基于數字教材的初中物理實驗支架式教學設計與分析

摘要： 基于數字教材和支架式教學理論，本文設計了從構建支架、情境引入、獨立探索、協同學習到效果評價的初中物理實驗教學步驟，歸納了問題、建議、表格、工具四種適合實驗教學的支架，結合課例從教學流程、支架運用和數字教材應用方面改進物理實驗教學，引導學生分享、匯聚、歸檔，以提高其物理實驗能力。

關鍵詞：數字教材;支架式教學;實驗能力

物理是一門以觀察和實驗為基礎的學科。對于初中物理教學而言，教師應以物理現象、物理概念和規律、物理過程和方法為載體，以科學探究為主線來提高學生的能力和素養。一些學生在參與實驗探究的過程中只是參照課本或按教師的要求來做。如此盲目模仿不但無法理解對應的知識，還可能讓有趣的實驗環節變成煎熬。如何發揮實驗環節的作用，有效地開展以學生為主體的科學探究呢？筆者利用數字教材中的有關功能，開展支架式教學。教師根據學情搭建支架，讓學生借助支架理解實驗，這樣既能幫助學生理解，又給了學生自主探究的空間。

一、理論基礎與模式構建

（一）支架式教學理論

支架式教學源于蘇聯著名心理學家維果茨基的最近發展區理論。最近發展區指學生獨立解決問題時的實際發展水平與教師指導下解決問題時的潛在發展水平之間的距離^[1]。支架式教學指教師搭建支架，將學習任務逐漸由教師轉移給學生，最后撤去支架，讓學生自主探究^[2]。

（二）數字教材應用

物理實驗中學生往往需要研究一個物理量與多個可能影響它的因素的關系。筆者在教學過程中發現由于課堂時間受限，不同組的學生探究情況往往是不同的。一組學生只能獲得部分結論，將幾組學生的探究結果拼湊起來才能得到完整結論。這樣做實驗，過程不夠完整，不利于學生把握實驗細節。傳統課堂上學生很難回溯、分享實驗過程，容易忽略其他小組的實驗關鍵點。數字教材作為一種工具支架除了具有基礎的電子課本、圈畫筆記、插入資源功能外，還提供了師生、生生互動的平臺。物理課堂上，學生用設備記錄實驗過程，借助數字教材的分享功能提交給教師，并經教師向其他學生推送視頻，這樣就解決了傳統課堂上無法還原實驗過程的難題。學生也可以一邊播放實驗視頻，一邊講解操作的意圖和細節，接受同伴的點評。這樣組內和小組之間都能協同學習，為學生自主得出實驗結論構建了支架。此外，數字教材的應用也創新了物理課堂教學樣態：教師便捷地在課前發布預學習單，引導學生自主完成基礎內容的預學習，回收、整理典型答案，留出適當的時間在課堂上分析糾正錯誤。在這樣的“半翻轉課堂”上學生有更多的時間進行物理實驗探究。

（三）教學模式及步驟

筆者針對初中物理實驗環節，在實踐的基礎上對常規的支架式教學模式及步驟加以優化。

1.構建支架

教師可針對不同的實驗和學情應用數字教材來構建合理的支架^[3]。

2.情境引入

實驗前，教師為學生提供實驗器材，設置情境讓學生思考并利用現有器材設計實驗。

3.獨立探索

基礎一般的學生設計和操作實驗時只能拼湊出一些碎片，需要問題和建議等支架支撐，以獲得實驗思路，并上傳到數字教材平臺后在班級中交流，確定一套可行的方案。隨著學生能力不斷提高，教師減少支架，最終讓學生自主完成實驗設計任務。

4.協同學習

協同學習主要表現在小組協同實驗和組間評價。實驗中，學生分工進行拍攝、操作、記錄，共同思考處理實驗中遇到的問題，一起分析、處理數據，得到結果，最后將表格和結論通過數字教材平臺傳給教師。組間點評時，全班學生一起思考如何改進、解決問題，最后由教師點評。整個過程由學生主導，教師做的只是提供或撤去支架，將教學任務從教師轉移到學生。

5.效果評價

教師從實驗效果和數字教材的課堂檢測結果來評價支架的使用效果。教師借助數字教材平臺統計練習錯誤率，思考實驗教學中存在的典型問題，審視使用支架是否幫助學生達成目標，分析如何改善取得更好效果，以及撤去支架后學生能否獨立完成學習任務等問題。

二、實驗教學中的主要支架

（一）問題型支架

教師恰當提問有利于學生深入思考。問題引導是教師幫助學生梳理思路的一種教學支架。教師通過數字教材平臺收集學生的答案了解學生的想法，針對性設計后續支架。

（二）表格型支架

幾乎所有的實驗都需要用表格來記錄數據，但大多數初中生還不具備設計表格的能力，基礎薄弱的學生也難以對數據進行處理分析。實驗中，教師可利用表格作為教學支架幫助學生明確測量對象，尋找物理量之間的聯系，最后得到結果。

