基于初中物理實驗分類的視頻開發(fā)策略探析

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，具有很強的實踐性。實驗教學(xué)是發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的重要路徑?！读x務(wù)教育物理課程標(biāo)準（2022年版）》（以下簡稱“課標(biāo)”）指出，發(fā)揮實驗在物理教學(xué)中的重要作用需要合理開發(fā)實驗教學(xué)所需課程資源^[1]。物理實驗視頻是錄制者用攝像機或手機等設(shè)備將實驗過程全程錄制下來，運用動畫或視頻處理技術(shù)，制作模擬整個實驗過程和實驗現(xiàn)象，并能在計算機多媒體上播放的視頻^[2]。目前的實驗視頻通常以標(biāo)準的模板、程序來開發(fā)，整體性和系統(tǒng)性較強，但是較難體現(xiàn)具體實驗的個性化特點。為了開發(fā)更加符合教學(xué)需要的實驗視頻，我們需要對實驗進行歸類分析，根據(jù)每類實驗的特點、價值和難點，針對性開發(fā)能夠凸顯其育人價值的實驗視頻。筆者將中學(xué)物理實驗分為體驗類實驗、觀察類實驗、操作類實驗、測量類實驗、探究類實驗、制作類實驗六類。在分析每類實驗特點的基礎(chǔ)上提出基于不同類型實驗個性特點的開發(fā)策略：對于觀察類實驗，借助信息技術(shù)手段實現(xiàn)現(xiàn)象和原理的可視化；對于操作類實驗，提供示范性實驗操作和系統(tǒng)性方法指導(dǎo)；對于測量類實驗，加強系統(tǒng)設(shè)計對實驗中的一般性測量原理進行結(jié)構(gòu)化呈現(xiàn)；對于探究類實驗，聚焦探究能力的培養(yǎng)；對于制作類實驗，優(yōu)化改進設(shè)計，滲透工程技術(shù)思想?；诓煌愋蛯嶒灥墓残蕴攸c提出開發(fā)策略：設(shè)置合適的引導(dǎo)問題，深入挖掘?qū)嶒灥挠藘r值；做好交互設(shè)計，使實驗視頻更加適配教學(xué)；提供基于實驗分類的視頻檢索路徑，使實驗視頻更加適教利學(xué)。

一、實驗分類及說明

通常實驗被分為教師演示實驗、學(xué)生動手實驗和拓展實驗三類，這種分類不利于突出實驗的特點，不利于學(xué)生把握實驗的本質(zhì)特征。筆者以人教版教科書物理八年級上冊（2012年版）、八年級下冊（2012年版）和九年級全一冊（2013年版）為例，對157個初中物理實驗進行了系統(tǒng)梳理，將實驗從能力角度分為體驗類實驗、觀察類實驗、操作類實驗、測量類實驗、探究類實驗、制作類實驗。

（一）體驗類實驗

體驗，顧名思義，就是用“身體”親自去實驗。體驗類實驗需要學(xué)生的感覺器官切實參與到實驗的過程中，獲得對實驗結(jié)果的直接感受。體驗既是實驗過程，又是實驗結(jié)果；既是實驗方法，又是實驗?zāi)繕?biāo)。例如，一個學(xué)生敲桌子，另一個學(xué)生耳朵貼桌，聽從桌面?zhèn)鬟^來的敲擊聲，在親身體驗中認識固體可以傳聲；將空的飲料罐按入裝滿水的燒杯中，手能夠感受到浮力，建立對浮力的直觀認識；將酒精擦在手背上，酒精蒸發(fā)使手背有冰涼的感覺，從而建立蒸發(fā)吸熱的認知。

（二）觀察類實驗

觀察類實驗指學(xué)生觀察實驗的現(xiàn)象和結(jié)果，并加以分析、歸納從而理解物理概念和規(guī)律，培養(yǎng)模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等思維能力。例如，學(xué)生在鼓面上放碎紙屑，敲擊鼓面，觀察紙屑運動情況，分析聲音產(chǎn)生的條件；觀察光在空氣中的傳播路徑、在水中的傳播路徑、在玻璃中的傳播路徑、在不均勻糖水中的傳播路徑、在兩種介質(zhì)中的傳播路徑，形成對光沿直線傳播規(guī)律的科學(xué)認知。

（三）操作類實驗

操作類實驗以操作為手段，以儀器的正確使用和物理程序的正確實施為目標(biāo)，旨在培養(yǎng)學(xué)生的操作能力和實驗技能，進而幫助學(xué)生養(yǎng)成規(guī)范、嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度^[3]。例如，練習(xí)使用電壓表、練習(xí)使用電流表、練習(xí)使用彈簧測力計都是常見的操作類實驗。需要說明的是，有一些實驗，如用刻度尺測量長度、用停表測量時間、用溫度計測量水的溫度等，從教學(xué)目標(biāo)的角度來說也是指向儀器的正確使用。這類實驗也可歸為操作類實驗。

