混合式教學助力數字化實驗

梁喆 李金玲

《義務教育物理課程標準（2022年版）》強調，教師應靈活運用多種教學方式，充分發揮不同教學方式獨特的育人功能。混合式教學與物理實驗“共振”，催生物理實驗學習新范式。混合式教學（對學生而言就是混合式學習）由何克抗教授首次引入國內^[1]。混合式教學是將課堂教學與課外學習融為一體的教學，它需要以數字化教育資源為保障和基礎^[2]。也有學者認為混合多種教學理論、教學方法、教學手段、教學風格、教學方式、學習環境的教學都可稱為混合式教學^[3]。物理教師依托實驗開展混合式教學可激發學生學習動力。在混合式教學助力數字化實驗中，教師應用手機物理工坊Phyphox自帶的壓強和電梯模塊，指導學生觀測大氣壓變化，讓他們在真實問題情境中重構對氣壓變化的認識，認識數字化實驗應用的意義，有利于探索物理實驗的新方式。

一、物理混合式教學亟待解決的問題

教師開展物理混合式教學應摒棄以往工廠式的集中教育方式，以學生為中心實施彈性教育，分級教學，將在線學習和傳統課堂學習有機地結合，將虛擬空間與實體體驗相結合，兼顧“因材施教”與“有教無類”，實現知識框架的優化與方法迭代的協調統一^[4]。當前的課程教學以班級授課為主，如何將混合式教學模式融合應用于現有的系統中，補齊傳統教學的短板，需要教師探索。當前物理混合式教學主要存在如下問題。

（一）陷入混合之困，需要有效落實“雙減”政策

物理混合式教學強調學生自主學習，需要保障學生有充足的時間與空間，同時對學生的自主學習能力提出了很高要求。當前，高校物理混合式教學已成常態，中小學尚處于嘗試和探索狀態。初中生的學習特點突出，如人員集中、時間固定等，但他們自主時間匱乏，自控能力較弱。信息時代，社會、學校、家長都面臨如何讓學生真實參與、積極探索、自主學習、高效學習等棘手問題。在“雙減”政策的背景下，教師探索混合式教學，可以讓學生擁有更多的自主時間和空間。

（二）難以把控混合之度，需要規范學生的手機使用行為

學生的混合式學習路徑與學習體驗相關，教師對于教學過程中線上、線下的融合比例不易把控。線上教學是必備的教學活動，教師不能簡單地將其定位為教學活動的輔助或補充。線下教學應是以線上的教學為基礎開展的深度教學，而不是復制傳統教學。準確合理把握線上線下混合式教學中混合的程度很關鍵。同時，教師需要規范學生使用智能手機、平板電腦等設備的行為。教師如何把握混合程度，基于經驗的感知，或源于學情的判斷，又或統籌思維的提升，再或考慮教學的實踐，都亟須科學界定。

（三）缺乏精細化切塊呈現，需要科學分割視頻優化數據分析

對于物理實驗教學中一些難操作或危險度高的實驗，如托里拆利實驗，很多教師會借助視頻媒體展示實驗。教師連續播放物理實驗視頻，由于速度太快，導致學生很難迅速吸收，難以明晰各個步驟的因果關系。學生缺乏足夠的基礎認知加工這一建立因果關系認識的必要步驟，難以生成物理思維的長時記憶。如托里拆利實驗，師生可以用水、透明抗壓軟管探究大氣壓強的大小，并錄制實驗過程。教師利用10米多長的管道實驗創設真實情境，激發學生探究熱情，將視頻分割切塊，漸進式呈現測量過程中的數據，并進行深度分析，讓學生對知識理解更透徹。

（四）不重視專業的完整性，需要科學應用混合式模式開展實驗教學

混合式教學應用于物理實驗，具有靈活性和變動性，需要教師開展專業的完整的物理教學實踐活動。教師以強化物理學科知識的視角，建立以實驗探究為主線的教學模式，利用線上線下融合的方式開展物理實驗教學，要兼顧線下實驗的真實情境性，呈現線上展示的數據科學性和交流互動性，留給學生自主探究實驗的時間和空間，允許學生適當張揚個性。教師應用混合式教學模式，設計專業化的物理實驗過程和完整的物理實驗操作步驟，高效互動，才能更好地因材施教。

二、物理混合式教學助力數字化實驗的策略

物理混合式教學如何助力數字化實驗？筆者基于2016年德國亞琛工業大學開發共享的手機物理工坊Phyphox（Physical Phone Experiments）探析水氣壓計的變化（魯科版教材大氣壓強），利用傳感技術對傳統實驗進行驗證。混合式教學助力數字化實驗策略如下。

（一）混合傳統與創新視角下促進“對比、分析與思考”

