數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在高中物理教材中的迭代與啟示

林冰冰 楊傳綠 許芙蓉

摘? ?要：新一輪課程改革中，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)作為信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合的產(chǎn)物，已然成為課程改革的一種教學(xué)手段，對(duì)理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)形態(tài)產(chǎn)生了深刻的影響。通過梳理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在新舊人教版教材中的迭代，調(diào)研學(xué)科教師學(xué)習(xí)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的意愿以及現(xiàn)實(shí)中的執(zhí)行度等，總結(jié)出教育信息化下物理學(xué)科教師TPACK能力發(fā)展的啟示。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；高中物理；教材比較分析；TPACK

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2023）4-0021-4

《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020）》是教育部在2012年頒布的關(guān)于“重點(diǎn)推進(jìn)信息技術(shù)與教學(xué)融合，促進(jìn)教師專業(yè)化發(fā)展”的重要文件。至今，經(jīng)過十年規(guī)劃發(fā)展，學(xué)科教師在教育思想、理念、方法和手段上都有了進(jìn)展。本文選擇新一輪課程改革中新版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)和新版教材中均有所呈現(xiàn)和要求的“數(shù)字化實(shí)驗(yàn)”，作為物理學(xué)科教師TPACK能力發(fā)展評(píng)估的變量之一開展調(diào)查研究，以期能夠從中窺探到教育信息化下物理學(xué)科教師TPACK能力發(fā)展的啟示。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是指由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)及其配套的應(yīng)用軟件組成的現(xiàn)代化新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，當(dāng)下國內(nèi)相應(yīng)地稱之為DIS（Digital Information System）。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究起源于美國一家儀器公司，經(jīng)過其他教學(xué)儀器公司的不斷深入研究和實(shí)踐完善后形成了較為成熟的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，并成功進(jìn)軍基礎(chǔ)教育領(lǐng)域［1］。在當(dāng)時(shí)，物理學(xué)科相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容成為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)軍基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的首選，而后才在生命科學(xué)和化學(xué)學(xué)科推進(jìn)。

2002年，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在上海的二期課改中驚艷亮相，隨后在2003年國家新一輪課程改革中得以向全國推廣。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)作為信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合的產(chǎn)物，也已然成為新一輪課程改革的教學(xué)手段，對(duì)理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)形態(tài)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，為促進(jìn)學(xué)生的認(rèn)知提供了強(qiáng)有力的支持。相較于其他信息技術(shù)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在一線教學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用推廣有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，不僅有來自課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，亦有基于課程標(biāo)準(zhǔn)編寫的教材的推行。

1? ? 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中的迭代

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）對(duì)于“數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”給出了相關(guān)定義：“數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是利用傳感器、數(shù)據(jù)采集器等收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用計(jì)算機(jī)軟件分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果的現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”［2］，并明確提出“要重視數(shù)字實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方式”［2］，這其中包括“用數(shù)字實(shí)驗(yàn)解決一些用常規(guī)方法難以實(shí)現(xiàn)的疑難實(shí)驗(yàn)問題”“數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方法”“研究數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的教學(xué)方式”［2］等。

相較于新課標(biāo)，《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)版）》（以下簡(jiǎn)稱“實(shí)驗(yàn)版課標(biāo)”）并未明確有“數(shù)字化實(shí)驗(yàn)”的定義以及相關(guān)要求。從內(nèi)容上分析，根據(jù)相關(guān)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中的重要組成部分，“傳感器”“數(shù)據(jù)采集器”“計(jì)算機(jī)”等關(guān)鍵詞，更多的則是出現(xiàn)在選修1-1中的“電磁技術(shù)與社會(huì)發(fā)展”部分以及選修3-2中的“傳感器”部分，呈現(xiàn)在相應(yīng)“內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)”下的舉例中，例如“用傳感器和計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)”［3］。

應(yīng)該來說，考慮到各地市經(jīng)濟(jì)、文化和教育等發(fā)展不均衡的實(shí)際情況，課程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于“數(shù)字化實(shí)驗(yàn)”的引進(jìn)非常謹(jǐn)慎。從實(shí)驗(yàn)版課標(biāo)中“內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)”下的相關(guān)舉例，到新課標(biāo)明確給出“數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”的定義并提出相關(guān)要求，這個(gè)強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)手段在新一輪課程改革中有了實(shí)質(zhì)性的穩(wěn)步推進(jìn)。

2? ? 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在普通高中物理教材中的迭代

教科書作為使用最為廣泛的教師教學(xué)用書和學(xué)生學(xué)習(xí)用書，在教育教學(xué)活動(dòng)中占據(jù)著不可替代的位置。而經(jīng)過嚴(yán)格篩選入編的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)案例也更具有代表性、指導(dǎo)性和推廣性。根據(jù)新課標(biāo)的選擇和編排，選取人教版2019年版必修1、必修2和必修3教材以及2004年版必修1、必修2、選修3-1教材進(jìn)行縱深比較，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

