòu)建、訓(xùn)練和測(cè)試變阻器模型，以及如何利用這些模型進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。

（二）科學(xué)思維目標(biāo)

1.通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)觀察變阻器在不同電阻值下的電流和電壓變化，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析來(lái)識(shí)別其中的規(guī)律。這個(gè)過(guò)程將培養(yǎng)學(xué)生的觀察力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析能力，以及提出科學(xué)問(wèn)題并尋找解決方案的能力。

2.通過(guò)歐姆定律和物理建模方法來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題，如設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的調(diào)光電路。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生不僅能夠應(yīng)用所學(xué)的物理知識(shí)，還能夠發(fā)揮創(chuàng)新思維，設(shè)計(jì)新的解決方案。

3.通過(guò)深度學(xué)習(xí)技術(shù)分析變阻器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從中發(fā)現(xiàn)隱藏的規(guī)律，并建立預(yù)測(cè)模型。這個(gè)過(guò)程將培養(yǎng)學(xué)生的高級(jí)數(shù)據(jù)分析能力，以及將現(xiàn)實(shí)世界問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型的能力。

（三）科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任目標(biāo)

1.通過(guò)引入有趣的物理現(xiàn)象和實(shí)際應(yīng)用案例，以及鼓勵(lì)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)和探索活動(dòng)，激發(fā)學(xué)生對(duì)物理學(xué)科的好奇心和興趣，從而增強(qiáng)他們學(xué)習(xí)物理的內(nèi)在動(dòng)力。

2.通過(guò)小組討論、協(xié)66b67384e70584b2f4011530197b85ab1015a2752009d90ba253c7e784e8afef作實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目工作，學(xué)會(huì)與他人合作，并提高在團(tuán)隊(duì)中的溝通和協(xié)作能力。

3.通過(guò)討論深度學(xué)習(xí)技術(shù)在科學(xué)研究和工業(yè)中的應(yīng)用，以及物理知識(shí)在日常生活中的重要性，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注科技發(fā)展，并認(rèn)識(shí)到物理學(xué)的實(shí)際價(jià)值。

二、教學(xué)重難點(diǎn)

（一）概念理解的深度與廣度

深度學(xué)習(xí)要求學(xué)生不僅理解物理概念的字面意思，還要理解其背后的物理原理和哲學(xué)思想，以及概念間的聯(lián)系。

（二）建模方法的抽象與轉(zhuǎn)化

在“變阻器”建模的例子中，理解變阻器的工作原理，并將其抽象成數(shù)學(xué)模型。這種抽象和轉(zhuǎn)化的能力是深度學(xué)習(xí)的核心。

（三）數(shù)據(jù)處理與分析能力

深度學(xué)習(xí)涉及大量數(shù)據(jù)的處理和分析。學(xué)生需要收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并利用數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行處理，提取有用信息。

（四）問(wèn)題解決的策略與創(chuàng)新

深度學(xué)習(xí)鼓勵(lì)學(xué)生在面對(duì)復(fù)雜物理問(wèn)題時(shí)，能夠提出多種解決方案，并通過(guò)建模來(lái)驗(yàn)證這些方案的可行性。

（五）跨學(xué)科知識(shí)的整合與應(yīng)用

物理建模往往需要其他學(xué)科的知識(shí)支持，如數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等。學(xué)生需要整合這些知識(shí)，并應(yīng)用到物理建模中。

（六）團(tuán)隊(duì)合作與交流

深度學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)合作，學(xué)生需要在團(tuán)隊(duì)中發(fā)揮自己的專長(zhǎng)，同時(shí)學(xué)會(huì)傾聽(tīng)和接受他人的意見(jiàn)，進(jìn)行有效的溝通、交流。

三、教學(xué)過(guò)程

（一）知識(shí)導(dǎo)入

教學(xué)目的：

（1）引起學(xué)生對(duì)變阻器的興趣，理解其在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用。

（2）建立學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象與數(shù)學(xué)模型之間聯(lián)系的認(rèn)識(shí)。

