基于核心素養(yǎng)下高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與信息技術(shù)融合的實(shí)證研究

蔡福珍

摘? ?要：隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代化的教育信息技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高中課堂教學(xué)中，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與信息技術(shù)的有效融合不僅優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)構(gòu)，也改變了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)思維與科學(xué)探究的能力。從物理學(xué)科核心素養(yǎng)的視域出發(fā)，積極探索高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和信息技術(shù)融合的策略與方法，提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué);信息技術(shù);融合;核心素養(yǎng)

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，普通高中《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》2017版中關(guān)于通過實(shí)驗(yàn)或觀察進(jìn)行教學(xué)的知識(shí)點(diǎn)及數(shù)目比普通高中《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》2014實(shí)驗(yàn)版增加12個(gè)，增加的比例為27%，強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生經(jīng)歷建構(gòu)重要概念、探究物理規(guī)律的完整過程，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維和探究能力。在這樣的背景下，傳統(tǒng)的教學(xué)模式和學(xué)生的學(xué)習(xí)方式勢必要做出改變。而現(xiàn)代化信息技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合不僅能實(shí)現(xiàn)教學(xué)的結(jié)構(gòu)性變革——即從傳統(tǒng)的“以教師教為中心”的課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變?yōu)樾滦偷摹敖處熤鲗?dǎo)—學(xué)生主體相結(jié)合”課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)，更是在學(xué)生學(xué)習(xí)方式上突破了時(shí)空的限制，使學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)更加主動(dòng)和個(gè)性化，同時(shí)又可以有效地落實(shí)物理課程標(biāo)準(zhǔn)[ 1 ]。本文將結(jié)合平時(shí)實(shí)際教學(xué)案例，對(duì)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與信息技術(shù)的有效融合進(jìn)行實(shí)證校本化的研究。

1? 高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與信息技術(shù)有效融合的策略與實(shí)踐

1.1? 利用umu等網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)突破時(shí)空局限，優(yōu)化學(xué)生的學(xué)習(xí)方式

教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃的提出和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，給高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來新的變革。在組織方式上包括人員、內(nèi)容和資源組織上拓寬了師生、生生交互的時(shí)空，讓學(xué)習(xí)不再局限于課堂。以“平拋運(yùn)動(dòng)”為例，學(xué)生既要對(duì)平拋的規(guī)律進(jìn)行猜想，又要分豎直方向和水平方向分別實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)分析能力要求比較高，能否在課堂有限的時(shí)間里順利完成成為教學(xué)難點(diǎn)。為突出重點(diǎn)和突破難點(diǎn)，可以將整節(jié)課設(shè)置為課前、課中和課后三個(gè)環(huán)節(jié)。在課前利用umu互動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)創(chuàng)建“平拋運(yùn)動(dòng)”課程并發(fā)布，學(xué)生掃碼進(jìn)入并自主預(yù)習(xí)（如圖1所示）。課前，先讓學(xué)生進(jìn)行微課導(dǎo)學(xué)，即錄制5至6分鐘的微課，讓學(xué)生了解本節(jié)的主干知識(shí)，在此基礎(chǔ)上讓學(xué)生在探討研究平拋運(yùn)動(dòng)的方法，并進(jìn)一步猜想平拋豎直分運(yùn)動(dòng)和水平分運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)制訂方案，在umu互動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)提交方案后進(jìn)行互動(dòng)交流，探討其合理性和可行性（如圖2）。學(xué)生們不僅能提出自己的觀點(diǎn)，還可評(píng)價(jià)別人的方案，增強(qiáng)學(xué)生之間的互動(dòng)點(diǎn)評(píng)交流。課中，教師根據(jù)學(xué)生所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案和學(xué)生互動(dòng)點(diǎn)評(píng)的情況進(jìn)行評(píng)析，再讓學(xué)生根據(jù)所設(shè)計(jì)的方案動(dòng)手實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想。課后，再利用umu互動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)推送平拋運(yùn)動(dòng)的專項(xiàng)練習(xí)，通過平臺(tái)的數(shù)據(jù)反饋能全面了解學(xué)生對(duì)本節(jié)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況（如圖3），為教師后續(xù)精準(zhǔn)教學(xué)提供依據(jù)，為學(xué)生記錄和管理學(xué)習(xí)情況。借助umu等網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)拓寬了師生、生生交互的時(shí)空，讓教與學(xué)不在局限于課堂，通過變革學(xué)生學(xué)習(xí)方式的同時(shí)培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。

