中學物理課程數(shù)字資源簡介

陶 揚 王玉婷 邢紅軍

（1.首都師范大學教師教育學院，北京 100048；2.首都師范大學教育學院，北京 100048）

物理學科課程資源作為物理課程目標實現(xiàn)及課程實施的基礎和保障，不僅是重要的物理教育理論研究問題，更是物理教育實踐研究領域面臨的創(chuàng)新問題與重要課題.為充分發(fā)揮各類中學物理課程數(shù)字資源的作用，亟需基于橫向對比與動態(tài)發(fā)展的視角，研究各類物理課程資源及其制作工具，推動物理課程數(shù)字資源的應用與可持續(xù)發(fā)展，為物理教育高質量發(fā)展奠定堅實基礎.

1 中學物理課程數(shù)字資源類型

當前國內物理課程資源主要包括教科書等文字課程資源、多種媒體課程資源、實驗室課程資源以及社會課程資源4類.根據(jù)國內中學物理課程數(shù)字資源的發(fā)展情況，本文總結了數(shù)字教材、多媒體資源、虛擬實驗室3種典型的校內中學物理課程數(shù)字資源.

1.1 數(shù)字教材課程資源

當前，數(shù)字教材已成為我國中學物理課程資源不可或缺的一部分.數(shù)字教材并非簡單的紙質教材電子化，兩者在內容和形式上有著實質性區(qū)別.國內物理數(shù)字教材研究極為豐富，涉及研發(fā)、應用、評價、教育出版等多個方面.［1］基于資源供給主體，可將數(shù)字教材分為兩類：出版社研發(fā)的數(shù)字化教材與教育實踐工作者研發(fā)的數(shù)字化教材.（1）各出版社開發(fā)的數(shù)字化教材主要以紙質教科書為藍本嵌入多媒體類教學資源，利用信息技術豐富教科書的配套資源，以學年為單位，覆蓋面較廣，相對系統(tǒng)化.如人教社基于紙質版物理教材構建《人教版數(shù)字教材物理》資源體系，明確數(shù)字教材中引入不同教學環(huán)節(jié)對應的欄目和資源類型.（2）教育研究實踐者根據(jù)課程教學需要自行設計的數(shù)字教材，以知識為單位，重在體現(xiàn)“人－機”交互特性.如李彥基于“牛頓第三定律”設計的數(shù)字教材主要體現(xiàn)數(shù)字教材與學生之間的強交互性.［2］展望未來，如何基于物理學科本質與學生認知發(fā)展規(guī)律設計中學物理數(shù)字教材，亟須進行更為深入的研究.

1.2 多媒體課程資源

多媒體課程資源建設類型較為豐富，通過將不同音頻、視頻、動畫、軟件等媒體素材融為一體，從而滿足學習者多感官學習需求.多媒體課程資源建設材料易“拼裝”組合，具有富媒體化、智能化等利好特性.基于主要使用的媒體手段可將多媒體課程資源在物理教學中的應用劃分為3類：（1）借助多媒體課件實現(xiàn)符號、文字、圖像、聲音、視頻等多感官立體化呈現(xiàn)物理教學知識.如課件內嵌超鏈接推薦科技類節(jié)目，展示與物理規(guī)律相關的科學技術最新成果；利用慢鏡頭錄制與倍速播放視頻展示顏料在液體中的擴散等.（2）借助教學軟件、計算機、手機等軟硬件輔助教學.如借助計算機強大的運算功能，繪制物體運動學實驗中質點運動軌跡；利用手機拍攝加速度運動，通過內置傳感器記錄運動數(shù)據(jù)等.（3）以互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫為主導，借助數(shù)字化學習平臺系統(tǒng)建設物理多媒體課程資源.國家中小學智慧教育平臺是當前國內中小學課程資源最集中、最體系化的數(shù)字化學習平臺.