教師將傳統實驗和創新實驗有機混合，可以促進學生對實驗可視化的對比、分析與思考。大氣壓非固定不變，而是隨海拔高度升高而減小的。教師直接呈現結果，學生存有疑問。筆者通過交流與調查發現，學生對上述結果并不明確——對于海拔高度差在1 km至12 km范圍內的壓強變化，學生很難去測量，也無法真實體驗。在混合式教學模式下，學生可利用信息技術，聯合伙伴協同跨越不同海拔地域，測量壓強;也可在同區域小范圍高度如1 m至100 m范圍內（相當于32層的樓高），探究其升高所引發的氣壓變化，體驗真實情境。筆者帶領學生在探究中應用水氣壓計和Phyphox手機傳感器進行研究對比，分析數據，探究大氣壓問題的，提升物理科學思維能力。筆者通過以上對比和補充，讓學生真實參與實驗探究活動，提高他們的物理學科核心素養。

（二）混合獨立與協作視角下提升“參與、體驗與獲得”

教師在物理實驗中將個體研究與協作探索有機混合，有助于提高學生物理素養。魯科版教材的“觀察與實驗”等內容介紹水氣壓計，關注學生的真實情境嘗試，真切探索體驗，真正的知識獲得。在教師的指導下，學生利用玻璃瓶、橡膠塞、細玻璃管、帶顏色的水等材料，將開口的透明吸管標記上刻度（與刻度尺聯合使用），穿過橡膠塞并插入水中，從管口向瓶內吹入少量氣體，使瓶內氣壓大于大氣壓，停止吹氣后，水沿吸管上升到瓶口以上。注意：裝置氣密性要好，要避免受熱和擠壓影響瓶內氣體壓強。水氣壓計實驗中儀器從0到92 m高度變化后的玻璃管中液面從3.7 cm到6.5 cm，高度差為2.8 cm，相當于280 Pa，而教材寫明海拔3000 m以下，大約每升高10 m，大氣壓減小100 Pa。實驗結果與教材不同。學生靜置裝置發現細管中液面下降，綜合分析后認為是漏氣所致。處理裝置氣密性難度很大。學生改善后再次實驗，效果好轉，但仍有待提升。實驗中，隨著高度增加，瓶內氣壓大于瓶外氣壓，使得玻璃管內液面上升，效果明顯。

（三）混合線上和線下視角下拓寬“分享、討論與探究”

教師開展混合式教學要以線上與線下融合配置的視角，選擇合適的時間、技術以匹配學習環境、資源和活動，讓學生形成適合自身需要的能力，達到優化教學方式的目的。學校開展混合式教學需要發揮教師的引導作用，使用適配教學方法和教學手段的技術手段，拓寬分享渠道，加深討論深度和探究程度，最大限度幫助學生在物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任等物理核心素養點上取得顯著的學習成果^[5]。在線上線下混合學習的模式下學生的學習更加高效：線下真實參與物理實驗，感受物理實驗設計的思路和探究的過程;線上利用Phyphox開源App和網站分享相關的測量數據（如圖1），共享實驗結果，共同分析歸納實驗規律。混合式教學讓學生在線上線下都可以針對氣壓隨高度的變化進行探討研究，構建大氣壓知識。

學生利用Phyphox這個App和互聯網，能在電腦上同步共享數據。在測量隨高度減小而壓強變化的過程中，筆者選擇本地一座32層高樓，將Phyphox和電腦通過熱點網絡連接好，點擊開始進行測量（如圖2）。隨著高度減小（從32樓降至1樓），壓強不斷增大（從992.1855 hPa升至1003.08673 hPa），轉而繼續研究隨高度變大（從1樓升至32樓），壓強不斷減小（從1003.0343 hPa降至992.09814 hPa）。在高度差約為92 m的變化中，壓強差變化約11 hPa。這些數據是基于智能手機自帶傳感器測量得到的，傳感器精度以及受其他環境因素的干擾等因素，是造成數據偏差的主要原因。未來用戶基于Phyphox可以外接傳感器，選用精度更高的外置壓強傳感器實驗。

（四）混合生活和應用視角下審辨“操作、嘗試與實踐”

筆者從生活情境切入，讓學生認識水銀氣壓計、金屬盒氣壓計等。學生通過學習大氣壓強知識后，發現校園中滅火器上的壓力表。筆者以此切入，讓學生審辨、思考物理知識與生活的聯系，感受操作、活動與實踐的樂趣，體會物理學習的本真意義。學生通過閱讀教材和搜集相關資料，明確測量氣壓的儀器叫氣壓計（見表1）。基于托里拆利實驗原理測量大氣壓的儀器被稱為水銀氣壓計，該儀器測量數據準確但攜帶不便;生活常用的氣壓計是金屬盒氣壓計（無液氣壓計），該儀器攜帶方便但測量數據不夠精確。教材提到天氣變化影響大氣壓。一般來說，陰雨天大氣壓會低些，天氣晴朗、干燥時大氣壓會高些。學生通過對知識的學習，在對比生活化的應用中，更能感受物理與生活的緊密聯系。

