數(shù)字化背景下高中物理實驗教學優(yōu)化路徑探究

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1673-8918（2025）20-0089-04

實驗是物理課程體系下重要的教學內(nèi)容，實驗教學和以實驗形式開展的教學都能對學生的成長和發(fā)展起到重要的作用。《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》提出了培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)和促進學生個性成長、全面發(fā)展的育人要求后，創(chuàng)新實驗教學方式、優(yōu)化實驗教學開展形式也成為一項迫在眉睫的任務(wù)。同時，社會經(jīng)濟與科技的發(fā)展也為實驗教學的優(yōu)化、創(chuàng)新打開了突破口。科技的進步推動了時代的變遷，社會上的各個行業(yè)領(lǐng)域都相繼開始了數(shù)字化的轉(zhuǎn)型與改革。教育也不例外，在數(shù)字化的時代大背景下，引入新技術(shù)、新設(shè)備和新軟件開展教學已是大勢所趨。對注重觀察、操作、感知和分析的實驗教學來說，教學工具的數(shù)字化改革推動了實驗教學實踐形式和呈現(xiàn)形式的優(yōu)化創(chuàng)新，也為學生知識認知和思維能力、操作能力的發(fā)展提供了極大的支持與助力。

一、高中物理課上傳統(tǒng)實驗教學的不足

實驗從來都是科學探究中不可或缺的活動，而在學習方面，教師不僅需要借助實驗這個載體來解構(gòu)科學知識，以完善和深化學生對實驗主題相關(guān)知識的理解，也需要圍繞實驗開展教學，以引導(dǎo)學生了解實驗的基本操作步驟和實驗原理。因此，實驗教學一直都是高中物理課上必不可少的教學活動。但綜合實踐來看，高中物理課上傳統(tǒng)的實驗教學就普遍存在著指向?qū)嶒灧桨傅某尸F(xiàn)、實驗數(shù)據(jù)的收集和師生交互這三個方面的不足。

（一）實驗方案的呈現(xiàn)不夠有規(guī)劃和條理

與注重理論知識的教學活動相比，注重實驗的教學活動有著更強的實踐性，需求學生做出實際的行動，主要就是設(shè)計實驗探究的方案。在圍繞某個科學問題展開實驗探究前，學生需要先分析探究的核心主題，再帶人核心主題來歸納需要探究的問題，最后結(jié)合問題選擇要開展的實驗，并針對實驗設(shè)計更細致的操作方案。而在高中物理課上，傳統(tǒng)實驗教學的不足首先就在于對實驗方案的呈現(xiàn)，很多學生小組所呈現(xiàn)的實驗方案都缺乏規(guī)劃和條理。

（二）實驗過程中對數(shù)據(jù)的收集不夠便利

一次完整的實驗探究包括前期準備、中期操作和觀察、后期分析和總結(jié)的三個環(huán)節(jié)。其中，中期操作指的是為得到某些數(shù)據(jù)或驗證某個結(jié)論而進行的一系列操作；觀察則指的是對實驗現(xiàn)象的“看”和實驗信息、數(shù)據(jù)的“記”。有觀察才會有發(fā)現(xiàn)，有信息和數(shù)據(jù)才可能有分析和總結(jié)。實驗過程中，對數(shù)據(jù)的收集就可能直接影響到后續(xù)對實驗結(jié)果的歸納。因而，在高中物理課上，傳統(tǒng)實驗教學的不足也包括實驗過程中對數(shù)據(jù)的收集不夠便利。

（三）實驗進行時師生難以實現(xiàn)有效交互

因?qū)嶒灧桨?、軟件硬件、時空環(huán)境等因素可能帶來的影響，沒有人敢斷定某個實驗的成功率是百分百，或者某個實驗的過程、結(jié)果都能與預(yù)期保持一致。即使是被千百次驗證過的實驗，也可能會因為操作上的不規(guī)范或偏差而導(dǎo)致錯誤的結(jié)論，尤其是在讓學生動手操作時，所以實驗教學過程中的師生交互尤其重要?；诖?，實驗進行時師生難以實現(xiàn)有效交互也是傳統(tǒng)實驗教學的不足之一，就會對學生的物理探究造成阻礙。

二、數(shù)字化對高中物理實驗教學的優(yōu)化

數(shù)字化對教學的優(yōu)化主要表現(xiàn)在以下三個方面：一是教學內(nèi)容的呈現(xiàn)，二是教學活動的實踐，三是教學數(shù)據(jù)的收集。就實驗教學而言，數(shù)字化對教學實踐的優(yōu)化，首先表現(xiàn)在對操作實驗選擇范圍的拓展上，然后表現(xiàn)在對操作實驗實踐方法的創(chuàng)新上，最后表現(xiàn)在對實驗過程中數(shù)據(jù)采集方式的升級上。在數(shù)字化的賦能下，教師能在課堂上針對性開展以更多類型的物理實驗為主要內(nèi)容的實驗教學活動，以最大化發(fā)揮實驗教學的育人價值。