1.3 虛擬實驗室課程資源

隨著信息技術與物理教學的深度融合，我國中學物理實驗逐漸呈現(xiàn)現(xiàn)代化、智能化的發(fā)展趨勢.借助虛擬現(xiàn)實技術，為學生提供虛擬實驗操作環(huán)境，降低學生實驗試錯成本、縮短教師實驗演示時間.當前虛擬現(xiàn)實技術應用于物理實驗室的建設可分為4類：桌面式虛擬仿真實驗室、沉浸式虛擬仿真實驗室、遠程分布式虛擬仿真實驗室和基于增強現(xiàn)實技術的實驗室.桌面式虛擬仿真實驗室是當前中學物理最常用的虛擬實驗室類型，價格相對便宜，主要用于解決實驗條件要求高、實驗資源匱乏、師生分離等問題.國內虛擬實驗室課程資源建設主要集中于大學物理實驗教學中，特別是后3類實驗室資源，中學階段研究數(shù)量與規(guī)模相對較少.［3］

2 中學物理課程數(shù)字資源制作工具

按照功能特點與應用場景劃分，物理課程數(shù)字資源制作技術工具主要分為3大類：一是數(shù)字文本資源工具，主要是制作數(shù)字化文本類資源；二是動態(tài)演示分析類工具，包括動態(tài)呈現(xiàn)知識講解的制作工具、繪制圖形或測量計算類工具及實驗視頻分析類工具等；三是虛擬實驗技術類工具，隨著技術的發(fā)展與成熟，虛擬實驗室正從純虛擬技術向虛擬技術與現(xiàn)實世界融合的方向發(fā)展.

2.1 數(shù)字文本資源工具

數(shù)字化文本工具的主要作用是將文本內容數(shù)字化呈現(xiàn)（詳見表1），當前在中學物理中的應用主要有制作數(shù)字教材及數(shù)字化教學內容（詳見表2和表3，如思維導圖制作軟件）.工具軟件使用要求低，教師容易上手.中學物理思維導圖的研究側重于初中物理教學應用研究、綜合復習的實踐與實證研究等方面.［4］物理學對于公式的準確性與可讀性要求較高，在尊重物理學科知識固有邏輯路線的基礎上，如何創(chuàng)新物理數(shù)字教材文本與知識內容的呈現(xiàn)形式還有待深入研究.

表1 數(shù)字化文本工具列表

表2 教材電子化呈現(xiàn)主要工具功能特點

表3 知識脈絡梳理主要工具功能特點

2.2 動態(tài)演示分析工具

動態(tài)演示分析類工具種類繁雜，功能豐富（詳見表4），在政策導向與實踐需求的雙重作用下，此議題一直是中學物理信息化教學研究的熱點與重點.動態(tài)演示分析類技術工具特點鮮明，對教師的信息素養(yǎng)要求相對較高.

表4 動態(tài)演示和分析工具列表

2.2.1 知識講解類工具

知識講解類工具以微課、微視頻、動畫制作為主（詳見表5），此類工具可與其他學科互通.目前國內課程資源建設領域此類工具的研究成果較為豐富，主流工具功能齊全，各有千秋.此類工具主要應用于物理概念和規(guī)律教學的微課、習題講解或演示類實驗教學視頻的制作等方面.

表5 知識講解型主要工具功能特點

2.2.2 繪制測量類工具

相比之下，繪制測量類工具在設計之初已具備理科教學特點，此類工具的應用存在一定的學科壁壘，部分軟件主要針對特定的教學內容板塊，故本文針對在中學物理課程與教學實踐研究中應用較為廣泛的幾個工具展開具體介紹.

（1）幾何畫板.

幾何畫板（The Geometer's Sketchpad）是一款幾何作圖軟件，既能繪制靜態(tài)的幾何圖形，也能實現(xiàn)動態(tài)的幾何關系，展示動畫過程.該軟件主要用于中學物理顯示幾何對象的位置關系、運行變化規(guī)律等內容.幾何畫板可用于電磁學、力學、運動學、光學等知識板塊.如在“帶電粒子在勻強磁場中的運動”教學中，借助幾何畫板繪制帶電粒子的運動軌跡及演示粒子打在熒光屏上的位置變化，以及在各個方向射出的、不同速度的帶電粒子經(jīng)過的區(qū)域.［5］在探究性學習活動中，其“可視化”的特點可用于支撐學生驗證實驗數(shù)據(jù)，如驗證彈簧振子運動的位移- 時間圖像符合正弦函數(shù)規(guī)律.［6］

（2）GeoGebra.

