科學思維育人理念下的物理實驗作業數字化實踐策略

王國軍　湯金波

2021年7月，國家開始實施“雙減”政策，要求中小學提高作業設計質量，發揮作業診斷、鞏固、學情分析等功能，系統設計符合年齡特點和學習規律、體現素質教育導向的基礎性、彈性作業，克服機械、無效作業。2022年6月，教育部發布《教育部辦公廳關于做好2022年中小學暑期有關工作的通知》強調，要充分利用暑期鞏固學習成果，嚴格控制暑假書面作業總量，鼓勵布置探究性和實踐性作業。數字化作業是落實核心素養培養要求的可行路徑，它可以減少學生書面作業量，實現探究式作業和實踐性作業，達成減負增效目標^[1]。如何實現高效作業呢？筆者結合實例探索科學思維育人理念下的物理實驗作業數字化實踐方法與策略，以創新作業樣態，有效落實“雙減”政策。

一、數字化作業的概念及功能

數字化作業是數字智能時代背景下應用各種形式的數字化工具完成一系列作業的過程，簡言之，就是作業數字化。目前，最常見的數字化作業工具有QQ軟件、微信及各種教學App或電腦軟件等，這些數字工具在作業中發揮不同功能，有的是作為通信平臺，有的用于答疑解惑，有的用于數據監測，等等。相較于紙筆作業，數字化作業優勢明顯，可以彌補傳統作業的不足。數字化作業不受時間和空間限制，可以實現師生遠端交流。教師只要準備好作業即可借助數字工具推送給學生，讓他們在時限內完成并提交，便可以親自線上批閱或直接利用網絡自動批閱。這有利于學生提高對新工具的使用能力，也有利于開闊視野^[2]。智能時代，數字化產品層出不窮。學習使用數字化工具是提升學生信息素養的一條有效途徑。相較于紙筆作業，數字化作業豐富了學生完成作業的形式，這也是智能時代對于學生信息素養的基本要求。數字化作業有利于引導學生重新認識數字工具的正向特征和用途：手機及有關軟件不再只是娛樂工具，而是促進個人素養發展的利器。筆者所說的數字化作業主要是指使用數字工具進行通信，輔以其他軟件綜合完成任務的過程。

二、數字化作業培育科學思維的模型

思維是指理性認識或理性認識的過程，其思維工具為語言，主要方式有判斷、推理等，方法包括抽象、歸納、演繹、分析和綜合。科學思維主要指人腦對信息的加工活動，具有較強的邏輯性、嚴謹性、系統性和客觀性^[3]。《義務教育物理課程標準（2022年版）》（以下稱“課標”）指出，科學思維主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新^[4]。筆者對數字化作業流程進行了一般性總結（如圖1^[5]），在此基礎上構建數字化作業培育科學思維的模型（如圖2）。教師布置作業之前必須明確目標，如果目標不清晰，布置作業時就會手腳忙亂，難以保證作業質量，更談不上增效。明確作業目標后，教師根據本學科的突出特征及育人特征確定作業的內容形式。教師確定作業目標和內容形式后，基于時間與空間特點，借助數字化通信工具溝通，彌補紙筆作業的不足。筆者將結合物理學科特點，談科學思維育人理念下的實驗作業數字化實踐策略。

三、基于科學思維育人理念的物理實驗作業數字化實踐策略

實驗作業的形式有紙筆實驗作業和動手實踐實驗作業。動手實踐作業既能幫助學生鞏固理論知識，又能提高學生動手、動口、動眼、動腦能力。改變作業機械化、單一化、枯燥化的局面，對于學生科學思維的培養具有舉足輕重的作用。筆者從課內、科內、跨學科三個層面，循序漸進培育學生的能力。具體策略如下。

（一）再現課內知識，鞏固模型建構能力

筆者布置課內知識再現這種類型的課后動手實踐作業是為了幫助學生鞏固所學知識和技能。這類作業屬于動手實踐作業中的低階思維水平作業，也是基礎型作業。基礎性、實踐性的實驗作業是通向高階思維的奠基石，也是創新的根本。在實驗實踐過程中，學生需要準確地將課內的實驗動手探究要素進行再現。課標對于模型建構的要求是：“會用所學模型分析常見的物理問題”^[6]。建立模型是學生學會分析物理問題的關鍵能力之一。學生在遇到問題、解決問題的過程中，學會抓住要解決問題的關鍵因素，從而建構出能表征客觀問題本質特征的圖式，發展了對物理現象的本質特征進行抽象、概括、綜合的能力，學會像物理學家一樣思考問題。

