構建數(shù)字化學習新場景 探索物理教學新路徑

劉林

劉 林：山東省青島市教育科學研究院教研員、正高級教師、特級教師，中國教育學會物理教學專業(yè)委員會理事，教育部普通高中新課程實施“領航計劃”培訓專家，第六屆全國教育裝備標準化技術委員會委員。作為核心作者編寫高中物理國家立項教材、教師用書5部。主持“基于微視頻的高中物理情境化教學改進的實踐研究”教學改革項目，成果獲山東省2022年基礎教育省級教學成果特等獎。帶領團隊設計“情境—探究—建?！獞谩u價”情境化教學改進流程和“目標—情境—任務—評分—評估”情境化試題命制方法，探索“微視頻+情境”教學方法，提高了教師命題、選題能力，并為學生課前和課后個性化自主學習提供了資源支持。

我國幅員遼闊、人口眾多，經濟和教育發(fā)展不均衡，而數(shù)字化資源的廣泛應用有利于加速改善現(xiàn)狀。教師借助互聯(lián)網(wǎng)，跨越時空，改進教學，也必將優(yōu)化學生自主學習的方式，滿足個性化學習需求?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）指出：“數(shù)字媒體已成為物理學習的重要課程資源。物理教學要積極利用已有數(shù)字媒體，主動開發(fā)適合教學、提高教學質量的信息產品，拓寬物理學習的途徑，促進物理教學方式改革?！蔽锢斫處煈剿髡n前和課后、線上和線下相結合的自主學習方式，促進信息技術與物理教學深度融合;學生應合理使用數(shù)字化教學資源，拓寬物理學習場景。筆者結合高中物理教研經驗，探索構建數(shù)字化教學場景的有效路徑，總結利用數(shù)字化資源的可行策略。

一、整合數(shù)字圖書資源助力學生自主預習

《課程標準》倡導教師充分利用數(shù)字圖書（材料），為課堂教學和學生課后學習服務，收集數(shù)字化資源，整理相關的電子書籍、數(shù)據(jù)庫、數(shù)字期刊和網(wǎng)絡視頻等材料，將獲得的資源融入教學設計中，為物理教學服務。課前預習是一種有效的學習方式。教師選取并引入預習過程的數(shù)字化資源，目的在于幫助學生學習掌握物理概念或物理規(guī)律需要的預備知識，這種資源的形式可以是知識也可以是問題。物理知識在難度、廣度和深度上是螺旋式上升的。學生學習了初中物理，對有關概念和規(guī)律有了一定的了解，為學習高中物理知識奠定基礎。高中階段，有些章節(jié)與初中所學知識關聯(lián)度較大。課前，教師組織資源，給學生布置自主預習任務，有利于提高教學效率。下面，以“磁場? 磁感線”為例，介紹創(chuàng)建課前數(shù)字圖書資源服務物理教學的做法。

學生在初中學習了關于磁場的基本知識，比如知道磁極間的相互作用規(guī)律、磁場是一種物質、幾種常見的磁感線分布情況、地磁場分布、安培定則等。教師在講授高中物理“磁場? 磁感線”時，為學生創(chuàng)設自主學習情境，讓學生回憶、梳理初中學過的有關磁場的知識，重建知識結構，改變思維方式。教學中，教師借助班級局域網(wǎng)和平板電腦，創(chuàng)建微型電子書，按照“尋訪古文明—初識磁現(xiàn)象—求索電與磁—歸納建磁場—探秘地磁場—實踐與發(fā)明”的順序呈現(xiàn)內容（如圖1）。