GeoGebra（又稱“動態(tài)幾何畫板”，以下簡稱GGB）是一款免費動態(tài)教學軟件，最初應用于數(shù)學學科教學，國外相關研究較為豐富.GGB是近幾年較為熱門的物理課程數(shù)字資源制作軟件，其研究側重于：一是在物理概念教學中的可視化應用（如力學、光學、熱學、電磁學等）；二是在習題講解中物理模型的可視化展示；三是輔助物理開展實驗教學、探究式教學等的綜合應用.［7］值得注意的是，當前對于GGB的應用實踐研究還存在一些空白領域，如在三維空間可視化的應用、課堂交互功能的應用、資源使用效果的實證研究、應用策略等.

2.2.3 視頻分析類工具

視頻分析工具主要是利用數(shù)碼攝像、圖像處理等技術對抓拍到的圖像或視頻進行自動化、智能化處理的工具.數(shù)字圖像具有分辨率高、可后期處理、無損存儲、可連續(xù)拍攝等優(yōu)點，適合應用于物理實驗中的精密讀數(shù)、數(shù)據(jù)記錄、非接觸性測量以及連續(xù)對比觀測等實驗場景中.［8］目前國內的視頻分析類工具在物理教學中的應用較為集中，主要體現(xiàn)為借助數(shù)據(jù)挖掘技術分析并構建物理運動模型.

Tracker軟件是一款免費的基于Java的開源物理視頻分析和建模工具.通過分析物理實驗視頻，選定并追蹤質點或質心的運動軌跡，預測運動軌跡，最終實現(xiàn)定量分析實驗數(shù)據(jù).Tracker的主要作用是為運動學實驗提供直觀的數(shù)據(jù)分析、軌跡預測等，是一個支持師生進行運動學實驗分析和探究的平臺.［9，10］

2.3 虛擬實驗技術工具

20世紀70年代至今，虛擬實驗室課程資源技術工具的研究可分為3個階段：第1階段是制作純虛擬資源技術工具，側重于制作平面2D或3D圖形；第2階段是虛實結合類技術工具，構建沉浸式教學環(huán)境，鏈接現(xiàn)實與虛擬世界；第3階段是教育元宇宙（Edu－Metaverse），突破物理世界的局限，通過網(wǎng)絡教學空間營造一個新的虛擬世界，使師生在物理和虛擬世界同時獲得現(xiàn)實和虛擬教學的需求.［11］當前技術發(fā)展主要集中于第2階段（詳見表6）.

表6 虛擬仿真實驗類工具列表

2.3.1 純虛擬仿真實驗類工具

（1）PhET.

Ph ET（Physics Education Technology）是一款自由仿真互動實驗軟件，包括物理、化學等理科項目，物理學科提供模擬教學動畫、模擬測量工具等，包含“運動，聲音、振動、波、功、能量、功率，熱學，量子現(xiàn)象，光和輻射，電場、磁場、電路”等內容，該軟件的社區(qū)網(wǎng)站上為用戶提供了豐富的互動仿真實驗程序.［12］

（2）NoBook物理實驗.

NoBook物理實驗是一款中學物理實驗操作與演示工具.該軟件提供綜合性實驗所需的實驗儀器，用戶可根據(jù)需求定制器材與參數(shù)，自由組合完成實驗操作與演示.軟件包含“電與磁”“家庭電路”“聲學”“光學”“熱學”“力學”“力與運動”“近代物理”8個模塊，基本涵蓋初高中實驗操作.

（3）Algodoo.

Algodoo軟件是一款2D仿真虛擬物理實驗軟件（2D Physics Sandbox Algodoo，二維物理沙盒），軟件無須編程，適用于仿真力學實驗，可繪制任意形狀物體及其運動圖像.該軟件可展現(xiàn)物理概念與規(guī)律，如正弦波、動量守恒定律等；模擬各類運動，仿真各種碰撞過程；構建裝置進行實驗設計等.

