基于核心素養下高中物理實驗教學與信息技術融合的實證研究

蔡福珍

摘? ?要：隨著科技的發展，現代化的教育信息技術已經廣泛應用于高中課堂教學中，物理實驗教學與信息技術的有效融合不僅優化了實驗教學結構，也改變了學生的學習方式，培養了學生科學思維與科學探究的能力。從物理學科核心素養的視域出發，積極探索高中物理實驗教學和信息技術融合的策略與方法，提高學生的核心素養。

關鍵詞：高中物理實驗教學;信息技術;融合;核心素養

物理是一門以實驗為基礎的學科，普通高中《物理課程標準》2017版中關于通過實驗或觀察進行教學的知識點及數目比普通高中《物理課程標準》2014實驗版增加12個，增加的比例為27%，強調讓學生經歷建構重要概念、探究物理規律的完整過程，發展學生的科學思維和探究能力。在這樣的背景下，傳統的教學模式和學生的學習方式勢必要做出改變。而現代化信息技術與物理實驗教學的深度融合不僅能實現教學的結構性變革——即從傳統的“以教師教為中心”的課堂教學結構，轉變為新型的“教師主導—學生主體相結合”課堂教學結構，更是在學生學習方式上突破了時空的限制，使學習者的學習更加主動和個性化，同時又可以有效地落實物理課程標準[ 1 ]。本文將結合平時實際教學案例，對高中物理實驗教學與信息技術的有效融合進行實證校本化的研究。

1? 高中物理實驗教學與信息技術有效融合的策略與實踐

1.1? 利用umu等網絡互動學習平臺突破時空局限，優化學生的學習方式

教育信息化2.0行動計劃的提出和移動互聯網技術的高速發展，給高中物理實驗教學帶來新的變革。在組織方式上包括人員、內容和資源組織上拓寬了師生、生生交互的時空，讓學習不再局限于課堂。以“平拋運動”為例，學生既要對平拋的規律進行猜想，又要分豎直方向和水平方向分別實驗驗證，對學生的實驗操作和數據分析能力要求比較高，能否在課堂有限的時間里順利完成成為教學難點。為突出重點和突破難點，可以將整節課設置為課前、課中和課后三個環節。在課前利用umu互動學習平臺創建“平拋運動”課程并發布，學生掃碼進入并自主預習（如圖1所示）。課前，先讓學生進行微課導學，即錄制5至6分鐘的微課，讓學生了解本節的主干知識，在此基礎上讓學生在探討研究平拋運動的方法，并進一步猜想平拋豎直分運動和水平分運動的規律，設計實驗制訂方案，在umu互動學習平臺提交方案后進行互動交流，探討其合理性和可行性（如圖2）。學生們不僅能提出自己的觀點，還可評價別人的方案，增強學生之間的互動點評交流。課中，教師根據學生所設計的實驗方案和學生互動點評的情況進行評析，再讓學生根據所設計的方案動手實驗驗證猜想。課后，再利用umu互動學習平臺推送平拋運動的專項練習，通過平臺的數據反饋能全面了解學生對本節知識點的掌握情況（如圖3），為教師后續精準教學提供依據，為學生記錄和管理學習情況。借助umu等網絡平臺拓寬了師生、生生交互的時空，讓教與學不在局限于課堂，通過變革學生學習方式的同時培養和發展學生自主學習的能力。

1.2? 利用希沃、人人通等手機app提升實驗可視度，培養學生的科學思維

做好演示實驗有助于學生從物理學角度認識客觀事物的內在規律、本質屬性及相互之間的關系，也有助于學生在實驗事實的基礎上建構物理模型，從而培養學生的科學思維。但有些演示實驗效果不明顯或者可視度低，有些實驗現象很短暫導致現象很難觀測到，此外有些學生離講臺比較遠看不清楚。針對這些情況，在教師演示實驗時，可以通過教室里的教學平板和手機連接，利用省資源平臺的人人通移動課堂或希沃軟件的同屏功能，將演示過程進行投屏。不僅能實時展示實驗過程，還能把實驗現象放大，讓實驗結果更好地實時呈現出來。在高中物理電學實驗中，電路連接和電表讀數往往是學生薄弱的地方，課堂上可利用人人通移動課堂將教師的操作過程進行實時投影，能對學生規范實驗操作起到示范性作用。在講解游標卡尺、螺旋測微器和歐姆表等的原理及讀數時可以放大倍數，讓所有同學都能把顯示的數值更好地看清楚，這樣方便于教師對測量儀器讀數規則的更好講解。同時還能錄屏推送給各班，學生可重復觀看，強化理解。又如“平拋運動”中通過平拋的小球和自由下落的小球對比探究豎直分運動的規律時，發現兩球下落的非常快。以往教師們會讓學生聽兩球第一次落地的聲音，但是耳聽為虛眼見為實，教師同樣可借助人人通移動課實時拍攝慢動作視頻，播放過程隨時暫停，容易發現任意時刻兩球均處在同一高度，學生自然而然能理解平拋的豎直分運動就是自由落體運動，有效地突破難點并深化了學生對平拋豎直規律的理解。