1.2? 利用希沃、人人通等手機(jī)app提升實(shí)驗(yàn)可視度，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維

做好演示實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生從物理學(xué)角度認(rèn)識(shí)客觀事物的內(nèi)在規(guī)律、本質(zhì)屬性及相互之間的關(guān)系，也有助于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上建構(gòu)物理模型，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。但有些演示實(shí)驗(yàn)效果不明顯或者可視度低，有些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象很短暫導(dǎo)致現(xiàn)象很難觀測到，此外有些學(xué)生離講臺(tái)比較遠(yuǎn)看不清楚。針對(duì)這些情況，在教師演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以通過教室里的教學(xué)平板和手機(jī)連接，利用省資源平臺(tái)的人人通移動(dòng)課堂或希沃軟件的同屏功能，將演示過程進(jìn)行投屏。不僅能實(shí)時(shí)展示實(shí)驗(yàn)過程，還能把實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象放大，讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果更好地實(shí)時(shí)呈現(xiàn)出來。在高中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)中，電路連接和電表讀數(shù)往往是學(xué)生薄弱的地方，課堂上可利用人人通移動(dòng)課堂將教師的操作過程進(jìn)行實(shí)時(shí)投影，能對(duì)學(xué)生規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作起到示范性作用。在講解游標(biāo)卡尺、螺旋測微器和歐姆表等的原理及讀數(shù)時(shí)可以放大倍數(shù)，讓所有同學(xué)都能把顯示的數(shù)值更好地看清楚，這樣方便于教師對(duì)測量儀器讀數(shù)規(guī)則的更好講解。同時(shí)還能錄屏推送給各班，學(xué)生可重復(fù)觀看，強(qiáng)化理解。又如“平拋運(yùn)動(dòng)”中通過平拋的小球和自由下落的小球?qū)Ρ忍骄控Q直分運(yùn)動(dòng)的規(guī)律時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩球下落的非?？?。以往教師們會(huì)讓學(xué)生聽兩球第一次落地的聲音，但是耳聽為虛眼見為實(shí)，教師同樣可借助人人通移動(dòng)課實(shí)時(shí)拍攝慢動(dòng)作視頻，播放過程隨時(shí)暫停，容易發(fā)現(xiàn)任意時(shí)刻兩球均處在同一高度，學(xué)生自然而然能理解平拋的豎直分運(yùn)動(dòng)就是自由落體運(yùn)動(dòng)，有效地突破難點(diǎn)并深化了學(xué)生對(duì)平拋豎直規(guī)律的理解。

1.3? 利用仿真模擬實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和模型建構(gòu)的能力

首先，仿真實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間和空間的限制，可保證實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目和數(shù)量。它通過計(jì)算機(jī)仿真模擬現(xiàn)實(shí)條件下沒辦法呈現(xiàn)的抽象的物理現(xiàn)象和情景，極大地提高了物理實(shí)驗(yàn)的演示效果[ 2 ]。比如教師可利用NOBOOK仿真實(shí)驗(yàn)演示高中物理中所涉及的力、熱、光、電等方面的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)。利用仿真實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，選擇儀器，連接電路，完成實(shí)驗(yàn)探究，獲取數(shù)據(jù)，并通過對(duì)現(xiàn)象的觀察和數(shù)據(jù)的分析得到相應(yīng)的結(jié)論。物理中電學(xué)實(shí)驗(yàn)較適合在仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和模擬操作，有效減少在實(shí)際操作過程中出現(xiàn)的安全性問題。學(xué)生還可以課外繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，在任何地點(diǎn)自學(xué)。比如伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)，是在小球能從斜面上加速向下并沖上對(duì)面斜面的實(shí)驗(yàn)事實(shí)基礎(chǔ)上經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬐评磉M(jìn)一步得出力不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因?，F(xiàn)實(shí)條件下不存在摩擦為零的接觸面，所以無法操作。但在仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)過程中，可以通過設(shè)置參數(shù)，將摩擦力設(shè)置為0，這樣就能模擬出在理想狀態(tài)的小球運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，讓學(xué)生獲得直觀上的認(rèn)知。其次，仿真實(shí)驗(yàn)拓展了實(shí)驗(yàn)觀察的廣度與深度，幫助學(xué)生建構(gòu)物理模型。在電場線教學(xué)中，可利用仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)顯示幾種常見帶電體的電場線及等勢面的立體模型。尤其是等量同種電荷及等量異種電荷之間的電場線及等勢面分布情況，讓學(xué)生對(duì)其有深刻的感知，化抽象為具體。電勢及電勢能變化及場強(qiáng)強(qiáng)弱的比較是高考的高頻考點(diǎn)，也是學(xué)生的薄弱點(diǎn)。教師可借助仿真實(shí)驗(yàn)室展示，并改變帶電體電荷量大小，兩電荷之間的距離等因素，讓學(xué)生對(duì)電場線模型理解得更全面更深入。