2.3.2 虛實結合類技術

具有三維空間的虛擬實驗交互技術日益受到研究者的青睞，虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術如何應用于物理實驗教育成為新一輪研究熱點.當前，國內外針對AR物理實驗展開的大量研究主要集中于：（1）AR物理教學資源的設計與開發(fā)，如利用AR 3D技術進行凸透鏡成像實驗；［13］利用Unity 3D設計開發(fā)符合物理規(guī)律的封閉光滑的磁感線；［14］利用 AR 開展電磁感應教學；［15］融合 AR和Microsoft Kinect體感交互技術開展“磁場”知識教學等.［16］（2）AR技術能否促進學生學習的實驗與準實驗研究.當前學術界關于AR對學習成績影響的主流結論是：AR有助于提高學習成績.國內外研究均表明AR對物理學科產生中等程度的影響.［17］AR技術通過虛實信息的交疊融合，實現(xiàn)了物理世界和虛擬世界的無縫融合，加強了人機自然交互，降低了認知負荷，有助于學習者高階思維能力的發(fā)展，為學習方式的變革提供了可能.［18，19］

3 發(fā)展建議

3.1 因地制宜遴選技術工具，豐富物理課程數(shù)字資源

隨著教育信息化2.0工程的深入推進，各類技術工具不斷拓寬物理課程數(shù)字資源的設計與制作渠道.受地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平、教育資源軟硬件配置等多種因素制約，各地開展物理課程數(shù)字資源建設的類型與進度存在差異.發(fā)達地區(qū)學校有充足的資金引入VR、AR等新興技術建設物理實驗室，技術工具更新迭代速度較快；經(jīng)濟相對落后地區(qū)的學校教師可選用NoBook、Ph ET等免費或低成本的純虛擬仿真實驗類工具、引入演示實驗類視頻資源輔助實驗教學，提升物理實驗教學效果.教師要理性看待新技術、新工具，綜合選擇并組合各種方法、策略與技術工具.不同技術工具擁有不同的媒體特性與教學功能，我們應充分關注不同技術工具的應用場景與技術要求，注重技術工具與課程資源建設的適用性，充分發(fā)揮技術工具應用的潛能和效益，實現(xiàn)技術工具在教學中的有效應用，進而豐富物理課程數(shù)字資源.

3.2 評估技術工具的有效性，確保兼具教育價值屬性

技術工具對于物理課程數(shù)字資源建設而言，既是機遇，又是挑戰(zhàn).一方面，各類技術工具融入資源建設的全過程，能夠不斷豐富物理課程數(shù)字資源建設類型；另一方面，如果沒有恰當?shù)剡x擇與應用技術工具，則會使物理課程數(shù)字資源建設陷入“為技術而技術”的誤區(qū)，就有可能出現(xiàn)物理課程數(shù)字資源建設中存在技術應用目的與效果不相吻合的情況，如制作微課目的是讓學生理解概念規(guī)律的物理意義，但在實際應用中，炫酷的動畫技術所達到的教學效果更多地表現(xiàn)為吸引學生的興趣，從而導致技術應用的“目的”與“效果”南轅北轍.為此，我們需要明晰技術工具的應用目標，技術工具在課程數(shù)字資源建設中的關注點應從技術設施、工具類型轉向評估技術工具應用的有效性.技術工具應用的有效性是指技術工具的選擇與應用符合教育教學規(guī)律，例如符合學習者特征、符合學習活動所要求的媒體特征等，用戶根據(jù)實際所需選擇相應功能，實現(xiàn)預期的應用效果，確保技術工具應用兼具教育工具與教育價值雙重屬性.

3.3 加強支持和培訓的力度，提升教師技術應用能力

工欲善其事，必先利其器.物理課程數(shù)字資源制作與應用離不開教師信息技術應用能力的支撐.教育主管部門及學校教研領導一方面應注重圍繞學校信息化教學推動教師研訓，遴選以專家和優(yōu)秀教研員及專業(yè)技術人員為支撐的高素質研發(fā)團隊，推動教師應用技術工具制作物理學科資源，提升教師的信息素養(yǎng)水平；另一方面，積極引入云計算、虛擬現(xiàn)實和人工智能等前沿技術支持的物理學科工具與虛擬實驗室等課程資源，完善資源和工具動態(tài)更新機制.此外，教師也需要有意識自發(fā)地提高自身的信息技術應用能力，一是適應社會發(fā)展潮流與教育改革需求，創(chuàng)新教育教學理念，積極建設物理課程數(shù)字資源；二是充分利用現(xiàn)有的物理課程數(shù)字資源，如國家及省市各級建設的教育資源公共服務平臺上提供的課件、微課、習題等優(yōu)質課程資源等.