破解教學困境 提升核心素養(yǎng)
——基于數(shù)字化信息系統(tǒng)教學創(chuàng)新應用研究

廣東省佛山市南海區(qū)第一中學(528200) 張建國

基于培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)的新理念,創(chuàng)新了基于數(shù)字化信息系統(tǒng)探究教學這種全新的現(xiàn)代化教學方式,該教學方式在“教”與“學”兩方面均取得創(chuàng)新性突破：在“教”的方面,基于數(shù)字化信息系統(tǒng)探究教學,破解了某些傳統(tǒng)實驗“實驗探究”和“理論探究”不可兼得的困境,實現(xiàn)高效課堂；在“學”的方面,基于數(shù)字化信息系統(tǒng)探究教學,能夠提高學生的探究能力和創(chuàng)新能力,助力學生學會學習、學會創(chuàng)新、學會合作,提高學生的實驗素養(yǎng),使學生受益終生。

為了實現(xiàn)數(shù)字化信息系統(tǒng)與高中物理探究教學整合這個研究目標,制定了“基于數(shù)字化信息系統(tǒng)探究教學”教學策略和教學模式,并創(chuàng)作出可供觀摩學習的示范教學案例,從而讓數(shù)字化實驗系統(tǒng)真正走進探究教學的課堂。而基于先進教育理念制訂的教學策略,對沒有配備數(shù)字化實驗系統(tǒng)的學校高中物理新課改都有很好的借鑒價值。

1 問題的提出

1.1 傳統(tǒng)實驗探究教學的困境

新課改特別注重學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng),而學生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)要通過探究過程來實現(xiàn),即讓學生在過程中獲得體驗,形成意識,掌握方法,提高能力。所以,探究教學模式在現(xiàn)代教育理論中備受推崇。

科學探究分為實驗探究和理論探究,而物理學科是一門實驗學科。其核心概念、規(guī)律都是通過實驗總結(jié)得出的,所以實驗探究在物理探究教學中占有極大的比重。

1.1.1 傳統(tǒng)實驗探究教學的困境

很多傳統(tǒng)的實驗設(shè)備,具有簡單、直觀、易于操作等優(yōu)點,但是其用途往往單一,而且需要人工讀數(shù)和記錄,難以觀測快速變化的過程。造成采用傳統(tǒng)的實驗設(shè)備研究某些復雜問題時,占用理論探究、理論知識學習的時間,出現(xiàn)“實驗探究”和“理論探究”不可兼得的困境。

1.1.2 數(shù)字化信息系統(tǒng)的優(yōu)勢(1)提高了教學效率

數(shù)字化實驗室發(fā)揮了傳感器和計算機的優(yōu)勢,實現(xiàn)了高精度、高速度和自動化的測量,采集到多種完整、動態(tài)的信息,并且能夠?qū)嶒灁?shù)據(jù)作出多維的、綜合性的分析處理。這樣就把教師和學生從繁瑣的、重復性的勞動中解放出來,集中精力于設(shè)計實驗方案、歸納總結(jié)、交流信息和從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律。

(2)解決了教學難題

很多傳統(tǒng)的實驗設(shè)備,具有簡單、直觀、易于操作等優(yōu)點,但需要人工讀數(shù)和記錄,難以觀測快速變化的過程,也不便于研究復雜的問題。而數(shù)字化實驗室通過高精度、高速度的數(shù)據(jù)采集,能夠?qū)崟r記錄實驗的每一個過程,把轉(zhuǎn)瞬即逝的實驗數(shù)據(jù)記錄下來,高效、直觀,便于學生仔細觀察,加深理解,從而輕松解決教學中的難題。

(3)培養(yǎng)了學生的動手能力和研究精神

數(shù)字化實驗室的開放性和易操作性,提供了一個良好的環(huán)境,激勵學生進行研究性學習,自主提出感興趣的研究課題,自主進行實驗研究。在這個過程中,學生通過了解和掌握現(xiàn)代實驗手段,增強創(chuàng)新意識,提高實踐能力,培養(yǎng)實事求是、嚴謹認真的科學態(tài)度,養(yǎng)成與他人交流合作的良好習慣,認真分析誤差,對實驗方案和實驗結(jié)果作出評估?？傊?學生的科學素養(yǎng)、動手能力以及探索精神可得到極大的提高。