1.3? 利用仿真模擬實驗，培養學生自主學習和模型建構的能力

首先，仿真實驗不受時間和空間的限制，可保證實驗的項目和數量。它通過計算機仿真模擬現實條件下沒辦法呈現的抽象的物理現象和情景，極大地提高了物理實驗的演示效果[ 2 ]。比如教師可利用NOBOOK仿真實驗演示高中物理中所涉及的力、熱、光、電等方面的大多數實驗。利用仿真實驗讓學生自主設計實驗方案，選擇儀器，連接電路，完成實驗探究，獲取數據，并通過對現象的觀察和數據的分析得到相應的結論。物理中電學實驗較適合在仿真實驗平臺進行實驗設計和模擬操作，有效減少在實際操作過程中出現的安全性問題。學生還可以課外繼續實驗，在任何地點自學。比如伽利略的理想斜面實驗，是在小球能從斜面上加速向下并沖上對面斜面的實驗事實基礎上經過嚴謹的邏輯推理進一步得出力不是維持物體運動的原因。現實條件下不存在摩擦為零的接觸面，所以無法操作。但在仿真實驗平臺實驗過程中，可以通過設置參數，將摩擦力設置為0，這樣就能模擬出在理想狀態的小球運動狀態，讓學生獲得直觀上的認知。其次，仿真實驗拓展了實驗觀察的廣度與深度，幫助學生建構物理模型。在電場線教學中，可利用仿真實驗平臺顯示幾種常見帶電體的電場線及等勢面的立體模型。尤其是等量同種電荷及等量異種電荷之間的電場線及等勢面分布情況，讓學生對其有深刻的感知，化抽象為具體。電勢及電勢能變化及場強強弱的比較是高考的高頻考點，也是學生的薄弱點。教師可借助仿真實驗室展示，并改變帶電體電荷量大小，兩電荷之間的距離等因素，讓學生對電場線模型理解得更全面更深入。

1.4? 利用DIS傳感器，培養學生的科學探究能力

DIS實驗通過傳感器和數據采集器感知并采集數據，通過相應的軟件對探測到的信息轉化為相應的物理量的類型和數值，具有高速化和智能化的特點，不僅比人工讀數和處理數據省時又省力，還提高了運算的精確度。例如“平拋運動”中利用二維平面運動傳感器獲得平拋運動的軌跡，擬合生成水平和豎直分速度的v-t圖像，并算出豎直方向的加速度，精確的實驗數據有利于學生發現物理現象背后隱含的規律。又如“閉合電路的歐姆定律”，可利用DIS電壓傳感器測量自制原電池的內電壓和外電壓，如圖4、圖5所示。學生在連接好電路后，只要通過移動滑動變阻器觸頭，傳感器便能實時采集多組數據并以表格的形式呈現（圖6），大大節省實驗的時間。而且學生通過表格容易發現內外電壓之和為一常數，從而明白電動勢的物理意義。DIS強大的數據處理功能增加了實驗探究的深度，使問題研究從定性上升到定量，在深化學生對問題本質理解的同時進一步培養學生的科學探究能力。

2? 高中物理實驗教學與信息技術有效融合的原則

2.1? 適用性原則

信息技術的有效融合，是為了突破高中物理實驗教學的重點和難點，實現傳統教學無法實現的效果才使用。實驗教學中沒有條件做的實驗和不能操作的實驗可以用多媒體軟件去模擬，絕不是將所有的物理實驗都適用于信息技術的支持，對于有條件完成的實驗應當讓學生親手去做[ 3 ]，在平時實驗教學過程中，教師要處理信息技術有效融合的實驗選擇，選擇適用或信息技術能更好地呈現結果的實驗進行課堂模擬操作。

2.2? 輔助性原則

信息技術的有效融合，能更好地實現“優化教學，讓學習深度發生”，能更好地培養學生的科學思維和科學探究能力從而落實物理學科核心素養。盡管它有很多的優勢，但也有不足。對于物理實驗的教學，重在實踐性，要求學生按照一定的程序規范操作，經歷實驗探究過程，才能對實驗的原理以及背后的規律有更深入的理解，才能領悟實驗中體現出的科學方法，從而形成良好的科學素養[ 3 ]。因此，在實際教學中一定要明確信息技術的有效融合只是作為輔助教學手段，它不能代替真實的實驗操作和教師在實驗教學中的重要地位，而是對傳統實驗教學不足的有效補充。

參考文獻：

[1] 楊桂芳.運用現代信息技術突破高中物理實驗教學難點的實踐[D].呼和浩特：內蒙古師范大學，2018.

[2] 龍金.基于 MATLAB 的大學物理仿真實驗研究[D].廈門：廈門大學，2011.

[3]楊大鈞.信息技術與高中物理實驗教學融合的實踐研究[D].信陽：信陽師范大學，2020.

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