實(shí)驗(yàn)教學(xué)與信息技術(shù)的融合創(chuàng)新

江蘇省徐州市西苑中學(xué)(221000) 楊 濤

1 問(wèn)題的提出

2019年教育部發(fā)布了《關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見(jiàn)》，意見(jiàn)指出：“開(kāi)齊開(kāi)足開(kāi)好國(guó)家課程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定實(shí)驗(yàn)，切實(shí)扭轉(zhuǎn)忽視實(shí)驗(yàn)教學(xué)的傾向；拓展創(chuàng)新，不斷將科技前沿知識(shí)和最新技術(shù)成果融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，豐富內(nèi)容，改進(jìn)方式；注重實(shí)效，強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐操作、情境體驗(yàn)、探索未知、親身感悟和創(chuàng)新創(chuàng)造。”可以看到，隨著新課改的深入，實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)物理教學(xué)的重要性越發(fā)凸顯出來(lái)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)也逐漸發(fā)展成為落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的有力抓手之一。

遺憾的是，在實(shí)際教學(xué)中，受制于諸多因素，不少教師對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)雖有一定認(rèn)識(shí)，但往往輕于實(shí)踐。即便付諸行動(dòng)，也多局限于照搬教材、照本宣科。大部分教材實(shí)驗(yàn)固然很好，但考慮到教材編寫專家與學(xué)生在年齡閱歷和認(rèn)知水平等方面的巨大差異，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)之初，無(wú)論怎樣嚴(yán)格地遵循中學(xué)生的認(rèn)知心理，也難免出現(xiàn)“子非魚，所思魚之惑，非魚之真惑”的情況。因此，有些教材實(shí)驗(yàn)，需要教師根據(jù)實(shí)際學(xué)情以及學(xué)生當(dāng)前的認(rèn)知水平，進(jìn)行優(yōu)化或創(chuàng)新。

有些物理概念和科學(xué)規(guī)律，教材中缺少相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)支撐，教學(xué)中也沒(méi)有可供課堂直觀演示的教具。僅靠教師的口頭陳述或者閱讀書本上現(xiàn)成的結(jié)論，沒(méi)有說(shuō)服力。這些抽象的物理概念和規(guī)律，未經(jīng)過(guò)感性認(rèn)識(shí)和思維的加工，直接上升為抽象的理論，使得邏輯思維較弱的中學(xué)生，難以認(rèn)識(shí)復(fù)雜的科學(xué)世界，掌握其中的規(guī)律，造成了物理難教又難學(xué)的被動(dòng)局面。此外，還有部分演示實(shí)驗(yàn)，由于可視化程度不高、現(xiàn)象稍縱即逝或者發(fā)生的過(guò)程極其緩慢，導(dǎo)致學(xué)生看不清，甚至看不見(jiàn)，而難以真正地融入到探究活動(dòng)中來(lái)，久而久之便成為課堂里的局外人。

2 信息技術(shù)助力物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐案例

2.1 信息技術(shù)助力物理概念教學(xué)顯性化

在初中物理教學(xué)中，有相當(dāng)一部分概念，因生活中缺乏感性的體驗(yàn)，教學(xué)中又缺少直觀的畫面，而晦澀難懂。例如“聲現(xiàn)象”教學(xué)中，在講授“聲音是一種波”時(shí)，筆者發(fā)現(xiàn)，即便教材使用了類比法，將聲波與水波以及彈簧中的疏密波進(jìn)行比較，但初學(xué)物理的中學(xué)生，依舊感到茫然。主要原因在于，學(xué)生看不見(jiàn)，也就想不到。然而，能夠?qū)β暡ㄟM(jìn)行直觀顯示的示波器，卻不屬于中小學(xué)實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)配儀器。為了消除學(xué)生的疑慮，幫助其在后續(xù)學(xué)習(xí)中，能夠更好地從波形圖上區(qū)別樂(lè)音與噪聲、辨析樂(lè)音的三要素。筆者借助ipad以及Sonic Tools軟件，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)模擬，讓每位學(xué)生都清楚地看到自己聲音的波形。無(wú)須贅述，學(xué)生對(duì)于聲音是一種波的說(shuō)法，堅(jiān)信不疑。與此同時(shí)，學(xué)生對(duì)如何利用手機(jī)或平板電腦，自主進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的探究，產(chǎn)生了極大的興趣。如此一來(lái)，也能在一定程度上扭轉(zhuǎn)手機(jī)對(duì)于中小學(xué)生的負(fù)面影響。

