物理數字教材資源的設計及其應用價值

研發與應用物理數字教材資源的基礎是面向教學做好數字資源設計，分析教育屬性、技術屬性、出版屬性對資源設計的需求。筆者基于物理學科數字教材資源的體系和特點，分析其對提升探究能力、培養思維能力、增強對客觀世界的體驗等方面的價值，并對物理學科數字教材資源開發提出建議，以期促進資源與平臺的有效應用。

一、數字教材中資源的作用

隨著信息技術的發展以及教育信息化進程的推進，數字教材在基礎教育領域發揮基礎、核心作用的趨勢越發明顯。數字資源作為數字教材的核心組成部分，是信息化環境下教師教學和學生學習的必需品。師生應用數字資源有助于提升課堂效果、促進物理課程目標的達成。

首先，研發優質數字資源是《義務教育物理課程標準（2011年版）》（以下簡稱課標）要求的。課標倡導開發和使用豐富的多媒體教學資源，使物理課程的學科更生動、活潑、豐富多彩;《高中物理課程標準（2017年版）》強調，積極開發與利用數字媒體課程資源，指出數字媒體已成為物理學習的重要課程資源。優質數字資源是支撐課程教學的重要資源。

其次，以課標為依據設計紙質教材并輔以數字資源能更有效發揮價值。紙質教材中的教學實施建議方案是以非信息化教學環境為主設計的，難以滿足信息化環境下教與學的需求。開發適配的數字資源可以有力支持紙質教材的應用。

最后，數字資源是數字教材的支撐，數字教材基本功能就是為信息化教學環境提供基礎資源。數字教材的普及應用一定會對教學產生深刻影響。通常，變革的發生都是以點帶面、逐漸深入的。數字資源是當前教學方式與信息技術的連接點。從目前數字教材應用反饋情況來看，教師對數字教材的最大關注點在優質數字資源上，數字資源可能成為推進數字教材常態化應用的切入點。

因此，研究數字資源的設計對促進課程目標的達成，服務和提升紙質教材應用效果，推進數字教材落地應用等方面都有現實意義。

二、資源設計應考慮的關鍵問題

數字教材作為基礎教育現代化的核心內容資源，涉及三個方面的本質屬性，分別是教育屬性、技術屬性和出版屬性。開發者在設計數字資源時應充分考慮這些基本屬性對數字資源設計的要求。

（一）教育屬性對資源設計的要求

開發者應基于課標并按照新課程倡導的教學理念建設資源，從資源體系的建立，到具體資源的選點、設計、制作盡可能貫徹課標理念，不僅注重科學知識的傳授和技能的訓練，而且注重對學生學習興趣、探究能力和創新意識以及科學態度、科學精神方面的培養。同時，堅持教育學理論、心理學理論、學習理論：內容組織和呈現符合學科教學規律，符合不同學段學生認知特點。例如，義務教育階段通過創設較多的形象化的活動和情境，增強學生的感性認識，而高中階段則更注重理性探究和思考。

（二）技術屬性對資源設計的要求

教師、教材、學生是教學的三個基本要素。開發者在建設數字資源的過程中，應著力考慮哪些問題和困難可借助信息技術手段來解決，體現信息技術對教學的價值。紙質教材中有些內容可以通過信息技術手段優化呈現，這在設計數字資源時也應考慮。例如，教學過程中學生要耗費較多的時間認識、了解某些較復雜的儀器，紙質教材中的圖片很難全面展示，借助數字手段則可以動態化、全過程呈現，提高教學效果。設計數字資源時還要考慮哪些教學活動需要信息技術手段輔助。例如，針對實驗教學中的困難和問題，可設計系列化的實驗類資源，輔助課堂實驗教學。此外，還要考慮哪些教學環節可以通過信息技術手段優化和提升。例如，教學評價環節一直存在著反饋不及時的難題，設計交互性的習題資源并加以科學使用，可實現即時反饋。

（三）出版屬性對資源設計的要求

數字資源應符合出版規范。在加工制作數字資源的過程中，要重視對于出版規范的核查。同時，設計數字資源要做到系統、規范，在內容和形式上盡可能保持前后一致。

三、資源開發情況

（一）物理學科數字教材資源體系

為滿足學科信息化教學需求，開發者基于課標要求和人教版物理教材特點，結合教學過程和教材欄目，明確教材中引入、正文、實驗（實踐）活動、拓展、測試評價和總結等不同環節（部位）對應的欄目和資源類型，構建了《人教數字教材物理》資源體系（見表1）。