（三）建議型支架

學生在實驗過程中會遇到許多問題。教師在輔導學生過程中要提供支架、給出建議，幫助他們走出困境。當然，教師也可以提前提示學生在實驗過程中可能遇到的問題，通過數字教材（平臺）構建建議支架，將注意事項發送給學生。

（四）工具型支架

教師利用初中學生的年齡與心理特點，上課時播放一段輔助教學的視頻，或者使用一些技術手段，可以激發學生的學習熱情。在使用數字教材時，教師可以應用插件功能分享問題支架，發布視頻，上傳錄像，講解實驗過程。當然，也可以配合其他軟件教學，如運用投屏功能放大演示實驗效果等。

三、應用課例分析

（一）“測定物質的密度”課例分析

筆者結合初中物理實驗支架式教學的五個步驟來分析此案例。

1.構建支架

“測定物質的密度”實驗分測定在水中下沉、上浮的固體密度及液體密度三部分。如果教師讓學生在課堂上完成全部實驗，并掌握測量密度的方法，實驗操作規范，處理誤差，時間非常緊張。筆者根據學生能力和經驗構建合適、有效的支架，幫助學生得出實驗步驟和注意事項，引導學生規范實驗。

2.情境引入

“測定物質的密度”實驗為密度第二課時的內容，第一課時學生通過“探究質量與體積的關系”實驗得到了密度的概念。筆者引導學生初步對比兩個實驗的測量對象和測量目的，接著讓學生仿照上一課時的實驗內容設計實驗，修改表格。

3.獨立探索

在筆者的提示下，學生完成實驗的設計并上傳到數字教材平臺，在交流得到完整實驗方法后觀看數字教材平臺上的演示視頻，找出其中的錯誤，形成完整的實驗注意事項。

4.協同學習

筆者將學生分成三部分讓他們分別完成各自的實驗。在協同學習的環節，學生分配角色，互助完成實驗操作、表格填寫、結論歸納。在學生操作時，筆者給出建議，提示他們操作規范電子秤和量筒，并借助表格支架引導他們多次測量以減小誤差。由于三個實驗的方案設計與操作流程差別較大，學生對其他小組的實驗過程比較陌生，實驗過程的匯聚共享對他們非常重要。筆者利用數字教材平臺分享各組的實驗過程。在討論分析每組實驗操作、結論的過程中，學生能清晰掌握另外兩組實驗的操作流程和實驗細節，并歸納比較三組實驗的異同，總結測定不同物質密度的方法。

5.效果評價

效果評價包括兩方面：一方面，學生在分享實驗過程后進行組間相互評價，總結改進，一起補充完善并對實驗成果進行評價，分析實驗數據出現問題的原因;另一方面，教師根據學生的學習情況和課后練習的正確率來評估支架的有效性，加以完善、補充。

（二）“比熱容”課例分析

筆者主要從初中物理實驗支架式教學的支架運用的角度來分析此案例。

課前，筆者借助往年相應內容教學的經驗及班級的學情，分析思考學生在方案設計、實驗操作方面的問題，以此構建支架。

實驗前，學生通過數字教材平臺上發布的微視頻了解物體吸收熱量大小可能與物質的種類有關。（教師提供工具支架，借助視頻、分享、投屏等技術手段幫助學生突破難點，同時提高學生學習興趣。）筆者設置實驗情境，為學生提供鐵架臺、秒表、酒精燈、燒杯、水、煤油和溫度計等實驗物品，同時提出問題：（1）采用什么物理方法實驗;（2）實驗過程中要控制哪些物理量不變;（3）如何判斷液體吸收熱量大小;（4）怎樣控制溫度變化量使之相同。（教師提供問題支架，通過一系列的問題引領學生思考，串聯學生思路，循序漸進讓學生理解知識，當學生的理解出現偏差時，給予提示。）筆者讓學生借助問題支架獨立設計實驗，并通過數字教材平臺傳給教師，在交流點評后確定最終的實驗方案并總結注意事項（此為建議支架）。此實驗的關鍵點在于每隔相同的溫度變化量分別記錄下水和煤油加熱的時間，分析質量與升高溫度相同的情況下，吸收的熱量與物質種類的關系。

隨后，學生通過數字教材平臺下載實驗表格以及實驗的注意事項。教師的工作是提供建議支架，實驗前給出實驗注意事項，引導學生避免常見錯誤。實驗過程中，筆者針對性給各組提出建議，輔導學生完成實驗。實驗結束后，整理總結實驗過程中的建議內容，讓學生加深印象。