2.2 信息技術(shù)助力物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可視化

在觀察“水的沸騰”實(shí)驗(yàn)時(shí)，既要看氣泡，又要聽(tīng)聲音，還得計(jì)溫度，實(shí)驗(yàn)本身的操作難度就比較大。再加上實(shí)驗(yàn)時(shí)，燒杯小、水量少、氣泡上升得快。按照常規(guī)操作步驟，很難清楚地觀測(cè)到氣泡上升過(guò)程中的大小變化。但借助iphone手機(jī)自帶的拍攝慢動(dòng)作功能，搭配希沃授課助手，就能完美解決上述問(wèn)題。只要在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)上升的氣泡進(jìn)行慢動(dòng)作拍攝，通過(guò)希沃授課助手APP中的“手機(jī)屏幕同步”功能，將“行動(dòng)遲緩”的氣泡，投影至屏幕上，放大給學(xué)生觀察，教師無(wú)需多言，學(xué)生一目了然。

攝制好的視頻，還可重復(fù)播放、調(diào)節(jié)快慢、局部放大、截圖對(duì)比，為學(xué)生自主分析水沸騰前后的特點(diǎn)，提供了極大的便利。當(dāng)然，在沸騰前后，借助智能手機(jī)或平板電腦上的分貝計(jì)APP，更精準(zhǔn)地測(cè)量聲音的響度，用數(shù)據(jù)說(shuō)話，聽(tīng)得到更看得到，減少因?yàn)槿烁杏X(jué)的不可靠，得出“開(kāi)水不響，響水不開(kāi)”的錯(cuò)誤結(jié)論，以致先入為主，難以糾正。

在上述實(shí)驗(yàn)中，還可以同步引入數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室DISLab，將其中數(shù)字溫度傳感器與電腦連接，設(shè)定好時(shí)間步長(zhǎng)，對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的溫度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得更多組數(shù)據(jù)，并使用Excel或Origin軟件進(jìn)行處理，免去了不間斷計(jì)時(shí)和反復(fù)測(cè)溫的繁瑣，獲得的圖像將更加真實(shí)平滑。數(shù)字溫度傳感器還能用于完美再現(xiàn)赫歇爾探究各種色光熱效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，以解決實(shí)驗(yàn)室的液體溫度計(jì)精度較低，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不夠明顯的問(wèn)題。可見(jiàn)，信息技術(shù)的介入，確保了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的完美呈現(xiàn)，讓學(xué)生能夠更加專注于對(duì)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的觀察，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的理性分析。

當(dāng)然，希沃授課助手的作用，并不局限于能夠有效地提高物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可視化程度。我們還能充分發(fā)揮其強(qiáng)大的交互性，將其應(yīng)用到習(xí)題講評(píng)課以及電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。教師在授課過(guò)程中，用手機(jī)隨時(shí)抓拍學(xué)生出現(xiàn)的共性、典型性問(wèn)題或者不規(guī)范的解題步驟、作圖細(xì)節(jié)以及電路連接的不當(dāng)之處，實(shí)時(shí)投屏，讓學(xué)生“相互找茬”、互相評(píng)價(jià)。使用APP中的畫筆功能，現(xiàn)場(chǎng)勾畫、分析原因、糾錯(cuò)訂正。隨后，再邀請(qǐng)貢獻(xiàn)了典型范例的同學(xué)，使用APP中的頒獎(jiǎng)功能，對(duì)同伴的講評(píng)過(guò)程進(jìn)行反向評(píng)價(jià)。