在人教版2004年版教材中，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)主要作為擴(kuò)展性內(nèi)容出現(xiàn)在“做一做”欄目，對(duì)此教材要求為“有條件的盡量多做”。在人教版2019年版教材中，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)同樣作為高中階段所學(xué)知識(shí)內(nèi)容的延伸拓展部分集中在“拓展學(xué)習(xí)”欄目，對(duì)此，教材要求為“供有條件的學(xué)校選用”?？梢钥闯?，人教版教材對(duì)于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的引入一直都是十分謹(jǐn)慎的，在要求上一直都注重體現(xiàn)其“可選擇性”——在兼顧各地市經(jīng)濟(jì)、文化和教育發(fā)展不均衡的基礎(chǔ)上，也能為有條件的學(xué)校和學(xué)有余力的學(xué)生提供一定的發(fā)展空間。

2.1? ? 審慎包容，承續(xù)有度

人教版教材在引進(jìn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)上十分務(wù)實(shí)，并非一味在各個(gè)實(shí)驗(yàn)中都融合進(jìn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，而是秉持著“傳統(tǒng)之上，循序漸進(jìn)”的原則，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法做不了的實(shí)驗(yàn)率先跟進(jìn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，而后再用在改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)效果不如意的實(shí)驗(yàn)上。例如，在2004年版選修3-1教材中的“用磁傳感器研究磁場(chǎng)”，把看不見摸不著的磁場(chǎng)，通過磁傳感器把磁感應(yīng)強(qiáng)度變成電信號(hào)進(jìn)行研究。又如，在2019年版和2004年版教材中都有呈現(xiàn)的“用傳感器觀察電容器的放電過程”，則是在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用“能夠捕捉到瞬間電流變化的電流傳感器”來代替“只能觀察到短暫的放電電流的靈敏電流計(jì)”進(jìn)行拓展學(xué)習(xí)。

在知識(shí)結(jié)構(gòu)編排上，體現(xiàn)“先傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，后數(shù)字化實(shí)驗(yàn)”，即在闡述傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式方法的基礎(chǔ)上，再給出使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)的建議。此外，在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)部分呈現(xiàn)出“重基本原理，輕具體操作步驟”。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中細(xì)致描述“實(shí)驗(yàn)步驟”不同，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)更注重對(duì)所用傳感器的基本原理進(jìn)行圖文并茂的闡釋，同時(shí)還兼顧到對(duì)多種傳感器原理差異的闡述，而對(duì)于實(shí)驗(yàn)裝置及相關(guān)數(shù)據(jù)圖像則以完整實(shí)物圖片的形式進(jìn)行實(shí)物圖展示，并不對(duì)其中具體的操作方法進(jìn)行描述。如此編排也更符合作為“拓展內(nèi)容”的目的所在——為了給師生提供該實(shí)驗(yàn)可能的技術(shù)改進(jìn)方向，也潛移默化地告訴教師要做學(xué)科教學(xué)的“探索者”，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，可以嘗試用信息技術(shù)提升實(shí)驗(yàn)的可操作性、可視性或精確性等。但值得注意的是，在相應(yīng)的教師教學(xué)用書中，也給出明確建議，“沒有條件的學(xué)校也應(yīng)播放相應(yīng)的視頻資料，討論實(shí)驗(yàn)原理”“學(xué)生應(yīng)盡早接觸、學(xué)習(xí)和應(yīng)用”［4］，直指信息化時(shí)代師生知識(shí)所必要的拓展更新。

2.2? ? 取精用宏，整體布局

在“混合式學(xué)習(xí)”成為日益重要的學(xué)習(xí)方式的大趨勢(shì)下，安裝在智能手機(jī)中的一些應(yīng)用程序能夠很好地幫助教師和學(xué)生進(jìn)行隨時(shí)隨地的科學(xué)探究。在2019年版教材中，同樣對(duì)此也有體現(xiàn)，增加了以智能電子設(shè)備為載體的科學(xué)探究活動(dòng)，更多地體現(xiàn)出了學(xué)科課程“注重與生產(chǎn)生活、現(xiàn)代社會(huì)及科技發(fā)展的聯(lián)系”的理念。例如，在2019年版必修1教材“研究自由落體加速度”中“做一做”欄目的“使用手機(jī)測(cè)自由落體加速度”，就引導(dǎo)師生用智能手機(jī)中的加速度傳感器來研究手機(jī)在桌面上沿不同方向做不同運(yùn)動(dòng)時(shí)，x軸、y軸以及z軸方向上的加速度情況，亦可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于加速度大小、方向的感性認(rèn)識(shí)。