1.4? 利用DIS傳感器，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力

DIS實(shí)驗(yàn)通過傳感器和數(shù)據(jù)采集器感知并采集數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)的軟件對(duì)探測到的信息轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的物理量的類型和數(shù)值，具有高速化和智能化的特點(diǎn)，不僅比人工讀數(shù)和處理數(shù)據(jù)省時(shí)又省力，還提高了運(yùn)算的精確度。例如“平拋運(yùn)動(dòng)”中利用二維平面運(yùn)動(dòng)傳感器獲得平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡，擬合生成水平和豎直分速度的v-t圖像，并算出豎直方向的加速度，精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)物理現(xiàn)象背后隱含的規(guī)律。又如“閉合電路的歐姆定律”，可利用DIS電壓傳感器測量自制原電池的內(nèi)電壓和外電壓，如圖4、圖5所示。學(xué)生在連接好電路后，只要通過移動(dòng)滑動(dòng)變阻器觸頭，傳感器便能實(shí)時(shí)采集多組數(shù)據(jù)并以表格的形式呈現(xiàn)（圖6），大大節(jié)省實(shí)驗(yàn)的時(shí)間。而且學(xué)生通過表格容易發(fā)現(xiàn)內(nèi)外電壓之和為一常數(shù)，從而明白電動(dòng)勢的物理意義。DIS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能增加了實(shí)驗(yàn)探究的深度，使問題研究從定性上升到定量，在深化學(xué)生對(duì)問題本質(zhì)理解的同時(shí)進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

2? 高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與信息技術(shù)有效融合的原則

2.1? 適用性原則

信息技術(shù)的有效融合，是為了突破高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)無法實(shí)現(xiàn)的效果才使用。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中沒有條件做的實(shí)驗(yàn)和不能操作的實(shí)驗(yàn)可以用多媒體軟件去模擬，絕不是將所有的物理實(shí)驗(yàn)都適用于信息技術(shù)的支持，對(duì)于有條件完成的實(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)讓學(xué)生親手去做[ 3 ]，在平時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，教師要處理信息技術(shù)有效融合的實(shí)驗(yàn)選擇，選擇適用或信息技術(shù)能更好地呈現(xiàn)結(jié)果的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行課堂模擬操作。

2.2? 輔助性原則

信息技術(shù)的有效融合，能更好地實(shí)現(xiàn)“優(yōu)化教學(xué)，讓學(xué)習(xí)深度發(fā)生”，能更好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力從而落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)。盡管它有很多的優(yōu)勢，但也有不足。對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，重在實(shí)踐性，要求學(xué)生按照一定的程序規(guī)范操作，經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究過程，才能對(duì)實(shí)驗(yàn)的原理以及背后的規(guī)律有更深入的理解，才能領(lǐng)悟?qū)嶒?yàn)中體現(xiàn)出的科學(xué)方法，從而形成良好的科學(xué)素養(yǎng)[ 3 ]。因此，在實(shí)際教學(xué)中一定要明確信息技術(shù)的有效融合只是作為輔助教學(xué)手段，它不能代替真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作和教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要地位，而是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不足的有效補(bǔ)充。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊桂芳.運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)突破高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)難點(diǎn)的實(shí)踐[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古師范大學(xué)，2018.

[2] 龍金.基于 MATLAB 的大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)研究[D].廈門：廈門大學(xué)，2011.

[3]楊大鈞.信息技術(shù)與高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合的實(shí)踐研究[D].信陽：信陽師范大學(xué)，2020.

3475500338250