這樣，既活躍了課堂氛圍，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，提升了學(xué)生的課堂參與度，也培養(yǎng)了學(xué)生的語(yǔ)言組織及表達(dá)能力。同時(shí)，避免了僅有教師對(duì)學(xué)生，或者優(yōu)等生對(duì)后進(jìn)生的單向評(píng)價(jià)，讓評(píng)價(jià)主體和評(píng)價(jià)形式日趨多元化，錯(cuò)題的講解更具針對(duì)性和實(shí)效性。作為物理教師，我們應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，多探索、多研究、多學(xué)習(xí)、多應(yīng)用，努力將各類信息技術(shù)與日常教學(xué)進(jìn)行有機(jī)整合，拓寬它們的應(yīng)用場(chǎng)景。尤其是在大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、圖文識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)、虛擬現(xiàn)實(shí)等尖端技術(shù)與教育行業(yè)日益融合的信息化時(shí)代，讓技術(shù)為教育賦能，讓物理課堂和實(shí)驗(yàn)教學(xué)體現(xiàn)出更多的科技元素，為學(xué)生開(kāi)拓眼界的同時(shí)，不斷提升物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性。

2.3 信息技術(shù)助力物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)別樣化

案例1：學(xué)生在“研究氣泡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律”實(shí)驗(yàn)時(shí)，按照教材所給步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，很難達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)期。究其原因：①氣泡運(yùn)動(dòng)較快，時(shí)間測(cè)量難以掌控；②翻轉(zhuǎn)1 m長(zhǎng)的玻璃管，學(xué)生操作很不方便，且翻轉(zhuǎn)動(dòng)作引起的晃動(dòng)，會(huì)對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。雖然很多研究者都對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，但鮮有人給出便于教學(xué)的新方案。于是，筆者通過(guò)細(xì)心觀察和反復(fù)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)信息技術(shù)平臺(tái)進(jìn)行了有機(jī)整合，巧妙使用PicPick軟件與升降式投影幕布，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了可供課堂探究的勻速直線運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。

圖1 勻速直線運(yùn)動(dòng)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

案例2：在學(xué)習(xí)“大氣壓強(qiáng)的變化”時(shí)，教材直接給出了結(jié)論:“研究表明，大氣壓與海拔高度之間有一定關(guān)系。離海平面越高的地方，大氣越稀薄，大氣壓越小?！保鄙傧鄳?yīng)的實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程和真實(shí)數(shù)據(jù)的支撐。而中學(xué)實(shí)驗(yàn)室里為數(shù)不多的氣壓計(jì)精度又低，不足以讓每個(gè)學(xué)生親測(cè)大氣壓強(qiáng)，并感受其隨客觀因素改變而產(chǎn)生的變化。對(duì)于相關(guān)結(jié)論，學(xué)生只能勉強(qiáng)接受，但心理上實(shí)難認(rèn)同，不利于學(xué)科素養(yǎng)的落實(shí)。實(shí)際運(yùn)用時(shí)，也常常記反。于是，筆者鼓勵(lì)學(xué)生借助智能手機(jī)或iPad等終端設(shè)備，以及Phyphox或Barometer軟件，同步調(diào)用設(shè)備內(nèi)的GPS和高精度氣壓傳感器，對(duì)相關(guān)結(jié)論加以驗(yàn)證。學(xué)生只要拿著手機(jī)，從1樓爬上4樓，海拔高度增加了約10 m，就能看到軟件頁(yè)面上，大氣壓強(qiáng)減小了約100 Pa，如圖2所示。借此設(shè)備還能探究地理位置對(duì)g值的影響、磁體周圍磁場(chǎng)的強(qiáng)弱分布等眾多物理實(shí)驗(yàn)，如圖3所示。

圖2 巧用手機(jī)探究氣壓與高度的關(guān)系

圖3 使用智能手機(jī)巧做物理實(shí)驗(yàn)