（二）物理學科數字教材資源的特點

首先，通過形象化的知識演示，突破紙質教材表達形式的局限。

教師通過視頻、動畫等多種媒體展示知識內容，可有效突破紙質教材表達形式的局限，使抽象內容形象化、示范指導直觀化、動態過程可視化、知識應用情境化。

其次，以學生為中心，設計交互式的動畫資源，實現人機交互。

學生在閱讀紙質教材時只能被動接收。應用數字資源就大不相同。數字教材中可交互的動畫資源可以通過分步驟、分層次的呈現教學內容適應學生不同的學習節奏和不同的思維過程，針對學生的學習行為反應，提供反饋。

最后，即時評價有利于實現對學生的診斷、激勵和提升。

傳統教學中評價存在一定的延時，這會影響教師對學生學習情況的判斷，而教師使用數字教材中交互性習題資源，可即時評價，增強學生學習的成就感。

（三）物理學科數字教材資源的應用價值

開發者設計數字教材，組織實驗演示、探究交互、情景演示、動畫演示、即時評價、知識講解等各類型資源為信息化環境下的課堂教學提供基礎資源，輔助教師教學，促進課程目標的達成。

1.信息技術手段助力實驗教學，提升學生探究能力

物理學是一門以實驗為基礎的學科，實驗教學是學生接觸物理知識、探索物理原理、增強情感體驗的重要途徑。實驗教學能夠有效促進學生對知識的理解和運用，也能夠更好提升探究能力。但是，實驗教學在實施過程中受器材、條件、時間等各種因素限制，面臨不少困難。“實驗教學開展情況”調研結果顯示，地區差異明顯，特別是在經濟欠發達地區，實驗教學以講授為主，關注考點、忽略實驗操作的現象還很常見。開展實驗教學的過程中，也存在各種問題：演示實驗可視性差，達不到預期效果;分組探究實驗學生操作不規范導致誤差過大、得不出實驗結論等。

實驗在物理教學中有重要地位，不可或缺。為解決實驗教學在常態課中的困難，開發者在數字教材中加載了演示實驗視頻類資源和虛擬仿真實驗資源，輔助實驗教學，提升實驗教學效果。

數字教材配有與全套演示實驗視頻，教科書中“實驗”“演示”“想想做做”“動手動腦學物理”“拓展性實驗”等欄目涉及實驗都匹配了操作規范、現象清晰的視頻，可滿足不同層次、不同實驗條件學校的教學需求。

實驗視頻充分彰顯信息技術的優勢：利用高速攝影、延時攝影、頻閃攝影、熱成像、快放、慢放等技術手段，將一些不易觀察、不好記錄的實驗現象記錄下來。例如：對于“氣體擴散的實驗”，支持20倍速播放，讓學生能明顯地觀察擴散過程;“觀察做曲線運動物體的速度方向”的實驗過程在俯視視角下拍攝，避免了現場實驗中由于視角不同產生的問題;利用動畫演示、分析實驗原理，輔助實驗教學。又如，對于“通過平面鏡觀察桌面的微小形變”，開發者在實驗的基礎上，利用動畫模擬微小形變的過程，在動畫中放大桌面的形變，形象展示物理過程（如圖1）。

綜上，演示實驗視頻既可以成為師生進行實驗操作的參考，又可以滿足實驗條件有限的情況下需播放視頻的基礎性需求，同時可以與真實實驗結合，滿足反復觀看、隨時對實驗過程重點觀察、標記等需求，解決實驗現象不清晰、實驗過程難記錄等問題，提高實驗教學的有效性，輔助課標中科學探究學習目標的實現。

針對部分探究性和操作性實驗，開發者在數字教材中提供了開放式虛擬仿真實驗。這類虛擬仿真實驗，可以幫助學生熟悉實驗器材，搭建實驗裝置，自主設計實驗，完成實驗及數據處理過程。