實驗開始后，教師觀察每組學生實驗的規范性，適時給出建議（提供建議支架）。例如，提醒學生規范溫度計讀數，注意火焰的控制，盡量讓兩種液體在相同的時間內吸收相同的熱量等。學生完成實驗后將表格和結果上傳到數字教材平臺，自主分享與評價。教師借助問題（提供問題支架）引導學生回溯、總結實驗中出現誤差的原因。最后，筆者借助表格（提供表格支架），明確實驗對象、實驗目的及進行多次實驗的意圖，同時引導學生分析比較有效的實驗數據得到結論（見表1）。筆者引導學生分析比較實驗序號2或3或4得到吸收熱量與物質種類的關系，即質量相同的不同物質升高相同的溫度，吸收的熱量不同。隨后，筆者撤去支架，要求學生借助剛才的經驗繼續研究吸收的熱量與質量的關系，培養他們自主探究的能力。

學生操作比熱容實驗時由于誤差較大，無法得到物理量之間的準確關系。筆者使用DIS實驗裝置（提供工具支架）中的溫度傳感器將它們的關系繪制出來呈現在軟件界面中。學生經過分析比較得到結論：對于同種物質，吸收的熱量與質量和升高溫度乘積的比值為定值。筆者借此讓學生認識到這個比值與物質的種類有關，幫助學生建立比熱容的概念。

最后，筆者評估學生課堂實驗和數字教材配套作業效果，改進支架。

（三）“二力平衡”課例分析

實驗前，學生通過單擺的例子了解并不是物體受到兩個力的作用就能處在平衡狀態。筆者引導學生思考：如果物體在兩個力的作用下處在平衡狀態，這兩個力要滿足怎樣的條件（提供問題支架）。筆者設置實驗情境：用兩個彈簧測力計拉一片綁著數根繩子的硬紙片，讓學生思考當紙片靜止平衡時兩個力是怎樣的關系，為何選用硬紙片，實驗前彈簧測力計要在哪個方向上調零（提供問題支架），提出實驗注意事項（提供建議支架）。通常學生實驗前已經通過生活經驗知道兩個力要大小相等、方向相反這兩個條件，筆者還是建議學生試一試：將紙片扭轉一個角度，讓學生思考在兩個力還是大小相等、方向相反的情況下，紙片能否平衡（提供建議支架），得到兩個力要在同一直線上這一結論。實驗結束，學生利用數字教材的分享功能自主交流、補充，完善實驗結論。

筆者接著提問：剛才實驗時紙片是靜止的，得到的結論是否有局限性呢（提供問題支架）？學生認為這個實驗并不能說明在兩個力作用下勻速直線運動的物體也滿足上述條件。隨后，筆者讓學生獨立思考在勻速拉動紙片實驗時要注意哪些細節。實驗結束，教師通過數字教材平臺進行分享的過程中學生往往會提出疑問：很難用手控制勻速拉動紙片。筆者運用DIS實驗器材（提供工具支架）和能夠勻速拉動物體的發動機解決此問題，但學生還不能理解力反映在圖像上的情況。筆者先讓學生思考：如果突然向上或者突然向下移動，傳感器示數和屏幕上的圖像會怎樣變化，勻速向下或向上運動又會有什么變化呢（提供問題支架）？筆者讓學生展開討論并將答案上傳到數字教材平臺，通過幾次嘗試讓學生理解力的圖像后再進行后續研究，得出結論。

實驗結束，學生利用數字教材平臺整理、完善實驗過程中的要點以及實驗結論，將它們與錄像一起儲存在數字教材云端，以便回溯查找之用。課后，筆者讓學生分析平衡力與相互作用力的區別，并將作業上傳到數字教材平臺。

最后，筆者評估課堂實驗教學和數字教材配套作業效果，改進支架。

筆者在任教班級開展物理實驗教學多次采用基于數字教材的支架式教學方法，而另一個平行班級的物理任課教師采用傳統教學方法，兩個班級學生的學習能力相當，由于支架式實驗教學更注重學生自主探究能力的培養，再加上數字教材的筆記功能的應用有助于學生復習（每個實驗的注意事項、過程、數據及結論均可重現），所以在幾次實驗測試中，接受支架式實驗教學授課的學生實驗題正確率明顯高出對比班級。接受支架式實驗教學的學生對于實驗原理、實驗目的更加明確，對于實驗步驟和操作規范性掌握得更好，同時也能準確地分析數據得到結論。

參考文獻

[1] 秦文.基于支架式教學的物理課教學設計[J].中學實驗與裝備，2012（3）：11-12.

[2] 壽千里.高中物理中的支架式教學模式淺析[J].中學物理，2009（27）：1-3.

[3] 陸建勛.例談初中物理支架式教學中的支架分類[J].中學物理，2016（34）：18-19.

（作者系上海市洛川學校教師）