（四）測量類實驗

測量類實驗以實驗器材的應(yīng)用為手段，以物理屬性的量化表達為目的^[4]。測量類實驗的主要目的為規(guī)范使用測量工具進行基本物理量的測量，使學(xué)生提高測量技能，學(xué)習(xí)測量中蘊含的科學(xué)思想方法。測量類實驗建立在操作類實驗的基礎(chǔ)之上，學(xué)生需要明晰實驗原理，確定待測定的物理量，如測量物體運動的平均速度、測量凸透鏡的焦距、用天平測量液體的質(zhì)量等。

（五）探究類實驗

探究類實驗是學(xué)生在具備基本實驗技能的基礎(chǔ)上，經(jīng)歷提出問題、猜想假設(shè)、設(shè)計方案、進行實驗、收集證據(jù)等過程，分析證據(jù)，得出結(jié)論，并能夠?qū)μ骄窟^程與結(jié)果進行科學(xué)評估和恰當(dāng)呈現(xiàn)的綜合性活動^[5]。研究問題一般涉及研究對象特點、某一特點的影響因素、與其他對象之間的關(guān)系等，如探究固體熔化時溫度變化規(guī)律、探究水沸騰時溫度變化特點、探究光反射時的規(guī)律等。

（六）制作類實驗

制作類實驗指學(xué)生針對應(yīng)用類物理問題，創(chuàng)造性地構(gòu)思實驗方案，運用所學(xué)知識、技能和方法，制作出有形作品的過程。例如，課標(biāo)及教材中提到的制作出能夠展示物理本質(zhì)的模型、簡單的測量工具和簡易的儀器，包括自制溫度計、自制模型照相機、自制氣壓計、制作機翼模型、用橡皮泥制作能夠承載重物的小船、讓線圈轉(zhuǎn)起來（自制小電動機）、自制太陽能熱水器等實驗。

二、特點分析

開發(fā)實驗視頻需要關(guān)注不同類型實驗的特點，考慮實驗教學(xué)的具體困難及不同實驗在落實核心素養(yǎng)培養(yǎng)要求方面的育人價值和教學(xué)目標(biāo)，針對性組織能夠切實輔助課堂實驗教學(xué)的視頻資源。

（一）數(shù)量分布情況

初中物理各類型的實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計情況如下：在157個初中物理實驗中，觀察類實驗有86個，占比55%，是初中物理實驗教學(xué)中最主要的一種形式；課標(biāo)中要求的學(xué)生必做實驗分別歸屬于操作類實驗、測量類實驗、探究類實驗中，這三類實驗共56個，占比36%。設(shè)計實驗視頻時需要考慮教學(xué)場景和教學(xué)要求，關(guān)注觀察類、操作類、測量類、探究類實驗資源的設(shè)計。

（二）教學(xué)難點分析

實驗在物理教學(xué)中占有重要地位，不可或缺，但實踐起來存在諸多問題和困難，這些問題和困難有哪些能夠通過數(shù)字化手段破解，則是我們開發(fā)實驗視頻資源需要重點關(guān)注的問題。

體驗類實驗中，學(xué)生在真實、簡單、直觀的實驗情境中獲得最直接的感受，進而實現(xiàn)對相關(guān)知識的理解和認知。學(xué)生參與體驗類實驗不需要專門的實驗儀器，操作難度較低。體驗類實驗中最重要的目標(biāo)和變量就是學(xué)生的直觀感受，但是它不可定量、不可替代、不可評價。對于體驗類實驗，從應(yīng)用的角度來說，實驗視頻在增強學(xué)生體驗這方面的作用較弱。常規(guī)的體驗類實驗不需要開發(fā)相應(yīng)的實驗視頻。

觀察類實驗中，學(xué)生的實驗行為更多的是對實驗過程和結(jié)果的觀察、分析、加工與提煉。觀察類實驗教學(xué)主要難點是某些實驗現(xiàn)象不明顯、不清晰或可視性低，某些實驗現(xiàn)象或結(jié)果的記錄、保存、再現(xiàn)難度大，從可觀察的實驗現(xiàn)象到背后的實驗原理理解梯度大。根據(jù)觀察類實驗的教學(xué)要求和教學(xué)難點，我們開發(fā)實驗視頻應(yīng)充分發(fā)揮信息技術(shù)手段的優(yōu)勢，實現(xiàn)實驗現(xiàn)象、實驗過程和實驗原理的可視化。

