基于文獻分析談初中物理數(shù)字化課程資源的開發(fā)

李春密 潘懷宇 于澤

摘要： 以《中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)》中涉及初中物理數(shù)字化課程資源開發(fā)的論文為樣本，研究團隊通過文獻研究發(fā)現(xiàn)三個特點：一是當(dāng)前數(shù)字化課程資源的使用場景和使用環(huán)節(jié)較少，二是在不同途徑下課程資源數(shù)字化實現(xiàn)方式的分布不同，三是數(shù)字化實驗的主題覆蓋不全。同時，提出了擴展資源開發(fā)載體、增加資源使用環(huán)節(jié)、豐富數(shù)字化方式等建議，促進傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗優(yōu)勢互補。

關(guān)鍵詞：課程資源開發(fā);數(shù)字化實驗;教學(xué)資源利用

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》強調(diào)，學(xué)校要重視文本課程資源的開發(fā)與利用，加強實驗室課程資源的開發(fā)與利用，發(fā)揮多媒體教學(xué)資源的優(yōu)勢。義務(wù)教育階段的物理課程是以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)課程，當(dāng)然離不開實驗資源的開發(fā)。數(shù)字化實驗可以優(yōu)化實驗效果，而多媒體軟件能將不便開展的實驗以模擬仿真的形式生動、直觀、安全地展現(xiàn)給學(xué)生，豐富物理課程的學(xué)習(xí)方式。筆者通過文獻分析，調(diào)查當(dāng)前數(shù)字化課程資源開發(fā)現(xiàn)狀，了解當(dāng)前數(shù)字化課程資源的資源載體、使用環(huán)節(jié)、實現(xiàn)技術(shù)，明確數(shù)字化實驗的資源類型和主題分布，為物理教師在教學(xué)中開發(fā)數(shù)字化課程資源提供建議。

一、數(shù)字化課程資源開發(fā)

筆者研究的數(shù)字化課程資源包括兩部分：實驗中利用的數(shù)字化課程資源和多媒體課程資源。筆者采用文獻研究和內(nèi)容分析的方法，以“物理”“實驗”等為關(guān)鍵詞在《中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)》（從2017年至2022年第5期）中檢索，在初步排除如“實驗學(xué)校”等無關(guān)文獻后，共檢索出73篇與物理學(xué)科教學(xué)相關(guān)的文獻，其中初中物理占33篇。在排除新型教學(xué)模式等不涉及數(shù)字化課程資源開發(fā)的文獻后，將30篇文獻確定為研究對象。

（一）數(shù)字化課程資源開發(fā)的總體特征

筆者使用NVivo 11軟件，對30篇目標(biāo)文獻進行詞頻分析，排除與物理、課程資源開發(fā)無關(guān)的動詞、代詞、介詞或副詞，得到詞頻前50名的高頻詞，累計百分比達25.9%，其中高頻詞中詞頻最低的“實踐”為66次，以詞頻生成詞云圖。

筆者對高頻詞進行共詞聚類分析，隨著聚類數(shù)不斷減少，發(fā)現(xiàn)詞匯主要分布在三大領(lǐng)域七個類別。筆者對各類別內(nèi)容分析后發(fā)現(xiàn)，三類詞匯從抽象到具體分別是整體的課程目標(biāo)、具體的課程資源開發(fā)、個別的數(shù)字化實驗（見表1）。第一個領(lǐng)域的詞匯普遍較抽象，如“素養(yǎng)”“資源”“思維”等，文本內(nèi)容主要與數(shù)字課程資源開發(fā)的依據(jù)、目標(biāo)和價值相關(guān)。在聚類數(shù)減少的過程中，它們較早地聚為一類，沒有明顯的聚類中心，分布均勻（較散），與其他高頻詞有一定的相關(guān)性。第二個領(lǐng)域的詞匯比第一個領(lǐng)域較為具體，如“視頻”“實驗”“虛擬”等頻繁出現(xiàn)在教學(xué)活動中。此外，第二個領(lǐng)域詞頻普遍較高，聚類分布較為集中，如“學(xué)生”出現(xiàn)次數(shù)最多，達1719次，“實驗”距離聚類中心最近，出現(xiàn)1387次。第三個領(lǐng)域的高頻詞隨著聚類數(shù)減少最后聚為一類，它們數(shù)目較少，詞頻較低，與其他種類高頻詞相關(guān)性較低，位于聚類邊緣，離聚類中心較遠(yuǎn)。因為這些詞普遍涉及具體學(xué)科領(lǐng)域的數(shù)字化實驗開發(fā)（主要分為力與運動和聲學(xué)實驗），且兩個種類的高頻詞相關(guān)性非常高，故被單獨設(shè)立為一個領(lǐng)域。