案例3：超聲波和紅外線在日常生產(chǎn)生活中應(yīng)用極其廣泛，但在學(xué)習(xí)這兩塊知識(shí)時(shí)，由于一個(gè)聽(tīng)不見(jiàn)、另一個(gè)看不見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)室又缺少便于在課堂上直觀演示的儀器和教具，對(duì)學(xué)生的有效學(xué)習(xí)造成了一定的干擾。鑒于此狀況，筆者將開(kāi)源電子原型平臺(tái)Arduino以及傳感器模塊、顯示模塊、蜂鳴器反饋模塊等聯(lián)合起來(lái)，精心設(shè)計(jì)了超聲波測(cè)距儀與人體紅外感應(yīng)聯(lián)合體，如圖4所示。借助該自制教具，能實(shí)現(xiàn)讓聽(tīng)不見(jiàn)的可看，讓看不見(jiàn)的可聽(tīng)的效果。既可讓聽(tīng)不見(jiàn)的超聲波，以距離的方式呈現(xiàn)在屏幕上，幫助學(xué)生直觀感知超聲波的存在，同時(shí)更好地理解超聲波測(cè)距儀的工作原理。還能讓看不見(jiàn)的紅外線，以警報(bào)聲的方式呈現(xiàn)出來(lái)，幫助學(xué)生直觀感知紅外線的存在。同時(shí)，進(jìn)一步了解生活中眾多紅外感應(yīng)裝置的工作原理，感受科技魅力。

圖4 自制超聲波測(cè)距儀與人體紅外感應(yīng)聯(lián)合體

該教具的組件成本低廉，芯片易于編程，產(chǎn)品可重復(fù)使用。而且模塊化設(shè)計(jì)，拆裝方便，系統(tǒng)的拓展性極強(qiáng)。尤其是在學(xué)習(xí)到電路相關(guān)知識(shí)，如：電路的基本組成、電路的連接方式、集成電路、電阻、半導(dǎo)體材料、電位器、電磁繼電器等知識(shí)時(shí)，可根據(jù)教學(xué)的實(shí)際需要，再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行拓展，能極大激發(fā)學(xué)生的研學(xué)興趣，幫助學(xué)生更好地理解其內(nèi)在原理。實(shí)際教學(xué)演示時(shí)，學(xué)生對(duì)此興趣盎然，目不轉(zhuǎn)睛，急切地想要了解更多相關(guān)知識(shí)。甚至下了課，還有很多學(xué)生圍過(guò)來(lái)詢問(wèn)感興趣的問(wèn)題，這不正是我們實(shí)施有意義教學(xué)的起點(diǎn)嗎？

當(dāng)然，條件允許的情況下，還可購(gòu)置便攜式手機(jī)熱成像儀，將其與手機(jī)連接，并實(shí)時(shí)投屏，更直觀地呈現(xiàn)溫度不同的物體所輻射的紅外線強(qiáng)度，教學(xué)效果將更加震撼。

2.4 信息技術(shù)助力物理實(shí)驗(yàn)探究常態(tài)化

每年理化生實(shí)驗(yàn)技能考試結(jié)束后，理科教師都會(huì)發(fā)出同樣的感慨：學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)欠佳。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因不外乎學(xué)生平時(shí)親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)少，僅靠課堂上的分組實(shí)驗(yàn)，既無(wú)法保證實(shí)驗(yàn)操作的獨(dú)立性，又很難保障有充足的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在不延長(zhǎng)學(xué)生在校時(shí)間、增加課時(shí)量的前提下，如何改變此現(xiàn)狀？筆者認(rèn)為，合理運(yùn)用信息技術(shù)，打破時(shí)間、空間以及實(shí)驗(yàn)條件的制約，助力物理實(shí)驗(yàn)探究常態(tài)化，是一種行之有效的策略。