操作類實驗教學(xué)的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的實驗操作能力，包括選擇合適的實驗儀器、規(guī)范的操作方法和正確的讀數(shù)方法等。操作類實驗在教學(xué)中的困難主要體現(xiàn)在學(xué)生對實驗儀器不熟悉、參考資料不夠、缺乏專業(yè)的指導(dǎo)人員等以致學(xué)生不知道該如何操作。開發(fā)實驗視頻需要重點關(guān)注實驗操作的規(guī)范性。

測量類實驗、探究類實驗、制作類實驗屬于需要學(xué)生在具備觀察和操作等基本實驗技能的基礎(chǔ)上開展的綜合性實驗活動。實驗過程中，學(xué)生既需要對現(xiàn)象和過程進行觀察，又需要規(guī)范操作，還需要對研究問題進行理論分析。在分析基礎(chǔ)上設(shè)計方案，完成實驗操作，經(jīng)歷現(xiàn)象觀察、數(shù)據(jù)分析和處理等過程。開發(fā)綜合類實驗視頻，不僅需要關(guān)注實驗現(xiàn)象的展示和規(guī)范操作的示范，而且需要分析過程加強對學(xué)生的引領(lǐng)和啟發(fā)。

三、研發(fā)策略

（一）針對不同類型實驗的個性特點設(shè)計視頻

1.觀察類實驗：借助信息技術(shù)手段實現(xiàn)現(xiàn)象和原理的可視化

針對某些觀察類實驗現(xiàn)象不明顯或可視性差的問題，開發(fā)者設(shè)計實驗視頻時可以利用慢錄快放、快錄慢放、放大（以小見大）、定格（以靜制動）等技術(shù)手段，將某些不易觀察、不好記錄的現(xiàn)象呈現(xiàn)出來，真正實現(xiàn)實驗現(xiàn)象可視化。例如，對于液體擴散實驗，硫酸銅和水之間的擴散現(xiàn)象完整進行需要30天，在課堂教學(xué)中很難實現(xiàn)?？刹捎醚訒r攝影的方式，將30天內(nèi)錄制的實驗過程以10萬倍速的速度在幾十秒鐘內(nèi)播放出來，實現(xiàn)長周期實驗過程的可視化。

很多觀察類實驗的教學(xué)目標(biāo)是依據(jù)觀察到的實驗現(xiàn)象進行分析、加工與提煉，實現(xiàn)對相關(guān)物理概念或規(guī)律的建構(gòu)。觀察現(xiàn)象是手段，理解現(xiàn)象背后的原理是目的。從觀察現(xiàn)象到理解原理存在認知梯度，實驗視頻設(shè)計開發(fā)者針對這樣的實驗可以在現(xiàn)象觀察的基礎(chǔ)上利用語言、動畫、文字等多重表征，形象展示實驗原理，實現(xiàn)物理實驗原理的可視化。例如，在太陽光的色散實驗中，太陽光照射水下的平面鏡，反射到白墻或白紙上，學(xué)生可以觀察到太陽光的色散現(xiàn)象，但是太陽光能夠發(fā)生色散現(xiàn)象的原因卻無法直觀呈現(xiàn)。開發(fā)者設(shè)計實驗視頻時可以利用圖形、文字、語音等多重表征，將實驗原理展示出來（如圖1）。

2.操作類實驗：示范性實驗操作和系統(tǒng)性方法指導(dǎo)

為達到操作類實驗的教學(xué)要求，視頻開發(fā)者需要針對教學(xué)難點設(shè)計操作類實驗視頻：在內(nèi)容選擇上，要盡量呈現(xiàn)實驗儀器的構(gòu)造、規(guī)范的操作方法和讀數(shù)方法及注意事項等；在拍攝過程中，盡量保證長鏡頭拍攝，避免頻繁切換場景；在技術(shù)處理上，盡量多機位拍攝，在全景和特寫之間適當(dāng)切換，供學(xué)生操作時參考。例如，用托盤天平測量物體的質(zhì)量，實驗視頻中詳細介紹了托盤天平的構(gòu)造、調(diào)平方法、測量過程及操作的注意事項等。