三、物理混合式教學助力數字化實驗的思考

教師開展混合式教學應以學生為中心，指導學生掌握知識并進行運用與創造;提高學生能力，培養毅力和科學精神;鼓勵學生個性化自主學習，指引學生成為終身學習者^[6]。教師將數字化實驗融入混合式教學中，能更好地發揮Phyphox的優勢，激發學生的興趣，培養學生的關鍵能力。

（一）創新作業方式開拓新范式

創新作業方式是符合當前“雙減”要求的。在紙筆作業以外，教師創新數字化實驗，并結合實驗設計物理知識、規律探究作業，能激發學生的學習動力。學生真實參與實驗的設計工作，并親歷數據的收集與處理，對物理學科知識、規律的認識會更加明晰。未來物理學科作業，應當依托物理實驗的特色屬性，展現對學生動手操作、參與體驗、團隊協作等能力^[7]，教師可以這種復合型、綜合性的新的作業范式，改進實驗教學。

（二）引入新視角合理使用手機

手機管理是中小學管理內容之一，也是管理上的難點、痛點。智能手機附帶海量信息網絡資源，教師需要客觀科學公正對待。教師利用Phyphox的開源性網站、App中的互動功能，以及智能手機自帶的傳感器，可以帶領學生及時收集處理數據，不受空間限制地開展物理實驗活動，如測量速度、壓強、磁場等，這極大改變了家長及師生對智能手機使用的態度和認識。師生和家長要以新視角看待智能手機使用問題，未來學生的學習探索是不能避開網絡和信息技術支撐的。

（三）分析實驗數據提出新方法

物理實驗數據收集后的分析非常重要，師生都應當具備從數據中總結物理規律的能力。Dislab實驗器材比較豐富，但價格較高。Phyphox的應用，解決了實驗器材難配置的問題，優化了實驗數據處理的效果。無論是收集測量結果，還是生成規律曲線，Phyphox足以支持師生開展大量有趣有用的物理實驗^[8]。師生應用Phyphox進行實驗數據分析、處理非常方便。

（四）融合混合模式嘗試新實踐

混合式學習是未來學習的主流方式，教師使學習形式、學習內容、學習力、學習者等混融共生是混合式教學的關鍵嘗試。教師應在混合式教學中針對性因材施教，優化班級授課模式，嘗試走班制、選修制，在不改變紙筆考試核心地位的前提下，注重學生素養發展，提高他們的學習能力。

混合式教學是未來學校的主流教育方式，注重以學生為中心、個性化定制、全員育人^[9]。混合式教學模式下，適應傳統課堂教學的學生能得到發展;未能跟上節奏的學生也可以通過混合式學習來加強知識儲備，如此各展其才，人人成功。物理實驗的數字化趨勢更加貼近生活，這引發師生對Phyphox等工具大膽嘗試應用。混合式教學的新模式和數字化實驗的新手段支持學生在測量磁場、電場、音調、響度、光強度等方面進行深入研究，甚至拓展到生物學、化學等學科進行跨學科探究。

注：本文系山東省教育科學“十三五”規劃2020年度立項課題“初中物理混合式教學生態區塊鏈研究”（課題編號：2020ZC074）的成果。

參考文獻

[1] 何克抗.從Blending Learning看教育技術理論的新發展（上）[J].電化教育研究，2004（3）：1-6.

[2] 周雨青，葉善專，朱明.物理教學中使用“混合式”教學模式的實踐與瞻望[J].中國大學教學，2010（4）：17-19.

[3] 尹慶豐，耿宜宏.基于翻轉課堂的混合式教學設計與實踐——以“交變電流”為例[J].物理教師，2021（5）：18-22.

[4][6]邁克爾·霍恩，希瑟·斯特克.混合式學習：用顛覆式創新推動教育革命[M].聶鳳華，徐鐵英，譯.北京：機械工業出版社，2017.

[5] 金羽茜.基于SPOC的初中物理混合式教學設計與應用研究[D].武漢：華中師范大學，2019.

[7] 梁喆.融合項目式與生活化的物理實驗教學[J].中小學數字化教學，2018（7）：53-55.

[8] 周祎，馬如寶.創設真情境，探究真問題——以phyphox軟件為支架的“牛頓運動定律的應用”教學設計[J].物理教學， 2019（8）：2-6.

[9] 梁喆.區塊鏈與空中課堂融合路徑探究與展望[J].中小學數字化教學，2022（4）：70-73.

（作者梁喆系山東省淄博市淄川第二中學教師;李金玲系山東省淄博市淄川區雙楊鎮趙瓦小學教師）

責任編輯：祝元志