“尋訪古文明”介紹了古代中國人對磁現(xiàn)象的認識，有《管子·地數(shù)篇》“上有慈石者，其下有銅金……”的記載，比古希臘人發(fā)現(xiàn)“活鐵”早400多年;秦漢時期相關文獻記載了“磁石”亦“慈石”;秦朝用磁石修筑阿房宮北闕門;《史記》記載用“五石散”內服治病，將磁石用于醫(yī)療;《鬼谷子》記載“鄭子取玉，必載司南，為其不惑也”，司南是世界上最古老的指南針;北宋沈括在《夢溪筆談》中記載磁偏角;等等。教師通過這些史實，引領學生形成物理觀念，增強民族自豪感和民族自信心。“初試磁現(xiàn)象”介紹天然磁石的主要成分是Fe3O4，指出當前人們使用的磁體多是用鐵鈷鎳等金屬或某些氧化物制成的，以拓寬學生知識面?！扒笏麟娕c磁”介紹了自然界發(fā)生的奇怪現(xiàn)象，比如1681年7月，航行在大西洋的一艘商船遭雷擊，結果船上的3個羅盤全部失靈，其中兩個羅盤退磁，另一個羅盤的南北指向顛倒;富蘭克林在做萊頓瓶放電實驗時，意外地發(fā)現(xiàn)，鋼針被磁化了;還介紹了科學家吉爾伯特、庫侖、安培、托馬斯·楊與哲學家康德關于“電與磁”的爭論，直至1820年，一位具有哲學思維的物理學家、化學家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電磁之間的美妙聯(lián)絡?！皻w納建磁場”介紹了奧斯特實驗過程及安培定則的確立經過?！疤矫氐卮艌觥苯榻B了地磁場、磁極、極光、用磁場探索恒星等知識?！皩嵺`與發(fā)明”介紹了“磁懸浮石頭”“超導磁場賽道”“磁懸浮”“小型導電磁場”原理等。

學生通過課前閱讀，自主學習了解關于科學家探究磁場的文章、圖片和視頻等資料;課上通過問題驅動、小組合作的方式，進一步深入理解磁場的相關知識（如圖2）。教師這樣組織資源、設計教學活動，可以高效地達成《課程標準》中的教學目標：“能列舉磁現(xiàn)象在生產生活中的應用。了解我國古代在磁現(xiàn)象方面的研究成果及其對人類文明的影響。關注與磁相關的現(xiàn)代技術發(fā)展。”

數(shù)字圖書資源適用于高中物理“磁場? 磁感線”這類章節(jié)的教學，這些資源與初中物理知識銜接緊密，既是學生比較熟悉的，又是學生在高中階段進一步學習相關知識的基礎。教師在教學中要針對需要為特定章節(jié)編制數(shù)字圖書，以學生為中心，以培養(yǎng)學生自主學習能力為目的，通過內容定制的方式，促進學生素養(yǎng)提升。

二、利用視頻資源優(yōu)化課堂實驗教學

相較于其他學科，學生普遍感覺物理難學。物理概念和物理規(guī)律不易理解，物理思維方法不易遷移，投入的學習時間長，導致一些學生對物理科目的選科意愿不強。在高考綜合改革省份中，選物理科目人數(shù)比文理分科時的人數(shù)有所減少，第一批、第二批實施“3+3”高考模式的6個省份中人數(shù)減少顯著，第三批實施“3+1+2”模式的8個省份中人數(shù)略有減少。長此以往，將不能滿足高校選拔人才的需要，不能滿足高校理工科專業(yè)的錄取需求，不利于高校專業(yè)發(fā)展和科技人才的培養(yǎng)。這是否與高中物理的教學方式和學習方式有關？物理概念和物理規(guī)律是物理學的基石，是形成物理觀念的基本要素。如果學生對物理概念和物理規(guī)律理解不透徹，勢必造成他們應用物理知識解決問題的能力不強，影響教學質量。對于物理教學，一些教師過分關注知識點的傳授和解題方法的訓練，存在對物理概念和物理規(guī)律的教學設計不科學、呈現(xiàn)的問題情境不充足的問題。此外，部分學校對實驗教學不夠重視，分組實驗的開出率偏低，實驗室數(shù)量不足，有使用價值的實驗器材偏少，導致學生的學習體驗不充分，學習興趣不濃。

《教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見》指出，要創(chuàng)新實驗教學形式，豐富實驗教學實施形式，促進傳統(tǒng)實驗教學與現(xiàn)代新興科技有機融合，切實增強實驗教學的趣味性和吸引力。對于因受時空限制在現(xiàn)實世界中無法觀察和控制的事物或現(xiàn)象、變化太快或太慢的過程，以及有危險性、破壞性和對環(huán)境有危害的實驗，教師可用增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實等技術手段演示或呈現(xiàn)。