1.2 研究背景

1.2.1 國外研究現(xiàn)狀

數(shù)字化實驗室采用計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、傳感器技術(shù)等高新技術(shù),為中學理科實驗教學提供軟硬件支持,實現(xiàn)了信息技術(shù)與學科教學的全面整合。美國、德國、丹麥、荷蘭、以色列、日本、韓國等國家相繼推出了各種數(shù)字化實驗教學系統(tǒng),并且應用在各類學校,受到廣泛歡迎。據(jù)統(tǒng)計,美國、加拿大等國家60%的中小學生在課堂上使用這類產(chǎn)品,在物理、化學、生物、地理以及綜合科學學科中開展研究性學習,創(chuàng)新能力不斷提高。

1.2.2 國內(nèi)兩大數(shù)字化實驗系統(tǒng)

(1)友高數(shù)字化實驗室

目前國內(nèi)許多科研院所和教育儀器生產(chǎn)企業(yè)在認真研究國際同類產(chǎn)品的基礎(chǔ)上,自主創(chuàng)新,開發(fā)出了具有中國特色的數(shù)字化實驗教學系統(tǒng)。北京師范大學產(chǎn)業(yè)總公司教育技術(shù)研究所自行研發(fā)的友高數(shù)字化實驗室,擁有8項國家專利,已經(jīng)通過國家教育部組織的專家鑒定。許多教師在使用后認為,友高數(shù)字化實驗室貼近教學,好用實用,提高了教學效率,解決了教學疑難問題,充分開拓了學生的思維,全面培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新精神,對于中學理科實驗教學而言,無疑是一場新的革命。

(2)朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室(DISLab)

2002 年,山東遠大成為中國教育最發(fā)達地區(qū)——上海市教育委員會數(shù)字化實驗教學儀器及實驗器材研究開發(fā)的唯一合作伙伴,并與上海教委教研室、上海風華中學聯(lián)合組建了上海市中小學數(shù)字化實驗系統(tǒng)研發(fā)中心。經(jīng)過7年多的努力,推出了朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室(DISLab),依托上述產(chǎn)品完成的數(shù)字化實驗分別被上海教委納入《上海市中學物理課程標準》《上海市高中物理教材》,并被國家教育部所屬的人民教育出版社納入全國統(tǒng)一的高中物理教材,開啟了中國實驗教學領(lǐng)域的數(shù)字化時代。

1.2.3 文獻綜述

目前國內(nèi)許多省市教育主管部門已經(jīng)明確要求在學校配備數(shù)字化實驗系統(tǒng)。

(1)2005年12月1日,北京市教育委員會、北京市發(fā)展和改革委員會等8個部門聯(lián)合印發(fā)《北京市中小學校辦學條件標準》,其中明確要求每所高中至少配備2套物理數(shù)字化實驗室,每所初中至少配備1套物理數(shù)字化實驗室。

(2)上海市明確要求所有高中2006年必須配置數(shù)字化實驗室,所有初中選配數(shù)字化實驗室。

(3)廣東、江蘇等地教育裝備部門也相繼要求所屬中學逐步配置該類產(chǎn)品。隨著教學改革的不斷擴展和深入,今后其他省市的教育主管部門、各級各類學校將更加重視這一問題。

正如10年前的多媒體教室和校校通工程的建設(shè)一樣,數(shù)字化實驗室的建設(shè)和推廣必將成為我國教育信息化發(fā)展的新階段。

2 解決問題的過程與方法

2.1 研究設(shè)計

2.1.1 研究對象：數(shù)字化信息系統(tǒng)下探究教學的教學方式

《高中物理課程標準》實施建議：要重視數(shù)字實驗,創(chuàng)新實驗方式。數(shù)字實驗室系統(tǒng)是利用傳感器、數(shù)據(jù)采集器等收集實驗數(shù)據(jù),用計算機軟件分析實驗數(shù)據(jù)、得出實驗結(jié)果的現(xiàn)代化實驗系統(tǒng)。數(shù)字實驗系統(tǒng)是教育信息化發(fā)展的需要,更是學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要方法和手段。利用數(shù)字實驗系統(tǒng)可使很多難以測量或難以控制的實驗得以順利進行,也使很多實驗的測量精度大大提高。