（3）初步介紹深度學(xué)習(xí)及其在物理建模中的應(yīng)用。

在導(dǎo)入環(huán)節(jié)，教師可以通過(guò)多種方式來(lái)激發(fā)學(xué)生的興趣和好奇心。例如，教師可以通過(guò)多媒體演示或?qū)嵨镎故緛?lái)呈現(xiàn)變阻器在不同設(shè)備中的應(yīng)用場(chǎng)景，如調(diào)節(jié)臺(tái)燈亮度、電子設(shè)備的音量調(diào)節(jié)、電位器在音樂(lè)合成器中的使用等。這些生動(dòng)的例子能夠讓學(xué)生直觀地感受到變阻器在日常生活中的重要性。

在提出問(wèn)題之前，教師可以引導(dǎo)學(xué)生觀察和思考這些設(shè)備調(diào)節(jié)亮度或音量的過(guò)程，鼓勵(lì)學(xué)生分享他們的觀察和體驗(yàn)。例如，學(xué)生可能會(huì)提到旋轉(zhuǎn)調(diào)光開(kāi)關(guān)或調(diào)節(jié)音量按鈕時(shí)，光線亮度或音量的變化是連續(xù)的，而不是突變的。這樣的觀察為引入變阻器概念提供了實(shí)際的背景。

教師接著總結(jié)學(xué)生觀察到的這些現(xiàn)象，并正式引入變阻器的基本概念，解釋變阻器是如何通過(guò)改變連入電路的電阻線長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)電路中的電流和電壓的。在這一過(guò)程中，教師可以強(qiáng)調(diào)變阻器在控制電路性能方面的靈活性和重要性。

隨后，教師提出本節(jié)課的任務(wù)，即通過(guò)深度學(xué)習(xí)建立一個(gè)變阻器的數(shù)學(xué)模型，用以預(yù)測(cè)不同電阻值下的電流和電壓變化。在這個(gè)過(guò)程中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生討論深度學(xué)習(xí)在物理建模中的作用，讓學(xué)生理解深度學(xué)習(xí)是如何從大量的數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)到復(fù)雜的模式，并將這些模式轉(zhuǎn)化為可以解釋和預(yù)測(cè)物理現(xiàn)象的模型的。

教師還可以引導(dǎo)學(xué)生思考物理現(xiàn)象與數(shù)學(xué)模型之間的關(guān)系，討論如何將物理定律和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)模型。通過(guò)這樣的導(dǎo)入，學(xué)生不僅對(duì)變阻器的物理原理產(chǎn)生了興趣，還對(duì)深度學(xué)習(xí)在物理建模中的應(yīng)用有了初步的認(rèn)識(shí)，為后續(xù)的建?；顒?dòng)打下基礎(chǔ)。這種教學(xué)方式不僅能夠提升學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，還能夠幫助他們?cè)诂F(xiàn)實(shí)世界的物理問(wèn)題中建立有效的解決策略。

（二）變阻器原理講解

1.變阻器的結(jié)構(gòu)：變阻器由一個(gè)可調(diào)節(jié)的電阻元件構(gòu)成，這個(gè)元件是可移動(dòng)的滑動(dòng)觸點(diǎn)或者可轉(zhuǎn)動(dòng)的旋鈕。電阻元件的兩端連接著一個(gè)固定的電阻體，而調(diào)節(jié)部分可以在這個(gè)電阻體上移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，改變與電阻體接觸的位置，從而改變整個(gè)電阻器的電阻值。變阻器的外部通常由一個(gè)旋鈕或滑塊、刻度盤(pán)和連接線組成，方便用戶進(jìn)行調(diào)節(jié)和測(cè)量，具體情況如圖1所示。

2.工作原理：變阻器的工作原理，即基于電阻的變化影響電路中的電流或電壓。當(dāng)調(diào)節(jié)電阻器時(shí)，改變了電路中的總電阻，從而影響了電路的電流或電壓。變阻器的電阻值可以通過(guò)調(diào)節(jié)電阻元件的位置來(lái)改變，當(dāng)電阻值增大時(shí)，電路中的電流減小，反之亦然。電阻的變化可以用來(lái)調(diào)節(jié)電路中的某些特性，如調(diào)節(jié)燈光的亮度、電機(jī)的轉(zhuǎn)速等。

3.電阻的概念：引導(dǎo)學(xué)生理解電阻是電路中阻礙電流流動(dòng)的性質(zhì)，用歐姆（Ω）作為單位來(lái)表示。電阻值越大，電路中通過(guò)的電流越??；電阻值越小，電路中通過(guò)的電流越大。變阻器的電阻值可以從幾歐姆到幾百、幾千歐姆不等，根據(jù)不同的需求選擇不同電阻值范圍的變阻器。

