六維技術融合賦能初中物理實驗教學創新實踐

《義務教育物理課程標準（2022年版）》將核心素養置于課程目標中心，實驗教學被賦予前所未有的使命。然而，儀器數量與精度不足、數據收集與分析低效、抽象概念與動態過程難以直觀呈現等問題，長期制約課堂質效。信息技術的高速迭代為破解上述難題提供了新路徑。為突破上述瓶頸，筆者基于建構主義與沉浸式學習理論，構建了“六維智創”教學模式，形成“情境一探究一分析一拓展一應用”的完整閉環。實踐表明，該模式顯著提升了學生的學習興趣、科學探究與實踐能力以及數據處理效率，深化了學生對物理觀念理解與知識遷移應用能力。下面，筆者以“凸透鏡成像規律”教學為例，闡釋該模式的核心理念、技術架構、實踐路徑及成效。

一、傳統實驗教學的局限

初中物理傳統實驗在教學中發揮了重要作用，但也存在一定局限。

其一，儀器供應與精度不足。器材數量有限導致學生需分組共用，個體實際操作時間與機會受限，難以滿足深度探究需求。部分儀器精度不足，無法精準呈現實驗現象與內在規律，影響學生對物理概念的理解與規律總結。

其二，數據處理效率低下。學生需同時操作儀器與手工記錄數據，精力分散易致記錄偏差，嚴重影響數據的時效性與準確性，阻礙后續深入分析。初中生認知能力尚在發展，面對復雜數據，僅憑簡單觀察與常規分析難以有效探尋規律，制約科學思維發展。

其三，現象觀察存在障礙。抽象物理概念（如焦距、實像、虛像）依賴教師口頭講解與靜態圖示，學生理解往往浮于表面。靜態示意圖與簡易演示難以完整、清晰地展示實驗動態過程（如像隨物距變化的連續演變），學生難以構建清晰認知模型，影響學習效果[1]。

二、“六維智創”模式的內涵與架構

“六維智創”教學模式深度融合建構主義與沉浸式學習理論，依托六種信息技術構建沉浸式互動學習環境。

虛擬現實（VR）：創設真實問題情境，奠定探究起點，提供高仿真感官沉浸。

虛擬實驗（NB）：提供安全、可重復、資源豐富的虛擬實驗環境，輔助設計操作，彌補真實實驗的不足。

共享文檔（SD）：實現實驗數據無線、實時、多端同步收集與共享，提高協作效率，完成“采集”環節的任務。

電子表格（XLS）：將復雜數據可視化（如生成散點圖），智能分析規律，降低認知負荷，實現“分析”環節目標。

人工智能（AI）：支持深度互動與鏈式提問，打破時空限制，拓展知識邊界，激發批判性與高階思維，實現深度認知沉浸。

移動終端（MT）：支持作業過程記錄、成果展示與互動評價，促進知識應用與反思，完成“反饋”環節的任務。

該模式教學流程如圖1所示。其中，VR創設情境激發探究；NB/SD協作完成實驗操作與數據收集；XLS智能分析揭示規律；AI深化認知拓展遷移；MT助力實踐應用與反饋。“SD-XLS-MT”形成高效數據流，維持學習心流；VR/NB提供感官沉浸，AI驅動認知沉浸，共同支撐意義建構。

圖1“六維智創”教學模式流程

三、“六維智創”模式的教學實踐

（一）VR情境導入：沉浸啟思

課堂伊始，教師利用交互式電子白板展示八達嶺長城實景圖，并提問：“‘小炮筒’是什么？”以此引出望遠鏡的相關內容。隨即教師通過超鏈接調取八達嶺長城VR全景影像，讓學生佩戴VR設備沉浸于壯闊場景中，手持虛擬望遠鏡觀察遠方，體驗凸透鏡成像效果，感受祖國山河之美。