建議有條件的地區(qū)為學校專門創(chuàng)建數(shù)字化實驗室,或引進教師演示用的數(shù)字實驗系統(tǒng)。學校要重視引導教師研究數(shù)字化實驗系統(tǒng)對傳統(tǒng)實驗的改進方法,研究數(shù)字化實驗系統(tǒng)的教學方式,促進教學手段與方式的現(xiàn)代化。

2.1.2 研究目標：實現(xiàn)數(shù)字化信息系統(tǒng)與高中物理探究教學整合

“將數(shù)字化實驗室植入探究教學課堂”具有巨大的優(yōu)越性,可現(xiàn)實是很多學校的數(shù)字化實驗室都處于閑置狀態(tài),說明現(xiàn)實中將“數(shù)字化實驗室植入探究教學課堂”還存在諸多的困難和障礙。而破除“數(shù)字化實驗室植入探究教學課堂”的困難和障礙,探討數(shù)字化信息系統(tǒng)與高中物理探究教學整合策略,實現(xiàn)數(shù)字化信息系統(tǒng)與高中物理探究教學整合,就是筆者要達到的目標。

2.2 過程與方法

2.2.1 現(xiàn) 狀

造成大多數(shù)學校的數(shù)字化實驗室處于閑置狀態(tài)。原因有二：一是軟件作者不了解學校的真正需求,軟件也缺乏專業(yè)測評,造成軟件使用不便甚至無法應用到課堂上；二是教師不知這種全新的現(xiàn)代化教學方式應采取什么樣的教學策略,才能更好地發(fā)揮數(shù)字化信息系統(tǒng)的優(yōu)勢。

2.2.2 解決方案

溝通軟件公司與學校,充當開發(fā)者與使用者的“牽手人”；制定“基于數(shù)字化信息系統(tǒng)探究教學”教學策略,并創(chuàng)作出可供觀摩學習的示范教學案例,從而讓數(shù)字化實驗系統(tǒng)真正走進探究教學的課堂。

2.2.2.1 測評實驗系統(tǒng),充當軟件開發(fā)者與學校使用者的“牽手人”

雖然友高數(shù)字化實驗系統(tǒng)配備有系統(tǒng)軟件和《數(shù)字化實驗手冊》,但是由于軟件的功能缺憾和編者的非專業(yè)性,離真正走進探究教學課堂還有很大的距離。

筆者會同其他高中物理專業(yè)教師和實驗教師,用專業(yè)的眼光測評了系統(tǒng)所有實驗的實驗界面,制訂出可行性使用方案,編撰測評報告；并聯(lián)系友高公司,對部分軟件提出修改建議。

測評報告目錄

力學

1.測量滑塊下滑過程的加速度

2.彈簧的彈力與伸長的關(guān)系

3.斜面上物體受力(重力的分解)

4.研究摩擦力

5.作用力與反作用力

6.研究小車加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系

7.研究失重與超重

8.擺球下擺過程中的機械能守恒

9.滑塊沿氣墊導軌下滑過程中的機械能守恒

10.探究動能表達式

11.研究動量和沖量關(guān)系

12.碰撞中的動量守恒

13.彈簧振子周期決定因素：探究T－k關(guān)系與T－m關(guān)系

14.用單擺測量重力加速度

15.向心力公式

聲學

16.觀察聲音的圖像—512Hz音叉聲波圖像與周期

熱學

17.氣體等容變化：p－t圖線與p－T圖線

18.氣體等溫變化：p－V圖線與p－1/V圖線電磁學

19.二極管正向伏安特性曲線

20.小燈泡伏安特性曲線

21.光電管正向伏安特性曲線

22.5 Ω和10 Ω電阻伏安特性曲線

23.測量電源的電動勢和內(nèi)電阻：2節(jié)舊干電池E＝2.59V、r＝1.78 Ω

24.電磁振蕩：隨著L、C的增大,LC振蕩回路周期逐漸增大

25.影響通電螺線管磁場強弱的因素：B－r、B－I、B－n關(guān)系

26.電磁感應現(xiàn)象：插拔條形磁鐵過程中線圈中感應電流圖像

27.自感現(xiàn)象：通電、斷電過程中線圈(紅)和并聯(lián)電阻絲(藍)中電流圖像

28.電容器充放電過程中的u－t圖線(紅)和i－t圖線(藍)