（二）課程資源的載體和使用環(huán)節(jié)

筆者對目標(biāo)文獻中的數(shù)字化課程資源開發(fā)的載體進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)只有社會教育資源的開發(fā)目前還沒有研究文獻。具體數(shù)量的分布情況見表2（部分文獻同時涉及多種資源載體）。此外，資源被用于不同環(huán)節(jié)。教育資源服務(wù)于課前準(zhǔn)備、課堂教學(xué)、課后作業(yè)與考試評價等環(huán)節(jié)。針對服務(wù)環(huán)節(jié)，統(tǒng)計結(jié)果如下：課堂教學(xué)，27篇;課后作業(yè)，2篇;考試評價，1篇。

（三）課程資源的數(shù)字化實現(xiàn)技術(shù)

當(dāng)前數(shù)字化課程資源的技術(shù)實現(xiàn)方式豐富多樣，文獻論及18種軟硬件。其中，數(shù)字化實驗室資源中，DISlab因其使用方便，得到較廣泛應(yīng)用，研究文獻最多，有8篇文獻論及DISlab。文獻論及的軟件類型多，共9種，但其中Multisim、Algodoo等7種用于構(gòu)建模型或模擬實驗的軟件，各只有一篇文獻。具體使用情況見表3（部分文獻同時涉及多種資源載體下的多項技術(shù)）。

（四）數(shù)字化實驗資源開發(fā)

30篇文獻中，有21篇涉及實驗教學(xué)，占比超過2/3，故筆者將課程資源中的實驗資源開發(fā)作為重點單獨列出。

1.數(shù)字化實驗資源的類型分布

筆者依據(jù)《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》規(guī)定的課程內(nèi)容和21個學(xué)生必做實驗，對實驗的類型進行劃分，將其分為學(xué)生必做實驗、其他教學(xué)實驗和常規(guī)教學(xué)序列以外的創(chuàng)新探究實驗三類。21篇實驗論文中有11篇文獻研究了學(xué)生必做實驗。學(xué)生必做實驗以外其他教學(xué)實驗論文有13篇共研究了20次實驗，涉及實驗內(nèi)容共14項。此外，還有1篇論文研究了創(chuàng)新探究實驗：探究磁流體磁感應(yīng)強度與溫度的關(guān)系。從必做實驗的覆蓋角度考慮，研究學(xué)生必做實驗的11篇文獻只覆蓋了7項學(xué)生必做實驗，其中2項為測量類實驗，5項為探究類實驗，約占全部學(xué)生必做實驗的1/3。必做實驗的研究情況見表4。

2.數(shù)字化實驗資源的主題分布

物理學(xué)科核心素養(yǎng)中物理觀念包括物質(zhì)觀、運動和相互作用觀、能量觀三項。筆者將所有數(shù)字化實驗研究按《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》確定的課程內(nèi)容主題類型進行分類（見表5）。筆者發(fā)現(xiàn)，運動和相互作用下的兩個二級主題的實驗個數(shù)和研究論文數(shù)最多：涉及聲和光的實驗有7項，涉及機械運動和力的實驗有6項。此外，分布較多的還有能量主題的電學(xué)實驗和物質(zhì)的屬性實驗。