以人教版高中物理教材必修第二冊“萬有引力定律”為例，在2020年舉行的第八屆全國中小學生實驗教學說課活動中，慈湖中學的教師進行了數(shù)字化教學示范。教材直接給出了實驗及結論，即“英國物理學家卡文迪什通過實驗測量了幾個鉛球之間的引力。由這一實驗結果可推算引力常量G的值。國際科技數(shù)據(jù)委員會2014年的推薦值G=6.674 08 （31）×10-11? N·m2/kg2，通常取G=6.67×10-11? N·m2/kg2 ”，但教學中，鮮有教師帶領學生做此實驗。在這次示范教學中，教師組建了卡文迪許扭秤實驗興趣小組，開啟了萬有引力常量的探索之旅。教師參照教材上的卡文迪什實驗示意圖（如圖3），選取純度為99.9%的兩個鉛球m和兩個玻璃球 ，將鉛球固定，將玻璃球懸掛。在鉛球與玻璃球間萬有引力作用下，它們相互緩慢靠近，由此帶動扭絲轉動。教師架設攝像機，因為鉛球和玻璃球間的引力非常小，將拍攝時長設定為100分鐘。通過快速播放，學生可以清晰看到玻璃球帶動扭絲轉動的過程，體會萬有引力是客觀存在的。教師指導學生測算光源經反光鏡反射后光點移動的加速度，得到萬有引力常量的數(shù)量級大小。教師組織這類課外實踐研究活動，對提高學生科學探究素養(yǎng)極為有利。

三、用好情境類數(shù)字資源幫助學生理解物理過程

當下，計算機軟件因其具有可視化功能和處理能力，已經成為學生新的認知工具。教師應用可視化技術，能夠將抽象的知識形象地表達出來，使抽象難懂的物理知識變得生動，有助于提高學生學習效果。學生課后復習并完成作業(yè)，難免遇到疑難問題。教師可以選取典型習題，設計講解過程，提煉解題方法，編寫變式題目，并將其錄制成數(shù)字動畫讓學生反復觀看，幫助學生理解物理概念和規(guī)律，掌握典型的解題方法。這樣可以減少習題訓練數(shù)量，根治“機械刷題”和“死記硬背”的頑疾。高中物理習題涉及動態(tài)變化問題較多，如帶電粒子在電場或磁場中的運動、力學中的平衡問題、拋體運動中的最大射程等。對于這種動態(tài)問題，教師使用GeoGebra動態(tài)數(shù)學軟件，可以將物理過程及變化情況清晰表達出來。GeoGebra將幾何、代數(shù)、表格、圖形、統(tǒng)計和微積分匯集在一個易于使用的軟件包中，支持教師開展科學、技術、工程和數(shù)學教育（STEM）活動，助力學生學習與創(chuàng)新。下面以2020年高考全國理科綜合Ⅰ卷第18題為例，介紹如何使用GeoGebra動態(tài)數(shù)學軟件輔助物理教學?！耙粍驈姶艌龅拇鸥袘獜姸却笮锽，方向垂直于紙面向外，其邊界如圖4中虛線所示，ab為半圓，ac、bd與直徑ab共線，ac間的距離等于半圓的半徑。一束質量為m、電荷量為q（q>0）的粒子，在紙面內從c點垂直于ac射入磁場，這些粒子具有各種速率。不計粒子之間的相互作用。在磁場中運動時間最長的粒子，其運動時間為（? ? ）?！闭垙摹癆.? ? ? ? ?;B.? ? ? ? ?;C.? ? ? ? ?;D.? ? ? ? ?”四個選項中選擇作答。

此題中的動態(tài)變化情況相對復雜，對于學生來說有一定難度。帶電粒子在磁場中運動的時間是動態(tài)變化的，時長取決于運動軌跡對應圓心角的大小，圓心角越大，運動時間越長。圓心角的大小又與粒子的軌道半徑有關，軌道半徑不同，粒子的出射點不同。教師講解這個問題，需要畫出粒子的多個動態(tài)圓軌跡，而靜態(tài)紙筆作圖不能形象表達連續(xù)的動態(tài)變化過程，學生不易理解。此時，GeoGebra軟件正有用武之地，教師讓學生對照著解答提示，查看動態(tài)過程（如圖5），有助于學生掌握解決動態(tài)變化問題的思維方法。除了GeoGebra外，教師還可以應用幾何畫板、GIF動圖、Flash、H5等動態(tài)作圖軟件教學。