教學評析：VR技術提供震撼的具身體驗，瞬間吸引學生注意力，自然導人核心課題。學生在欣賞美景中主動思考望遠鏡成像與凸透鏡成像原理的關聯，將物理知識與生活現象緊密聯系，有效激發探索熱情與學習興趣。

（二）NB虛擬實驗：輔助探究

探究環節，教師引導學生利用NOBOOK虛擬實驗平臺設計實驗（如圖2）。學生自主選擇器材（蠟燭、凸透鏡、光屏、光具座），在虛擬情境中嘗試調整器材高度、調節器材位置，觀察成像變化，初步理解物距、像距與成像性質之間的關系。隨后分組進行實驗，操作中可隨時參考虛擬演示解答測量物距、像距和調節光屏等疑惑。

圖2借助NB虛擬實驗輔助實驗設計

教學評析：NB虛擬實驗提供直觀的操作預演，降低真實實驗門檻，提升操作規范性。學生可隨時對照虛擬演示糾偏，提高實驗效率與準確性。虛實結合，加深對成像規律的理解，有效提升分析總結能力與理論聯系實際能力[2]。

（三）SD數據共享：高效協同

教師課前在SD平臺預設實驗數據表格并生成可編輯鏈接。各小組在平板電腦上實時、準確錄人實驗數據。數據通過無線網絡同步至交互式電子白板。教師可在大屏實時查看所有小組數據，全面掌握實驗進展，發現異常數據并做針對性指導。

教學評析：SD技術摒棄傳統耗時的手動數據錄入，避免混亂，實現數據實時高效收集，使課堂效率顯著提升。教師可全局監控數據，能及時診斷操作問題，確保數據可靠性，為后續分析奠定堅實基礎。

（四）XLS智能分析：直觀探規

教師課前設計好具備同步繪圖功能的表格。學生實驗數據匯總至表格后，系統即時以物距、像距為源數據生成清晰的坐標圖（如圖3），并與原始數據同步展示于交互式電子白板。學生觀察全體數據及散點圖，分析物距變化時像距變化趨勢及成像關系，總結規律。

教學評析：XLS將復雜數據關系可視化（散

（六）MT反饋提升：實踐遷移

課后，學生利用MT設備錄制制作望遠鏡的視頻，并上傳至智慧教學平臺。教師組織互評研討，學生從原理準確性、制作工藝、創新性等維度對作品進行評價。

圖3依托XLS散點圖像進行數據分析

（五）AI智能互動：深度拓展

點圖），呈現方式直觀簡潔，極大降低了初中生分析數據的難度。學生借助圖像化思維，能更高效地發現物距、像距間的定量關系，深入理解成像規律，有效提升數據處理能力與科學思維能力。

課前預設環節，教師使用“豆包”創建“開普勒”AI智能體： ① 設定角色背景與知識庫（開普勒生平及其對光學做出的貢獻）； ② 定義啟發式對話風格，核心自標為引導理解成像規律及拓展科學史； ③ 預設關鍵問題鏈腳本（聚焦規律確認、變化關系、應用批判、原理延伸）。

教學評析：MT設備打破傳統作業反饋局限，完整記錄實踐過程，便于教師精準評估。視頻制作與互評研討深化知識應用，有利于培養學生動手實踐、自主反思、協作評價的能力，鞏固學生對物理知識的理解，提升學生創新與協作素養，拓展教學成果轉化路徑。

課堂互動環節中，教師利用交互式電子白板投屏，讓學生通過語音與“開普勒”AI進行跨時空對話，圍繞凸透鏡成像規律及望遠鏡成像原理進行鏈式提問（見表1）。AI依據預設精準回應。

教學評析：AI智能體實現歷史人物“復活”與深度互動。預設的“規律確認 $$ 變化關系 $$ 應用批判 $$ 原理延伸”問題鏈引導學生批判思考，自主建構關鍵概念（如物鏡長焦距成像、目鏡短焦距放大）。AI精準突破重難點，滲透科學建模思維，將物理規律、科學史與工程設計有機融合，以技術活化歷史，以問題驅動高階思維，賦能物理核心素養發展。