“探究光的反射規律”“探究杠桿的平衡條件”“探究串并聯電路中的電流、電壓特點”等探究實驗，看似在課堂上已經完成小組探究，其實大多浮于表面。學生在短短的十幾分鐘內經歷了問題的提出、猜想、實驗設計、器材準備，以及功能定位、證據收集、證據分析、得出結論、評價交流過程，雖然每一節探究實驗有側重點，但是并沒有熟練地掌握并靈活運用，有的學生只是聽說過這些環節。為此，筆者布置數字化作業，讓學生錄制視頻重現實驗過程，像教師一樣對實驗探究環節進行探索。筆者在查看學生作業過程中關注學生的語言、圖像、文字等信息，判斷他們是否掌握并為后期的實驗教學提供參考。例如，筆者完成“探究光的反射規律”實驗教學后，為了檢驗學生是否對這一實驗過程及科學模型真正理解，利用QQ軟件發布課后“探究光的反射規律”的實驗作業，要求學生完成光反射規律的探究實驗，利用光路圖總結實驗結論。學生重現實驗過程（掃碼看視頻），繪制光路模型（如圖3）。學生看到光的路徑，客觀地將其記錄在光屏上，具備初步的建模能力。類似情形在學生作業中出現的頻率是最高的。對于“會用所學模型分析常見物理問題”的要求，學生在實驗過程中多次改變入射角后能夠得出光的反射規律，然而這個光路模型卻缺失了模型的關鍵特征——方向性。為此，筆者在與學生交流過程中，不斷啟發誘導，讓學生自主發現繪制的光路模型中存在的問題，并補充糾正。

這種課內知識再現型實驗作業看似無味，但對很多學生來說不可或缺。在學生獨立完成實驗作業的過程中，其語言暴露了他們對相關知識的掌握情況。物理是一門精細化的學科，細節決定成敗，每一個細節都不能忽視。這種細節訓練有利于培養學生認識模型本質特征的能力。

（二）應用科內知識，提升質疑創新能力

筆者提及的應用科內知識是指學生在學習物理學科知識以后應用物理知識解決生活中或自然界中的相關問題的過程，這有利于學生在解決問題的過程中提升質疑創新的能力。質疑創新是學生思維處于高階水平的表現，質疑是發現問題的源泉，沒有質疑就難以發現問題，有了問題意識，就有了探究的方向，有了探究方向，創新思維就有了舞臺。課標對學生的“質疑創新”能力提出了具體要求：能獨立地思考，對有關信息、方案和結論提出自己的見解，具有質疑創新的意識^[6]。愛因斯坦曾說：僅僅用專業知識教育人是不夠的，學校的教育目標應當是培養具有獨立行動和獨立思考的個人。質疑需要學生有獨立思考的意識。學生學會獨立思考，就學會了質疑，并在質疑中成長甚至發展批判性思維，這正是創新之源。

下面舉例說明。慣性是物體保持原來運動狀態的一種性質。對于該知識的應用，課堂上教師列舉大量的生活實例，如用手拍打衣服上的灰塵、乘車時抓好扶手、系好安全帶……甚至當場演示很多驚險的模擬生活場景的實驗，目的是讓學生在真實情境中學會應用慣性知識解釋這些現象的成因，同時認識到慣性有利有弊。筆者曾布置過這樣一道作業習題：桌上放一個裝滿水的瓶子，中間有一個氣泡，先使瓶子在桌面上勻速向右運動，然后使其停止，則氣泡將怎樣運動？很多學生回答：向右邊運動，因為瓶子和氣泡先向右運動，當瓶子停下來時，氣泡由于慣性會保持原來的運動狀態，故向右運動。極少數學生提出了相反的意見，但無法進行完整的、正確的解釋。此時，學生相互質疑哪種解釋才是正確的。怎么辦呢？如果教師繼續進行理論上的解釋，很多學生還是疑惑不解，甚至覺得這個問題的答案與慣性的概念以及剛剛列舉的實例情境完全矛盾。為了解除困惑，課后筆者給學生布置數字化作業，讓學生看看能否借用現有的App解決問題。果然，有學生利用“剪映”App的視頻慢放功能呈現慢鏡頭下的氣泡運動情況（掃碼看視頻）。

學生完成數字化作業后對結論真正信服，不再質疑。學生靈活應用了數據軟件對實驗作業視頻進行編輯慢放，觀察到氣泡的真實運動情況，解開了氣泡到底向哪個方向運動的謎團。如果用紙筆完成作業，很多學生無法以抽象的方式得出結論。數字化作業激發了學生應用數字工具進行釋疑的創新能力，擴展了他們使用數字工具的視野，提高了信息素養。