現(xiàn)如今網(wǎng)購(gòu)非常便利，許多物理實(shí)驗(yàn)器材、各種類型的學(xué)生實(shí)驗(yàn)箱廉價(jià)易得，教師不必再擔(dān)心“巧婦難為無(wú)米之炊”，只要為學(xué)生搭建好自主研學(xué)、互助交流的平臺(tái)，如建立QQ群、微信群、利用教育主管部門建立的網(wǎng)上備課系統(tǒng)等。依據(jù)課標(biāo)要求和具體教學(xué)內(nèi)容，為學(xué)生設(shè)計(jì)好他們能夠自主完成的探究任務(wù)，并為他們準(zhǔn)備豐富的物理實(shí)驗(yàn)數(shù)字化資源。如共享Flash、多媒體課件、仿真物理實(shí)驗(yàn)室軟件，向?qū)W生推送全國(guó)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)在線平臺(tái)、江蘇省中小學(xué)實(shí)驗(yàn)在線平臺(tái)、江蘇省“五四杯”優(yōu)秀微課資源、甚至優(yōu)秀的自媒體資源等相關(guān)網(wǎng)絡(luò)教育資源，引導(dǎo)其合理運(yùn)用，輔助自己順利完成實(shí)驗(yàn)探究。當(dāng)然，學(xué)生還可以借助平臺(tái)，及時(shí)反饋在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中遇到的各種問(wèn)題，師生、生生之間，相互解答、分享心得。這樣，不但能擴(kuò)充物理課堂的教學(xué)內(nèi)容、豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)的形式，還能拓展師生的視野與物理學(xué)習(xí)的空間。

除此以外，隨著通信技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和傳感技術(shù)的極速發(fā)展，以手機(jī)為代表的智能電子設(shè)備，功能日益強(qiáng)大，其內(nèi)部集成了光傳感器、重力傳感器、加速度傳感器、氣壓傳感器、磁場(chǎng)傳感器、GPS、陀螺儀等各式各樣的高精度、高靈敏度傳感器。結(jié)合各類應(yīng)用軟件，如Phyphox進(jìn)行合理調(diào)用，便能夠隨時(shí)隨地完成對(duì)多個(gè)物理量的測(cè)量，簡(jiǎn)直就是超便攜實(shí)驗(yàn)室。使用智能手機(jī)巧做物理實(shí)驗(yàn)，形式新穎，學(xué)生樂(lè)于嘗試、勤于鉆研。尤其是在中高考復(fù)習(xí)階段，如果教師將已經(jīng)做過(guò)的實(shí)驗(yàn)，再完整地重做一遍，一方面時(shí)間不允許，另一方面學(xué)生覺(jué)得自己做過(guò)，對(duì)教師的“炒冷飯行為”不感興趣，以致實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)效率低下。若能利用傳感技術(shù)、多媒體技術(shù)、仿真物理實(shí)驗(yàn)室、DISLab數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(AR)等現(xiàn)代信息技術(shù)，將實(shí)驗(yàn)過(guò)程與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象換一種嶄新的方式快速再現(xiàn)，或者放手讓學(xué)生在復(fù)習(xí)課前自主完成，既能節(jié)約寶貴的教學(xué)時(shí)間，又能在激發(fā)學(xué)生興趣的同時(shí)，喚醒學(xué)生的實(shí)驗(yàn)記憶，達(dá)到良好的復(fù)習(xí)效果。

3 小結(jié)

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，一直都是教育工作者關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，教育信息化的程度逐步提高，給物理實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和有效教學(xué)注入了新的活力。很多以前難以解決的問(wèn)題，現(xiàn)實(shí)條件不容易實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，或者操作過(guò)程具有一定危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在都將成為物理教師創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的契機(jī)。《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》也在課程基本理念中提到：“鼓勵(lì)在物理教學(xué)中合理運(yùn)用信息技術(shù)”，作為一線教師，唯有轉(zhuǎn)變觀念，加強(qiáng)對(duì)教育信息技術(shù)的學(xué)習(xí)與研究，努力提升個(gè)人信息素養(yǎng)，并在教學(xué)實(shí)踐中，針對(duì)學(xué)生學(xué)的困惑點(diǎn)和教師教的困難點(diǎn)，融合信息技術(shù)，加以有效突破，方能真正提升物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和水平。