虛擬仿真實驗無法取代真實實驗的探究過程，但在輔助真實實驗的教學方面具有明顯優勢：虛擬仿真實驗突破了時間和空間的限制，可以更好地滿足學生的個性化學習需求，特別是在支持實驗預習、復習、教師原理講解、示范操作等環節具有明顯的優勢。傳統教學中，學生通過閱讀紙質材料預習實驗，對于原理復雜、操作煩瑣的實驗，很難真正理解。在實驗課上，受實驗儀器、場地、時間等因素的限制，通常是4～6人為一小組參與探究實驗，由于學生理解能力、操作水平等方面存在差異，其中團隊中相對較弱勢的成員經常處于邊緣狀態，無法參與實驗探究，導致實驗效率低下，得不出探究結論。虛擬仿真實驗可提供各種實驗環境，滿足學生的操作需求，更好地幫助學生理解實驗原理，提高實驗效率。

針對部分數據處理較復雜的探究性實驗，開發者在數字教材中專門設置了針對具體實驗的數據輸入表格及圖像自動擬合功能，針對初中學生有效回避了實驗中數據處理的難點，引導學生關注實驗的探究重點和物理知識本身。

2.多媒體技術支持的可視化呈現，培養學生思維能力

以演示動畫的方式將某些抽象、微觀、復雜的過程和原理進行可視化講解，降低了學生的理解難度，幫助學生從物理學視角認識客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系。例如，對摩擦起電原理的教學，教師可基于紙質教材進行講解，借助數字教材通過形象的例子展示摩擦起電的過程，使抽象的概念直觀化呈現。

數字教材支持教師以交互動畫的方式對某些條件多、層次復雜、有變化的知識點進行全過程性動態展示，有利于學生探究和思考。例如，八年級上冊“長度和時間的測量”中，教材通過一張圖片引出“視覺不可靠，需要利用儀器和工具進行準確的測量”。教師利用這幅引發學生視覺沖突的圖片，激發學生的興趣，講解如何判斷圖中的長度和面積是否相等，應用數字教材中加載的復制、拖動、隱藏等功能的交互動畫，幫助學生直接進行比較，通過中間手段證明了“視覺的不可靠，測量儀器和工具的準確性”，增強了實驗結果的說服力。這有利于學生在經歷推理論證的過程中，提升思維能力。

3.利用豐富的情境素材資源，增強學生對客觀世界的體驗

情境教學是新課程所倡導的，“從生活走向物理，從物理走向社會”是課標明確提出的理念。紙質教材融入了豐富的情境，體現了從生活經驗入手到物理理論分析到生活現象應用的基本理念。為充分發揮信息技術的優勢，更好地輔助紙質教材的應用，數字教材開發者非常重視情境素材，在章引言、節首、正文、科學世界、科學·技術·社會等欄目都設計了情境視頻或準備了圖片素材。

應用數字教材進行情境化的知識引入和知識應用，可以更好地激發學生的學習興趣，讓學生逐漸形成從生活中發現物理問題并利用物理知識解釋生活現象的科學素養，促進學生的知識理解和素養提升。

4.數字教材富媒體呈現形式的其他優勢

數字教材支持多種媒體手段綜合應用，可以為視覺優勢、聽覺優勢、動覺優勢等不同類型的學生提供不同的學習方式，滿足學生的個性化學習需求。數字教材成為中學階段學生信息水平提升的輔助教材。科學使用數字教材有助于學生在學習本學科知識之外感受和體驗信息技術的力量，促進他們信息素養的提升。

四、有關物理學科數字教材資源開發的建議

成功開發數字教材資源關鍵在于：基于教學設計進行資源設計，在關注單個數字資源的同時，注重資源間的聯系，提供信息化環境下課堂教學的完整路徑，促進信息技術與學科課程的深層次融合。

今后，要更加重視資源建設與平臺功能協同發展，充分發揮信息技術的優勢。例如，對于視頻播放類資源，提供畫面和聲音分離、自主配音、畫面片段自由選取等功能，有助于教師簡便利用基礎性學科資源重組、加工、再造出符合個人教學方式的資源，滿足個性化的教學需求。對于習題類資源，可增加語音作答功能，支持生生之間、師生之間音頻互動交流，解決傳統教學反饋中信息不對稱的問題，優化輔助習題動畫類資源，使教學活動更具針對性，效率更高。

（作者系人教數字出版有限公司編輯）

責任編輯：祝元志