29.觀察交變電流圖線

2.2.2.2 制定“基于數(shù)字化信息系統(tǒng)探究教學”教學策略,創(chuàng)新教學模式

將數(shù)字化實驗系統(tǒng)融入探究教學課堂,將出現(xiàn)一種全新的現(xiàn)代化教學模式。筆者基于數(shù)字化信息系統(tǒng)特點,制定了相應的教學策略。

(1)利用數(shù)字化實驗系統(tǒng)的高效率,適度增加教學內(nèi)容,實現(xiàn)高效課堂；

(2)利用數(shù)字化實驗系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理自動化、實驗結(jié)論定量化的優(yōu)勢,采用實驗探究與理論探究融合策略,使學生既經(jīng)歷“科學探究”的全過程——提出問題、猜想假設(shè)、設(shè)計實驗、數(shù)據(jù)收集、分析論證、結(jié)論評估,又有足夠的時間進行理論探究和理論知識的系統(tǒng)歸納學習；

(3)利用多媒體教學網(wǎng)絡廣播系統(tǒng),便捷分享各實驗小組成果、享受分享和成功帶來的喜悅、提高學生的合作共享意識。

下面,以“運用DIS探究‘導體的伏安特性’”一節(jié)為例,闡述具體的教學策略。

(1)高效課堂

“導體的伏安特性”一節(jié)課程標準要求：①觀察并嘗試識別常見的電路元器件,初步了解它們在電路中的作用；②分別描繪電爐絲、小燈泡、半導體二極管的I－U特性曲線,對比它們導電性能的特點,這是采用傳統(tǒng)教學手段一課時不可能實現(xiàn)的教學目標。

而采用傳感器和DIS(數(shù)字化信息系統(tǒng))獲取導體的伏安特性曲線,利用現(xiàn)代化信息技術(shù),不僅大大提高了課堂教學效率,而且增強了學生數(shù)字化、信息化科學意識。

(2)實驗探究與理論探究的融合

數(shù)字化實驗系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理自動化、實驗結(jié)論定量化,有了定量的實驗結(jié)論,就可以自然過渡到理論探究環(huán)節(jié),從而實現(xiàn)實驗探究與理論探究的融合。

“導體的伏安特性”一節(jié)設(shè)計了4 個探究環(huán)節(jié)——描繪金屬導體伏安特性曲線、線性元件與歐姆定律、、描繪小燈泡(二極管)的伏安特性曲線、非線性元件與非線性伏安特性曲線的理解與應用,其教學流程圖如圖1所示。

圖1 教學流程

在圖1所示的教學流程中,實驗探究環(huán)節(jié)一,采用2組差異化的實驗器材——合金絲繞成的5Ω與10Ω電阻。在結(jié)論評估環(huán)節(jié),通過尋找2組不同曲線的異同,總結(jié)線性元件的概念和特點,自然過渡到理論探究環(huán)節(jié)二,實現(xiàn)了實驗探究與理論探究的融合。

實驗探究環(huán)節(jié)三,也采用2組差異化的實驗器材——小燈泡與二極管。在結(jié)論評估環(huán)節(jié),通過尋找2組不同曲線的異同,總結(jié)出非線性元件的概念和特點,自然過渡到理論探究環(huán)節(jié)四,再次實現(xiàn)了實驗探究與理論探究的融合。

實驗探究與理論探究的融合的課堂教學模式如圖2所示。

(3)小組合作、成果分享

本節(jié)課采用小組合作形式,使學生通過與同學的討論、交流、合作,提高學生主動與他人合作的意識；通過多媒體教學網(wǎng)絡廣播系統(tǒng)共享各組實驗結(jié)果,享受分享和成功帶來的喜悅,提高學生合作共享意識。

2.2.2.3 創(chuàng)作出可供觀摩學習的示范教學案例

按照電學實驗、力學實驗分類編撰“基于數(shù)字化信息系統(tǒng)探究教學的教學設(shè)計”拍攝、制作《基于數(shù)字化信息系統(tǒng)探究教學的教學課例》,創(chuàng)作出數(shù)字化實驗室融入探究教學課堂的示范案例見表1。

圖2 教學模式

表1 課堂示范案例

3 效果與反思

3.1 應用效果

(1)基于數(shù)字化信息系統(tǒng)的探究教學提高學生的探究能力和創(chuàng)新能力

該教學模式不但實現(xiàn)了高效課堂,而且讓學生經(jīng)歷“科學探究”的全過程,在過程中獲得體驗,形成意識,掌握方法,提高了探究能力和創(chuàng)新能力。