除此之外，人教版教材還兼顧對(duì)學(xué)科中可能使用的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)工具進(jìn)行介紹，例如在2019年版必修1教材的“實(shí)驗(yàn)：探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律”中以“做一做”的形式向?qū)W生介紹了WPS數(shù)表畫圖工具及其使用，并在畫v-t圖的基礎(chǔ)上介紹了“數(shù)據(jù)擬合函數(shù)”的方法。教師在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步讓學(xué)生通過不同函數(shù)的數(shù)據(jù)擬合，找到相關(guān)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，同時(shí)進(jìn)行誤差分析，而這在一定程度上也能促進(jìn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生圖線結(jié)果和所得到物理規(guī)律的理解。也可以看出，編者在教材編排上有著更為深遠(yuǎn)的謀劃——借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行科學(xué)探究是科學(xué)研究工作者采用的一種普遍方法，教師在日常教學(xué)中也應(yīng)讓學(xué)生知道和使用這個(gè)重要的學(xué)習(xí)和研究工具。

2.3? ? 功能前置，應(yīng)用進(jìn)階

從實(shí)驗(yàn)類型上進(jìn)行分析，在使用傳感器的實(shí)驗(yàn)中，包括“測(cè)量”“探究”和開放性的“課題研究”三種類型，而這三種類型也間接反映出了傳感器在教材中的使用范式——功能前置，應(yīng)用進(jìn)階。

人教版教材在技術(shù)融合運(yùn)用這部分并非只是在某個(gè)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行引入使用，而是循序漸進(jìn)地進(jìn)行引入，關(guān)注到創(chuàng)新思維培養(yǎng)的連續(xù)性。以“手機(jī)加速度傳感器”應(yīng)用為例，分別出現(xiàn)在2019年版教材的“做一做”“課題研究”欄目以及課后“練習(xí)與應(yīng)用”“復(fù)習(xí)與提高”的習(xí)題中。從引入順序及其內(nèi)容要求上分析，從2019年版必修1教材第二章讓學(xué)生測(cè)量“自由落體運(yùn)動(dòng)加速度”，讓學(xué)生知道手機(jī)加速度傳感器可以從三維空間進(jìn)行方向不同的加速度測(cè)量顯示；到第四章牛頓第二定律學(xué)習(xí)后，在“復(fù)習(xí)與提高”中進(jìn)一步讓學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)能測(cè)量并顯示方向的加速度傳感器；再到2019年版必修2教材的“課題研究”欄目中讓學(xué)生用手機(jī)加速度傳感器進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)（甩手時(shí)手腕的向心加速度），進(jìn)而開展“關(guān)于甩手動(dòng)作的物理原理研究”的課題研究。如此前后呼應(yīng)、循序漸進(jìn)，也更符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)和教育教學(xué)規(guī)律，在引導(dǎo)學(xué)生理解手機(jī)加速度傳感器物理原理的基礎(chǔ)上，再應(yīng)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和探究，逐步增強(qiáng)并加深學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提高創(chuàng)新實(shí)踐能力。

3? ? 學(xué)科教師對(duì)教材中數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的接受度和執(zhí)行度

高中物理學(xué)科各版本新教材于2019年陸續(xù)投入使用，新教材歷經(jīng)三年使用后，針對(duì)一線教師對(duì)于其中數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的接受程度和執(zhí)行程度，項(xiàng)目組選擇了經(jīng)濟(jì)和教育都較為發(fā)達(dá)的X市的高中物理教師作為對(duì)象，進(jìn)行問卷發(fā)放，共收回有效問卷250份。所提交的樣本中，受訪對(duì)象處于一級(jí)達(dá)標(biāo)和示范性高中的比例達(dá)到77.2%，40歲以下的青年教師占比為51.2%，學(xué)校配備有DIS實(shí)驗(yàn)器材的占比為89.6%。其中，贊同在課堂教學(xué)中使用并愿意學(xué)習(xí)DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作的老師占比為87.2%。但是在教學(xué)實(shí)踐中，卻與學(xué)校配備和教師學(xué)習(xí)意愿形成強(qiáng)烈反差，基本不開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的學(xué)科教師占比為37.6%，偶爾用的教師占比為58.8%，只有3.6%的教師表示會(huì)經(jīng)常用（圖1）。而在偶爾使用的學(xué)科教師群體中，較多是迫于教學(xué)競(jìng)賽壓力而進(jìn)行相關(guān)使用探索，而在常規(guī)教學(xué)中則表示少有開展。針對(duì)學(xué)科教師在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所遇到的困難的調(diào)研中，64.4%的受訪者反饋“在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)均可選的情況下，會(huì)選擇以完成傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)演示為主”，而對(duì)具有可選擇性的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)則表示“有心無力無時(shí)間”，其中“課時(shí)緊張”成為不選擇原因的主頻率詞。