對于操作類實驗，開發(fā)者可按一般原則和方法進行整體設(shè)計和結(jié)構(gòu)化呈現(xiàn)。初中物理8個操作類實驗中的7個是使用儀器直接測量，從教學(xué)目標(biāo)上來說指向刻度尺、秒表、溫度計、彈簧測力計、電流表、電壓表、天平等測量儀器的使用。這些測量儀器的操作原則和方法很多是一致的，開發(fā)者可以系統(tǒng)設(shè)計視頻內(nèi)容。例如：實驗開始之前都涉及儀器的選擇，儀器的選擇需要考慮測量的可行性，也就是需要選擇合適的量程和測量精度，在合適量程的情況下盡量選擇更精確的測量儀器；實驗過程中需要考慮測量儀器的起點，如刻度尺的使用中需要觀察零刻線、天平的使用中需要先調(diào)平、秒表的使用中需要先復(fù)位、彈簧測力計的使用中需要先調(diào)零、電流表和電壓表的使用中需要先機械調(diào)零等。基于以上分析，開發(fā)實驗視頻需要以一致性的問題統(tǒng)領(lǐng)操作性實驗的設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生在經(jīng)歷多個操作性實驗之后，歸納總結(jié)出其中蘊含的思想方法，用科學(xué)方法引領(lǐng)學(xué)生提升實驗操作能力，避免常規(guī)課堂上經(jīng)常出現(xiàn)的機械記憶。

3.測量類實驗：系統(tǒng)設(shè)計，對實驗中的一般性測量原理結(jié)構(gòu)化呈現(xiàn)

初中物理測量類實驗從內(nèi)容要求來說差異很大，覆蓋力、熱、聲、光、電等不同知識模塊，但是從能力要求及科學(xué)方法的角度看具有一致性和共通性。因此，開發(fā)者宜系統(tǒng)設(shè)計實驗視頻，使科學(xué)方法明晰呈現(xiàn)。初中物理13個測量類實驗中有10個是利用兩個物理量的比值、乘積或差來表征的（見表1）。用兩個物理量的測量值來表征待測物理量是初中物理測量類實驗的主要形式。實驗者用這種形式測量，條件是兩個物理量要相互對應(yīng)，對應(yīng)同一段時間、同一個過程或者同一個研究對象。實驗視頻開發(fā)者基于此設(shè)計視頻并系統(tǒng)呈現(xiàn)，可以幫助學(xué)生樹立教學(xué)一致的觀念，避免只見樹木不見森林、細碎知識點零散分布。

4.探究類實驗：聚焦探究能力的培養(yǎng)

探究類實驗不僅關(guān)乎理解物理知識和原理這些教學(xué)目標(biāo)的達成，而且關(guān)乎學(xué)生探究能力的培養(yǎng)。探究能力主要包括基于現(xiàn)象提出問題的能力、有根據(jù)的猜想與假設(shè)的能力、設(shè)計實驗方案的能力、實驗與收集證據(jù)的能力、對實驗數(shù)據(jù)加以分析與論證的能力、對實驗過程和結(jié)果進行評估的能力等。這些探究能力的培養(yǎng)滲透在各個探究類實驗方案中。開發(fā)探究類實驗視頻不僅需要關(guān)注實驗現(xiàn)象和過程的展示，而且需要聚焦學(xué)生完成每個實驗需要具備的探究能力，提供適配設(shè)計，搭建支架，助力學(xué)生能力發(fā)展。例如，“探究平面鏡成像的特點”實驗方案的設(shè)計關(guān)鍵是確定像的位置和大小。為什么要用半透明的薄玻璃板代替平面鏡？很多學(xué)生并不清楚。以往的實驗視頻大多直接呈現(xiàn)教材中設(shè)計好的實驗方案，掩蓋了實驗方案的設(shè)計過程，不能實現(xiàn)指向理解的教與學(xué)^[6]。為了解決這個問題，開發(fā)者可以在實驗方案設(shè)計階段并列呈現(xiàn)如下情境：直接用平面鏡成像，未點燃的蠟燭不能與像重合；用透明的玻璃板成像，未點燃的蠟燭與像重合，但像不清楚；用半透明的玻璃板成像，未點燃的蠟燭與像重合，且像比較清楚；用半透明的厚玻璃板成像，像出現(xiàn)重影現(xiàn)象……多方案比較，使“用半透明的薄玻璃板代替平面鏡”水到渠成。

5.制作類實驗：優(yōu)化設(shè)計滲透工程技術(shù)思想

制作類實驗中，學(xué)生需要運用所學(xué)知識、技能和方法，制作出有形作品。制作類實驗不只涉及物理學(xué)科知識和原理，還涉及一些工程技術(shù)的實現(xiàn)方式。制作類實驗視頻應(yīng)能呈現(xiàn)作品的制作過程，根據(jù)需要呈現(xiàn)作品改進和優(yōu)化的思路，引導(dǎo)學(xué)生深入思考和探索。例如，“自制溫度計”實驗中，在呈現(xiàn)制作過程的基礎(chǔ)上，視頻就給出了改進作品的思路和方向：玻璃管的粗細是否會影響溫度計的測溫效果？瓶子的大小是否影響溫度計的測溫效果？如何提供所測溫度的具體數(shù)值？……學(xué)生循著這些問題進行研究，既能順利進行后續(xù)“溫度計結(jié)構(gòu)”和“攝氏溫度”的學(xué)習(xí)，又能逐步領(lǐng)會工程技術(shù)優(yōu)化、更新、迭代的思想。