(2)基于數(shù)字化信息系統(tǒng)的探究教學助力“六個學會”

當代世界各國教育的共同追求——學會生存、學會關(guān)心、學會學習、學會創(chuàng)新、學會合作、學會負責。

數(shù)字化信息系統(tǒng)讓學生接觸到各種傳感器,而現(xiàn)代科技就是借助各種傳感器實現(xiàn)自動化控制的,這有助于啟迪學生發(fā)明創(chuàng)新、有助于學生融入數(shù)字化社會；讓學生經(jīng)歷“科學探究”的全過程,有助于學生學會學習、學會創(chuàng)新；小組合作形式,使學生通過與同學的討論、交流、合作,提高學生主動與他人合作的意識。

綜上所述,基于數(shù)字化信息系統(tǒng)探究教學,可以很好的達到當代世界各國教育的共同追求——“六個學會”,特別是其中的學會生存、學會學習、學會創(chuàng)新、學會合作。

(3)通過數(shù)字化實驗室提高學生的實驗素養(yǎng)

新課改提倡全面發(fā)揮學生的主動性,使學生較為深入地學習物理、化學、生物實驗的有關(guān)理論、方法和技能,進一步提高學生的實驗素養(yǎng)。主要表現(xiàn)為：激發(fā)學生實驗探究的興趣,增強學生的創(chuàng)新意識,培養(yǎng)學生實事求是、嚴謹認真的科學態(tài)度,養(yǎng)成交流與合作的良好習慣,發(fā)展學生的實踐能力等方面,而數(shù)字化實驗室可以很好地達到這些目標。

3.2 反思與討論：數(shù)字化實驗系統(tǒng)與傳統(tǒng)實驗

雖然數(shù)字化實驗室發(fā)揮了傳感器和計算機的優(yōu)勢,但是數(shù)字化實驗系統(tǒng)不能完全取代傳統(tǒng)實驗設(shè)備,原因如下：

(1)傳感器是指這樣一類元件,它能將力、溫度、光、聲、化學成分等非電學量按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化為電學量或者電路的通斷,從而便于數(shù)據(jù)傳輸和自動化處理。由于它改變了傳統(tǒng)實驗設(shè)備的工作原理,所以當我們需要掌握傳統(tǒng)實驗設(shè)備工作原理時,就要回歸傳統(tǒng)實驗設(shè)備。如彈簧測力計、水銀溫度計、指針式電壓表、電流表等。

(2)課程標準規(guī)定的學生實驗要用傳統(tǒng)實驗設(shè)備完成。如我們可以用光電門、光電計時器和數(shù)字化實驗系統(tǒng)測量小車的加速度,但也必須讓學生掌握用打點計時器通過處理紙帶測量小車加速度這項實驗技能。

(3)數(shù)據(jù)的自動處理與手動處理。在探究教學的課堂上,數(shù)字化信息系統(tǒng)能夠?qū)嶒灁?shù)據(jù)作出多維的、綜合性的分析處理。使教師和學生集中精力于設(shè)計實驗方案、歸納總結(jié)、交流信息和從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律。但是數(shù)據(jù)的分析和處理,是學生必備的一項實驗技能,所以學生實驗的數(shù)據(jù)一定要學生動手處理,使學生掌握如何選擇坐標參量、如何選擇適當?shù)淖鴺吮壤院侠砝米鴺思?、如何描繪實驗圖線等實驗技能。

綜上所述,數(shù)字化實驗系統(tǒng)特別適用于處理復雜、動態(tài)信息的探究教學的課堂。復雜的如尋求物理量間關(guān)系的探究實驗,動態(tài)的如尋求作用力與反作用力關(guān)系、超重失重、電容器充放電、LC振蕩電路等探究實驗。

3.3 發(fā)展和完善——數(shù)字化信息系統(tǒng)在研究性學習中的應用

數(shù)字化實驗室的開放性和易操作性,提供了一種良好的環(huán)境,激勵學生進行研究性學習,自主提出感興趣的研究課題,自主進行實驗研究。在這個過程中,學生通過了解和掌握現(xiàn)代實驗手段,增強創(chuàng)新意識,提高實踐能力,培養(yǎng)實事求是、嚴謹認真的科學態(tài)度,養(yǎng)成與他人交流合作的良好習慣,認真分析誤差,對實驗方案和實驗結(jié)果作出評估。