從圖1可以看出，在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)高配的X市，學(xué)科教師雖然在情感上已然接受數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，但在教學(xué)實(shí)踐中對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的使用率依舊較低，且有40%的學(xué)科教師表示不會(huì)使用。雖然每個(gè)學(xué)校在購置數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備之后，公司的技術(shù)售后都會(huì)對(duì)學(xué)校相關(guān)教師進(jìn)行技能培訓(xùn)，但從現(xiàn)實(shí)成效上看卻不盡如人意。

4? ? 基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)科教師TPACK能力提升的啟示

新一輪課程改革進(jìn)一步提高了對(duì)教師職業(yè)素養(yǎng)的要求，“教師的學(xué)”被置于教師素養(yǎng)發(fā)展中的重要位置，教材拓展性內(nèi)容不僅僅只是對(duì)學(xué)生發(fā)展而言，也是對(duì)學(xué)科教師相應(yīng)的專業(yè)素養(yǎng)提升提出了要求和借鑒。經(jīng)過十年的“磨合”，學(xué)科教師在情感上已然接受了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，但在行動(dòng)上的提升還需要投入更多的關(guān)注。

4.1? ? 教學(xué)關(guān)注牽引，促進(jìn)教師“進(jìn)階式”成長(zhǎng)

誠然如學(xué)科教師教學(xué)用書中針對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)教師所提出的“學(xué)生應(yīng)盡早接觸、學(xué)習(xí)和應(yīng)用”［4］，學(xué)會(huì)使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，借助信息技術(shù)力量更好地開展學(xué)科教學(xué)亦是這個(gè)時(shí)代帶來的任務(wù)。經(jīng)過課改的不斷推進(jìn)，學(xué)科教師對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的接受度較高，但如何在教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)一步牽引學(xué)科教師的教學(xué)關(guān)注，促進(jìn)教師內(nèi)生情感、外顯為教學(xué)行為，進(jìn)而改善教學(xué)行為，就成為關(guān)鍵了。當(dāng)下學(xué)科教學(xué)中存在著常規(guī)教學(xué)和公開課或者賽課“兩張皮”的現(xiàn)象。各級(jí)教育行政部門可以依托教學(xué)比武，在其中融入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)部分，并加大相關(guān)成果推廣，引起教研教學(xué)部門的進(jìn)一步關(guān)注，通過骨干教師的賽課成長(zhǎng)，帶動(dòng)所在區(qū)域教師的“進(jìn)階式”成長(zhǎng)。

4.2? ? 教研范式拓展，布局學(xué)科間協(xié)同發(fā)展

新課程改革對(duì)融合教學(xué)提出了一定要求，在這樣的背景下，學(xué)校教研室應(yīng)當(dāng)積極發(fā)揮學(xué)科間橋梁和紐帶的作用，積極促進(jìn)各學(xué)科間的教研和對(duì)話。再則，引進(jìn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的學(xué)科不僅有物理，亦有化學(xué)、生物等。在校內(nèi)或者校際間開展相關(guān)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)主題的跨學(xué)科教研，邀請(qǐng)多學(xué)科對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有研究背景或者有興趣的教師，圍繞一個(gè)科學(xué)大概念，借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多學(xué)科視角的知識(shí)建構(gòu)，不僅有益于學(xué)科間的思維碰撞，亦是對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器的多學(xué)科合作研究，促進(jìn)相關(guān)技術(shù)能力的提升。

4.3? ? 評(píng)價(jià)方式整合，共振推進(jìn)“表現(xiàn)性評(píng)價(jià)”

表現(xiàn)性評(píng)價(jià)強(qiáng)調(diào)過程性、主體的參與性和反思性等［5］，借鑒G.Wiggins在其“逆向設(shè)計(jì)”中提出的“以始為終”，嫁接進(jìn)現(xiàn)有的教師評(píng)價(jià)體系中，為學(xué)科教師評(píng)價(jià)設(shè)定“特定模塊”進(jìn)行定向的“表現(xiàn)性任務(wù)”設(shè)計(jì)，為判斷學(xué)科教師在“數(shù)字化實(shí)驗(yàn)”方面的行為落實(shí)提供評(píng)價(jià)證據(jù)。而在評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)中，亦可以通過邀請(qǐng)被評(píng)主體共同參與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)制訂，既能讓教師對(duì)過程中產(chǎn)生的結(jié)果作出及時(shí)有效的判斷，也可提升其熱情和自我評(píng)價(jià)能力。

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