二、研究結(jié)果與建議

（一）數(shù)字化課程資源開發(fā)現(xiàn)狀與特征

筆者研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前學(xué)?；驒C構(gòu)進行數(shù)字化課程資源的開發(fā)與教學(xué)應(yīng)用，以學(xué)生為主體，以實驗探究為首要方式，資源的開發(fā)基于課程標(biāo)準(zhǔn)，以學(xué)生能力和素養(yǎng)發(fā)展作為根本目標(biāo)，在課程中通過實驗、視頻仿真等手段，開發(fā)具體的課程資源，提高教學(xué)效果。

從課程資源的載體來看，文本課程資源、實驗室課程資源和多媒體教學(xué)資源三類課程資源的開發(fā)都有論文進行研究，只有社會教育資源處于空白。從使用環(huán)節(jié)來看，絕大多數(shù)課程資源應(yīng)用仍限于課堂，對課前、課后、學(xué)生評價的研究不足。

課程資源的數(shù)字化實現(xiàn)技術(shù)因載體而異。大多數(shù)類型的課程資源實現(xiàn)方式很豐富，存在多種技術(shù)且每種技術(shù)均有研究者嘗試研究開發(fā)。對實驗室資源的研究集中于DISlab，對手機和電腦的研究相對分散。軟件實現(xiàn)方式最多，卻大多淺嘗輒止，每項技術(shù)在該刊中只有一篇文獻與之對應(yīng)。筆者分析發(fā)現(xiàn)，造成技術(shù)種類多但使用程度淺的主要原因是：許多軟件并非教學(xué)軟件，其操作需要使用者具有一定的編程、建模或數(shù)理基礎(chǔ)，否則分組與模擬實驗內(nèi)容互動，或者演示困難;一些軟件雖然操作簡單（如PPT演示），但仿真程度較低，不能真實呈現(xiàn)物理規(guī)律的運作。

筆者調(diào)查數(shù)字化實驗資源開發(fā)情況，發(fā)現(xiàn)數(shù)字化實驗對學(xué)生必做實驗的覆蓋較少，占總實驗研究的比例較低，且數(shù)字化實驗集中在部分二級主題下。研究者會優(yōu)先使用傳統(tǒng)實驗儀器，只有用傳統(tǒng)儀器無法完成或效果不理想時，才會開發(fā)數(shù)字化實驗資源，最典型的例子就是因測量聲音頻率而改進聲學(xué)實驗。這并不意味數(shù)字化實驗無用，相反，研究者普遍認(rèn)為相較于傳統(tǒng)實驗，數(shù)字化實驗更加方便、精確，并且在發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維、信息技術(shù)、數(shù)據(jù)分析能力及學(xué)科核心素養(yǎng)上具有獨特優(yōu)勢。但由于傳統(tǒng)實驗儀器的設(shè)計原理蘊含對物理規(guī)律和科學(xué)思維的運用，數(shù)字化實驗直接得出結(jié)果會影響學(xué)生達成操作實驗儀器、學(xué)習(xí)物理知識、提升解決問題能力的目標(biāo)。更現(xiàn)實的說法是，一些傳統(tǒng)測量儀器的操作是學(xué)生必做實驗，其操作流程屬于評價考核內(nèi)容[1]。

（二）討論及建議

1.豐富資源開發(fā)方式，增加資源使用環(huán)節(jié)

當(dāng)今，社會教育資源日益豐富，如科技場館、少年宮、科研院所、高等學(xué)校、工廠等機構(gòu)都可以提供相關(guān)資源。信息化具有跨越時間和空間的獨特優(yōu)勢，是將這些社會教育資源呈現(xiàn)給學(xué)生的最好方式。例如：一些危險或大型實驗可以通過視頻直播的方式呈現(xiàn);學(xué)生進入科技場館使用VR進行互動;科學(xué)家通過對話會議為教育不發(fā)達地區(qū)的學(xué)生講授科學(xué)前沿知識。研究者針對性進行技術(shù)開發(fā)，可以幫助有關(guān)機構(gòu)將社會教育資源更加高效地提供給學(xué)生。