四、借助視頻資源豐富作業(yè)形式

目前教師布置的作業(yè)大多是紙筆作業(yè)，極少有學校在課外向學生開放實驗室，讓學生獨立或合作探究。教師應適當設計拓展性實驗和實踐類作業(yè)，豐富作業(yè)形式，積極創(chuàng)造條件，讓學生充分利用校外資源開展科學探究活動，滿足學生個性化的學習需求。教師要指導學生操作常用的采集數(shù)據(jù)的軟件，保障課后拓展類實驗和實踐類作業(yè)順利進行。常見的軟件有Tracker、Phyphox等，學生可以通過智能手機和電腦終端采集并處理實驗數(shù)據(jù)，得到實驗結論。

師生借助Tracker軟件，對導入其中的物理實驗視頻進行運動軌跡的追蹤分析，得出物理量之間的定量關系，研究物理規(guī)律。以人教版高中物理教材選擇性必修第一冊為例，在學生學習“動量守恒定律”后，教師布置實踐類作業(yè)，讓學生拍攝關于桌球碰撞的視頻，將其導入Tracker軟件中，對兩個小球進行定位追蹤，測量碰撞前后速度和方向，提取相關數(shù)據(jù)并導入Excel表格，做數(shù)據(jù)分析，高效探究了碰撞前后兩個小球的動量及其動量變化情況。

以人教版高中物理教材必修第一冊為例，“超重和失重”這一節(jié)后有一道練習題：“用手機的加速度傳感器測量電梯上升中由啟動到停止的加速度。請描述此過程電梯的a-t圖像是怎樣的，再用手機實地測一下看是怎樣的?！边@是一道非常好的實踐類作業(yè)題。學生可以使用Phyphox軟件測出電梯運動過程的速度、加速度隨時間變化的情況，深化對超重和失重現(xiàn)象本質的理解。

人教版高中物理教材中設計了很多拓展性和實踐類的題目，教師可以將操作過程錄制成視頻，供學生參考?！白杂陕潴w運動”這一節(jié)有一道練習題，要求學生運用自由落體知識，制作一把“人的反應時間測量尺”（如圖6）。學生將刻度尺的長度刻度改為時間刻度后，就可以粗略測量人的反應時間。這種改畫刻度的方法可以遷移用于電學實驗，例如學生給靈敏電流計串聯(lián)或并聯(lián)定值電阻，改裝電壓表或電流表。教師指導學生操作實驗，體驗過程，掌握研究物理問題的常用方法，培養(yǎng)學生的思維能力。

目前，很多軟件易于操作，數(shù)據(jù)分析快捷且大致能得到物理結論，能有效支持學生實驗。筆者調研發(fā)現(xiàn)，教師長期堅持設計課后實踐類作業(yè)和拓展類作業(yè)并給予適當指導，能使學生科技創(chuàng)新能力顯著提升。

教師基于數(shù)字化資源改進教與學，可以培養(yǎng)學生自主學習的能力，讓學習真正發(fā)生，而要實現(xiàn)這些，需要豐富的數(shù)字化資源（庫）作支撐。2014年，青島教研團隊創(chuàng)建了“青島高中物理教研”微信公眾號，持續(xù)推送多種類型的數(shù)字化資源。例如，推送與人教版高中物理教材配套的微課資源，供學生自主預習和課后復習使用;推送高考總復習區(qū)域統(tǒng)考試題講解視頻，引導學生自主檢測并參考解答;推送拓展性知識及其講解資料，供有特殊稟賦的學生學習。此外，還推送說課資源，供青年教師提高教學能力使用。團隊開發(fā)數(shù)字化資源，始終堅守三個初衷：一是借助互聯(lián)網(wǎng)促進教育均衡，呈現(xiàn)實驗過程，創(chuàng)設問題情境，引導更多的學生沿著科學探究的路徑，建構物理模型，使用數(shù)學工具，形成物理觀念，掌握研究方法和理論體系;二是滿足學生個性化的學習需求，讓學生根據(jù)學習基礎、學習能力、思維方式等自主選擇學習內容和學習時間;三是不斷優(yōu)化物理學科教學方法，完善情境化教學模式，讓學生學習物理不再艱難，讓更多的學生愛上物理，激勵他們努力學習，將來回報社會，爭取創(chuàng)造更多“從0到1”的原創(chuàng)成果，擔當科技興國的偉大歷史使命。

責任編輯：祝元志