表1學生與開普勒AI進行鏈式問答內容表

四、 “六維智創” 模式的課堂成效

（一）學習興趣與參與度顯著提升

課后問卷及課堂觀察顯示，該模式極大激發了學生的學習興趣。學生課堂主動發言率較傳統模式提高約 50% ，學生從被動聽講轉向積極互動，成為學習主體。課堂活力增強，學習積極性與主動性顯著提高。

（二）科學探究與實踐技能提升

虛實結合的操作訓練顯著提升了操作熟練度。NB虛擬實驗平臺突破時空限制，學生可反復調整參數進行嘗試，加深對實驗原理的理解。學生在真實實驗中表現更佳，科學探究與實踐能力（如設計實驗、控制變量、解決問題）得到切實增強，知識遷移應用能力提升[3]。

（三）實驗數據處理能力增強

SD與XLS技術的應用效果顯著。數據收集時間由傳統方式的約20分鐘縮短至10分鐘內，效率大幅提高。XLS生成的散點圖直觀呈現數據關系，使學生更易掌握數據處理技巧，科學思維能力（如歸納、圖像分析）在潛移默化中得到培養，為學生深人理解物理規律筑牢基礎。

（四）知識廣度與思維深度拓展

AI智能互動構建跨時空對話場域，讓學生盡享融合歷史與學科知識的盛宴。學生在與“開普勒”的探討中接觸多元視角，批判性思考物理問題（如望遠鏡成像原理的優化），求知欲得到激發，形成了科學思維、批判性思維與創新意識。

（五）物理觀念理解與知識應用深化

教師通過MT設備反饋的望遠鏡制作視頻，能清晰洞察學生的思路、操作以及問題解決過程。約 70% 的學生能獨立應用“凸透鏡成像規律”知識成功制作出質量良好的望遠鏡，實現了知識的內化與外化。學生不僅深化了對物理核心觀念（如模型、應用）的理解，更顯著提升了知識應用能力與自信心，切身感受到物理知識的價值與魅力。

“六維智創”教學模式在初中物理實驗教學中展現出顯著優勢，有效利用信息技術突破了傳統教學的瓶頸。它在提升學生學習興趣與參與度、增強數據處理能力、促進探究實踐技能發展、拓展知識思維深度、深化物理觀念理解與知識應用等方面成效顯著，為實驗教學注入了新活力，切實提升了教學質效。該模式具有良好普適性，針對信息化基礎薄弱的學校，可降維采用聚焦核心痛點的“三維基礎版（NB-XLS-MT）”：NB解決器材匱乏問題，保障基本操作體驗；XLS提升數據處理效率與可視化分析能力；MT支持基礎實踐反饋。該版本所需設備（教室大屏 + 智能手機）普及率高，易于實施，能有效保障核心教學效果。

當前，該模式在技術應用深度、設備性能、資源開發及AI適配等方面仍面臨挑戰，需通過持續的技術培訓、設備投人、資源平臺共建與AI應用優化來完善。但其在賦能實驗教學轉型、培育學生科學素養與實踐能力方面的潛力巨天。本實踐案例為探索信息技術深度融合學科教學、推動基礎教育高質量發展提供了有益參考[4。

注：本文系天津市教育科學學會2024年度規劃課題“信息技術賦能物理實驗教學提質增效的實踐研究”（編號：JK145240734B）的研究成果。

參考文獻

[1]楊波.初中物理如何分層教學[J].速讀（下旬），2014（3）：76.

[2]吳慧琪.智慧課堂下初中物理教學的實踐與思考[J].廣西教育，2017（7）：28-29.

[3]馬琦，利用NB虛擬實驗助推物理實驗教學[J].吉林省教育學院學報，2018（8）：5-8.

[4]謝文鋒.淺析初中物理核心素養及其對物理教學的影響[J].讀與寫，2020（34）：199.

（作者系天津市寶坻區口東鎮口東初級中學教師）

責任編輯：祝元志