4.變阻器在電路中的位置和作用：變阻器通常被連接在電路的某個(gè)關(guān)鍵位置，例如，串聯(lián)在電路中的特定部位，或者作為電路的負(fù)載部分。通過(guò)調(diào)節(jié)變阻器的電阻值，可以調(diào)節(jié)電路中的電流、電壓或功率等參數(shù)，控制和調(diào)節(jié)電路特性。在電路設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)中，變阻器被用來(lái)調(diào)節(jié)電路中的燈光亮度、電機(jī)的轉(zhuǎn)速、聲音的大小等，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

（三）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

教學(xué)目的：

（1）讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)理解歐姆定律的實(shí)際應(yīng)用。

（2）培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)方法分析物理現(xiàn)象的能力。

（3）為深度學(xué)習(xí)建模提供實(shí)際數(shù)據(jù)支持。

教師引導(dǎo)學(xué)生回顧實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，確保學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)步驟和目的。學(xué)生分組，每組分配電阻器、電流表、電壓表和電源等實(shí)驗(yàn)器材。每組學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求連接電路，并將電阻器的阻值調(diào)到指定值。記錄不同電阻值下的電流和電壓數(shù)據(jù)，具體如表1所示。

教師引導(dǎo)學(xué)生使用Excel表或其他圖表工具繪制電流-電壓關(guān)系圖。例如，在Excel表中，學(xué)生可以選擇“插入”到“散點(diǎn)圖”來(lái)創(chuàng)建散點(diǎn)圖，并將電阻值和對(duì)應(yīng)的電流、電壓數(shù)據(jù)輸入對(duì)應(yīng)的單元格中。學(xué)生觀察圖1，發(fā)現(xiàn)電流和電壓之間近似成線性關(guān)系。教師要讓學(xué)生嘗試用歐姆定律來(lái)解釋這些關(guān)系，即在給定的電阻值下，電流和電壓成正比。教師提出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能存在的誤差，如測(cè)量?jī)x器的精度、連接電路時(shí)的接觸電阻、實(shí)驗(yàn)操作的誤差等。學(xué)生分析誤差來(lái)源，并提出改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法的建議，如使用更精密的測(cè)量?jī)x器、確保電路連接良好、多次測(cè)量取平均值等。教師強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)分析在物理建模中的重要性，并預(yù)告下一步將使用深度學(xué)習(xí)進(jìn)行建模。通過(guò)這樣的教學(xué)活動(dòng)，學(xué)生不僅能夠掌握運(yùn)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的方法，還能夠理解深度學(xué)習(xí)建模的概念，并認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)于建模的重要性。

（四）建模訓(xùn)練

為了讓學(xué)生掌握深度學(xué)習(xí)的基本概念和建模方法，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用深度學(xué)習(xí)技術(shù)解決物理問(wèn)題的能力，加深學(xué)生對(duì)變阻器工作原理的理解，并能在實(shí)際問(wèn)題中應(yīng)用，教師需要回顧實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和歐姆定律的應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)深度學(xué)習(xí)在物理建模中的作用，介紹深度學(xué)習(xí)的基本概念，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、激活函數(shù)、損失函數(shù)和優(yōu)化算法等。學(xué)生跟隨教師的指導(dǎo)，使用編程環(huán)境（如Python）和深度學(xué)習(xí)庫(kù)（如TensorFlow或PyTorch）來(lái)構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。學(xué)生將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型，進(jìn)行模型訓(xùn)練，調(diào)整模型參數(shù)以提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

教師引導(dǎo)學(xué)生理解模型訓(xùn)練過(guò)程中的各個(gè)步驟，包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型設(shè)計(jì)、訓(xùn)練、驗(yàn)證和測(cè)試。學(xué)生進(jìn)行模型訓(xùn)練，并使用驗(yàn)證集來(lái)調(diào)整模型參數(shù)。教師組織學(xué)生展示模型，討論模型的預(yù)測(cè)結(jié)果，并分析模型的優(yōu)缺點(diǎn)。學(xué)生提出改進(jìn)模型的建議，并討論如何在實(shí)際問(wèn)題中應(yīng)用深度學(xué)習(xí)建模。