（二）針對不同類型實驗的共性特點設(shè)計視頻

1.設(shè)置合適的引導(dǎo)問題，深入挖掘?qū)嶒灥挠藘r值

在與教師訪談過程中筆者了解到，實驗教學(xué)的難點不只體現(xiàn)在實驗觀察和操作上，還體現(xiàn)在對實驗的分析上、對研究問題的引導(dǎo)上、對實驗價值的挖掘上。開發(fā)者設(shè)計實驗視頻，需要考慮引導(dǎo)問題的設(shè)計，為教師的實驗教學(xué)提供參考。例如，在碘的升華和凝華實驗中，由于人感覺器官的限制，碘到底是直接從固態(tài)變成氣態(tài)還是從固態(tài)先變成液態(tài)再變成氣態(tài)。在時間短、碘數(shù)量少的實驗條件下，學(xué)生很難分辨，這會引起質(zhì)疑、引發(fā)思考。實驗視頻給出了背景信息“水的沸點為100 ℃，碘的熔點為114.15 ℃”，并適時提出引導(dǎo)性問題“請分析碘有沒有可能是從固態(tài)先變成液態(tài)再變成氣態(tài)的”。在理論分析的過程中，學(xué)生結(jié)合前面學(xué)習(xí)的熔點和沸點相關(guān)知識，很容易得知，在水浴加熱的情況下碘的溫度不可能達到熔點，不可能熔化為液體，那么碘只能是從固態(tài)直接變成氣態(tài)。學(xué)生接受這樣的視頻教學(xué)，既對升華現(xiàn)象有了深刻體驗，又在這個過程中鍛煉了科學(xué)思維能力。

2.做好交互設(shè)計，使實驗視頻更加適配教學(xué)環(huán)節(jié)

部分觀察類實驗需要進行多個實驗場景的觀察，導(dǎo)致實驗視頻過長，連續(xù)播放視頻不利于學(xué)生觀察某個實驗場景。測量類、探究類、制作類等綜合類實驗視頻通常需要呈現(xiàn)實驗原理、實驗操作、數(shù)據(jù)處理、實驗結(jié)論、實驗分析等環(huán)節(jié)，連續(xù)播放視頻不利于呈現(xiàn)整個實驗框架，不利于學(xué)生自主思考。開發(fā)者做好交互設(shè)計，在視頻中展示實驗設(shè)計邏輯，有利于學(xué)生從整體上認識和把握實驗。例如，對于實驗視頻《聲音的產(chǎn)生條件》，課標(biāo)要求為“2.3.1通過實驗，認識聲的產(chǎn)生條件”。學(xué)生了解聲音的產(chǎn)生條件，需要對生活中各種實驗現(xiàn)象進行綜合分析、提煉、總結(jié)。實驗視頻呈現(xiàn)了“橡皮筋”“鋼尺”“音叉”“鼓”“揚聲器”多個場景。學(xué)生借助這種并列式呈現(xiàn)的交互視頻，可以根據(jù)需要自主選擇呈現(xiàn)哪個場景。

3.提供基于實驗分類的視頻檢索路徑，使實驗視頻更加適教利學(xué)

通常，實驗視頻的檢索路徑為教材目錄或課標(biāo)目錄，以知識模塊為線索，這種方式適配教學(xué)進度，但是不利于用戶系統(tǒng)把握每種類型實驗的特點。在現(xiàn)有檢索路徑的基礎(chǔ)上，開發(fā)者可以基于實驗分類的檢索方式，同時在每個條目內(nèi)部按照初中物理知識模塊從前向后的方式展開，使實驗視頻更加適教利學(xué)。

注：本文系國家新聞出版署出版業(yè)科技與標(biāo)準重點實驗室、數(shù)字教育出版技術(shù)與標(biāo)準重點實驗室、人教數(shù)字教育研究院規(guī)劃課題“內(nèi)容結(jié)構(gòu)化整合視角下的初中數(shù)學(xué)數(shù)字教材設(shè)計與開發(fā)”（編號：RJA0323001）、“數(shù)字教材助力跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)的實踐研究”（編號：RJA0223003）的階段性研究成果。

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