課程資源可以在課堂教學(xué)中使用，也可以用于課前準(zhǔn)備、課后作業(yè)和學(xué)生評價等教學(xué)環(huán)節(jié)。前測可以讓教師在課前了解學(xué)情，而各種量化軟件和統(tǒng)計工具的應(yīng)用有助于教師通過前測（問卷）獲得更多有效信息。教師基于項目反應(yīng)理論和大數(shù)據(jù)分析報告，可以明確題庫中每道題的難度和考點，根據(jù)學(xué)生的能力為其提供最符合當(dāng)前發(fā)展需求的個性化課后作業(yè)或評價測試。高效運用數(shù)字化資源使統(tǒng)計數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，這樣才能更好地提供形成性評價反饋，助力課堂教學(xué)。

2.進一步挖掘資源的數(shù)字化實現(xiàn)方式

目前，信息技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用大多局限在實驗室或教室內(nèi)。筆者建議對智能手機相關(guān)的信息技術(shù)進行挖掘，將數(shù)字化實驗帶進學(xué)生生活。智能手機載有大量高質(zhì)量傳感器，如氣壓、聲音傳感器等，研究者可以嘗試使用Phyphox等App獲取傳感器信息，將其運用到生活小實驗中。隨著技術(shù)進步，手機相機具有頻閃、高速連拍、慢動作、流光等功能，研究者對其加以挖掘可以優(yōu)化力與運動類實驗的效果。對于仿真模擬實驗，研究者應(yīng)當(dāng)繼續(xù)挖掘如Algodoo和NB虛擬實驗等專門針對教學(xué)開發(fā)的虛擬仿真軟件的深度應(yīng)用空間。這些軟件操作難度較低，學(xué)生易于上手。教師用這種虛擬實驗教學(xué)，能讓學(xué)生發(fā)揮主體作用參與互動，更好地揭示物理規(guī)律。

3.傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗有機融合

教學(xué)中，教師會優(yōu)先選擇傳統(tǒng)實驗而非數(shù)字化實驗，但傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗并非互斥，二者都是實驗手段。在各種實驗主題下，教師應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際需要揚長避短，選用更有利于學(xué)生全面發(fā)展的實驗儀器。教師可以使用傳統(tǒng)儀器讓學(xué)生從中感悟?qū)嶒炋N含的科學(xué)思維，使用數(shù)字化儀器讓學(xué)生感受數(shù)據(jù)的細(xì)微變化，提高學(xué)生處理證據(jù)、分析證據(jù)的能力[2]。這樣才能充分發(fā)揮實驗教學(xué)的優(yōu)勢，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)。

信息技術(shù)應(yīng)用于教育教學(xué)由來已久，最早是應(yīng)用傳感器、仿真軟件教學(xué)，最近幾年，AR、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的應(yīng)用勢頭強勁，其蓬勃發(fā)展對教育技術(shù)的各方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。我國社會經(jīng)濟發(fā)展水平不斷提高，對教育教學(xué)質(zhì)量的要求也隨之提高，信息技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用也必將越來越深、越來越廣。教育部頒布了《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》，為研究者進行課程資源的開發(fā)提供了理論依據(jù)，為教師利用課程資源提供了方法指導(dǎo)，也為我國物理數(shù)字化課程資源的開發(fā)研究注入新的活力。

參考文獻

[1] 趙春然，朱孟正.數(shù)字化實驗系統(tǒng)DISLab與傳統(tǒng)演示實驗對比研究[J].高師理科學(xué)刊，2011（1）：94-96.

[2] 李春密.中學(xué)物理實驗教學(xué)研究[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2018.

（作者李春密系北京師范大學(xué)教授，義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)修訂組核心成員;潘懷宇系北京師范大學(xué)博士研究生;于澤系北京師范大學(xué)碩士研究生）

責(zé)任編輯：祝元志