教師：同學(xué)們，今天我們來(lái)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)建模的訓(xùn)練。首先，我們回顧一下利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和歐姆定律的應(yīng)用，以及深度學(xué)習(xí)在物理建模中的重要性。

學(xué)生：老師，我們分析了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但現(xiàn)在我們要怎么用深度學(xué)習(xí)來(lái)建模呢？

教師：深度學(xué)習(xí)建模主要涉及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它是深度學(xué)習(xí)的核心。我們將使用Python和一個(gè)流行的深度學(xué)習(xí)庫(kù)來(lái)進(jìn)行建模。首先，我們需要了解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)，如輸入層、隱藏層和輸出層，以及如何通過(guò)激活函數(shù)來(lái)引入非線性。

學(xué)生：聽(tīng)起來(lái)很復(fù)雜，我們真的能做這個(gè)嗎？

教師：當(dāng)然可以！首先，我們需要導(dǎo)入必要的庫(kù)，然后定義一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。在這個(gè)過(guò)程中，我們會(huì)用到損失函數(shù)來(lái)衡量預(yù)測(cè)值和真實(shí)值之間的差異，并用優(yōu)化算法來(lái)調(diào)整模型參數(shù)，以達(dá)到損失最小化。損失函數(shù)的具體計(jì)算公式如式（1）所示：

其中，θ代表模型參數(shù)，xi代表輸入數(shù)據(jù)，yi代表真實(shí)輸出數(shù)據(jù)，m代表數(shù)據(jù)集大小。

學(xué)生：明白了，那我們開(kāi)始吧！

通過(guò)這樣的教學(xué)活動(dòng)，學(xué)生能夠親自參與深度學(xué)習(xí)建模的過(guò)程，從而更好地理解和掌握這一技術(shù)，并將其應(yīng)用于解決物理問(wèn)題。

（五）模型預(yù)測(cè)與分析

教學(xué)目的：

（1）引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)實(shí)際測(cè)量和模型預(yù)測(cè)的對(duì)比來(lái)理解變阻器的行為。

（2）培養(yǎng)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，識(shí)別和解釋差異的能力。

（3）引導(dǎo)學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)誤差來(lái)源，并學(xué)習(xí)如何減少這些誤差。

教師要引導(dǎo)學(xué)生回顧變阻器的理論概念、工作原理以及電路基本定律（如歐姆定律）。學(xué)生利用訓(xùn)練好的模型對(duì)新的輸入電壓進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行比較，具體情況如表2所示。教師要和學(xué)生分析模型的預(yù)測(cè)效果，包括評(píng)估指標(biāo)的計(jì)算和誤差分析等，引導(dǎo)學(xué)生討論模型的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出改進(jìn)建議。

分析每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的差異，討論造成這些差異的因素，如設(shè)備的精確度、操作失誤等，探討如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法和設(shè)備以獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，討論如何調(diào)整模型以更好地符合實(shí)際情況，如考慮溫度對(duì)變阻器阻值的影響。教師要鼓勵(lì)學(xué)生思考變阻器在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用，例如，調(diào)節(jié)燈光亮度或者音量大小。通過(guò)以上教學(xué)活動(dòng)，學(xué)生不僅可以加深對(duì)變阻器工作原理的理解，還能提高實(shí)驗(yàn)技能和數(shù)據(jù)分析能力，同時(shí)培養(yǎng)批判性思維和創(chuàng)新能力。

四、總結(jié)與展望

本文以“變阻器”建模為例進(jìn)行了一系列實(shí)踐和總結(jié)。未來(lái)將繼續(xù)深入研究深度學(xué)習(xí)理論，尋找更多與實(shí)際生活緊密相連的物理現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)建模方法進(jìn)行探究，以提高教學(xué)的吸引力和有效性。同時(shí)，將探索與其他學(xué)科的交叉融合，如數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)等，以培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。此外，加強(qiáng)教師的專業(yè)培訓(xùn)，提升學(xué)生對(duì)深度學(xué)習(xí)和建模教學(xué)的理解和實(shí)踐能力，將是教育者的重要工作。最后，期待通過(guò)跨區(qū)域、跨學(xué)校的教學(xué)交流與合作，共享優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，推動(dòng)我國(guó)初中物理教學(xué)水平的整體提升。

（作者單位：山東省菏澤市牡丹區(qū)實(shí)驗(yàn)中學(xué)）

編輯：溫雪蓮