（三）跨學科實踐，培育論證推理的能力

跨學科實踐是課標中的一級主題，它包含物理學與日常生活、物理學與工程實踐、物理學與社會發展3個二級主題，其內容豐富，涉及面非常廣，深度也可以很深。對于跨學科實踐，課標強調要注意收集學生運用多學科知識和跨學科思維分析、解決問題的行為表現。如何收集學生的這些行為呢？較好的一種方式就是布置一定量的具有綜合性、開放性的跨學科實踐作業。數字化實踐作業可以為跨學科實踐作業帶來一線生機。學生錄制實驗視頻，需要解說整個實驗環節，進行邏輯推理，得出結論。解說不僅可以鍛煉學生的口語表達能力，而且可以看出學生的思維過程和存在的問題，從而為學生的素養發展提供診斷依據。跨學科實踐作業的目標就是要學生學會應用多學科知識解決一個綜合性的問題，在這一過程中，培育跨學科觀念，形成跨學科思維，運用跨學科知識和方法進行探究，具備跨學科思考并解決問題的責任態度。

舉例說明。溫度計的使用及讀數是初中學生必須掌握的技能。液體的熱脹冷縮是液體溫度計的工作原理。百年間，溫度計被從事不同職業的人改造。學生參與一次溫度計的制作實踐，不僅能真實體驗熱脹冷縮到底是怎么一回事，而且能了解科技史，認識到原初溫度計制作的不易和史料的價值。筆者為了讓學生體驗溫度計的制作，布置了“自制刻度尺溫度計”的數字化實踐作業。學生找來了小瓶、吸管、刻度尺、紅墨水等，向小瓶注入一定量的紅墨水，由于只有一根吸管，上面沒有刻度，只能借由吸管內部液面的上升或下降粗略判斷外界溫度是上升還是下降。給簡易溫度計綁上一把刻度尺，用刻度表示溫度值能否顯示溫度變化情況呢？學生經過多輪實測，收集證據，對收集到的數據進行推理，得出刻度尺每厘米表示多少攝氏度，對自制溫度計進行定標。學生在這一系列的實踐過程中自然而然地形成了初步的工程思維和數理邏輯思維。學生認真完成數字化實驗作業（掃碼看視頻），記錄證據（見表1和表2），推理得出刻度尺每厘米約代表5.4 ℃。學生對刻度尺的溫度定標后，再次進行實際測試，對比后讀取自制刻度尺溫度計的測量值數據：1號液體中刻度尺上的刻度為14.8 cm，對應的溫度為14.8 cm×5.4 ℃/cm=79.92 ℃；2號液體中刻度尺的刻度為3.7 cm，對應的溫度為3.7 cm×5.4 ℃/cm=19.98 ℃。實驗測得的數據與用市面上購買的溫度計測得的結果基本相同，自制刻度尺溫度計測溫度的可行性得到了驗證。

這樣的數字化跨學科實踐作業對于學生來說受益良多，既鞏固了物理學科知識，又融入了工程思維和邏輯思維，體現了根據實際立足本學科，適當跨學科進行創新突破的思想。也許學生在實踐中并不理解什么是跨學科，跨學科到底有什么價值，但是他們在實踐中悄無聲息地形成了跨學科觀念，培育了跨學科思維能力，能運用多學科知識和方法進行探索。這為學生提升終身必備品格和關鍵能力奠定了基礎。

數字化作業彌補了紙筆作業的不足，特別是當師生各在一方，數字化作業既能縮短師生之間的物理距離，又能讓師生之間的語言溝通與感情聯系不間斷。智能時代，學生使用數字工具完成作業有利于提升自身的信息素養。物理教師科學推進實驗作業數字化，可以實現作業基礎性與綜合性的統一、有效性與探究性的統一、單學科與多學科融合的統一，促進學生學科素養的提升以及終身必備品格和關鍵能力的養成。未來，數字化作業將更好地實現與紙筆作業優勢互補，助力學生成長。

注：本文系貴陽市2023年教育科學規劃課題“‘雙減背景下的初中物理學生自主創新實驗作業評價實踐研究”（編號：GYYB23121）的階段性研究成果。

參考文獻

[1][2][5]王國軍，湯金波，王儷運.“雙減”背景下物理學科數字化作業探索[J].中小學數字化教學，2021（12）：32-35.

[3]廖伯琴.核心素養與課程目標[J].中學物理教與學，2023（7）： 30.

[4][6]中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準：2022年版[S].北京：北京師范大學出版社，2022：5.

（作者王國軍系貴州省貴陽市貴安新區花溪第六中學教師；湯金波系南京師大附屬中學樹人學校特級教師）

責任編輯：祝元志