（一）優(yōu)化了學生操作實驗的選擇范圍

高中物理課程的教學內(nèi)容體系中有著許多需要學生了解或掌握的實驗，但這些實驗并非全都能夠在課堂上呈現(xiàn)。受到環(huán)境、軟硬件、操作難度、持續(xù)時間等因素的影響，教師很難通過組織操作實驗的方式來完成對所有實驗的教學；而脫離了動手的操作，學生對實驗步驟及實驗原理的理解就容易停留在表面?；诖耍瑪?shù)字化對高中物理實驗教學的優(yōu)化就表現(xiàn)在操作實驗的選擇范圍上，教師可以借助新的工具開展以往難以開展的實驗。

（二）優(yōu)化了學生操作實驗的方式方法

科技的發(fā)展與進步會帶動社會生產(chǎn)生活方式的變遷，新設(shè)備、技術(shù)和工具的出現(xiàn)能簡化一些不必要的重復(fù)步驟，進而起到節(jié)省時間的作用。與此同時，程序設(shè)定好的操作相對手動操作更加精準，所以也能起到提升實驗數(shù)據(jù)準確性的作用。從這一角度出發(fā)，數(shù)字化對高中物理實驗教學的優(yōu)化，也表現(xiàn)在了實驗方式和方法的更新上。教師可以靈活應(yīng)用數(shù)字工具優(yōu)化學生的實驗操作，一方面能提升實驗的成功率，另一方面能提升實驗教學效率和有效性。

（三）優(yōu)化了實驗過程中對數(shù)據(jù)的采集

在學生主導(dǎo)操作的實驗教學活動中，學生自主的實驗觀察和數(shù)據(jù)采集很容易出現(xiàn)問題。最突出的問題就有兩個：一是因分心采集數(shù)據(jù)而導(dǎo)致操作變形，二是在數(shù)據(jù)呈現(xiàn)不夠清晰時，無法快速且準確地完成數(shù)據(jù)采集；前一個問題影響的主要是實驗的成功率，后一個問題影響的主要是實驗結(jié)論的準確性。在這一視角下，數(shù)字化對高中物理實驗教學的優(yōu)化，還表現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集上。教師可以利用數(shù)字工具幫助學生完成及時、高效且準確的數(shù)據(jù)采集。

三、數(shù)字化下高中物理實驗教學的優(yōu)化路徑

課堂教學的數(shù)字化有著一個更突出的標志，即數(shù)字化設(shè)備、技術(shù)、軟件與工具在課堂上的靈活應(yīng)用。教師在規(guī)劃教學活動時，需要以課程知識的本質(zhì)特征為參考，結(jié)合所要教學的具體知識內(nèi)容判斷應(yīng)用何種設(shè)備、技術(shù)或軟件、工具開展教學。就物理課上的實驗教學而言，注重視聽、模擬、感應(yīng)或數(shù)據(jù)分析的各種數(shù)字化設(shè)備、技術(shù)、軟件和工具，就能夠發(fā)揮不同類型的作用。結(jié)合高中物理對實驗的實際教學需要，教師首先就可以應(yīng)用視聽設(shè)備與技術(shù)優(yōu)化演示實驗的呈現(xiàn)，然后可以應(yīng)用模擬設(shè)備與技術(shù)優(yōu)化操作實驗的實踐，之后可以應(yīng)用感應(yīng)設(shè)備與技術(shù)優(yōu)化實驗數(shù)據(jù)的收集，最后可以應(yīng)用數(shù)據(jù)軟件與工具優(yōu)化實驗結(jié)論的規(guī)劃。對數(shù)字化教學工具的靈活應(yīng)用就是數(shù)字化背景下實驗教學有效性的保障。

（一）應(yīng)用視聽設(shè)備與技術(shù)優(yōu)化演示實驗的呈現(xiàn)

課堂上的實驗教學分兩種，其中一種就是主要由教師操作、學生觀察的演示實驗。教師的操作能在一定程度保證實驗操作的準確性和實驗的成功率，學生對實驗的觀察也更利于其對相關(guān)知識及原理的理解。因此，數(shù)字化下高中物理實驗教學的優(yōu)化就要更好地呈現(xiàn)演示實驗，科學應(yīng)用視聽設(shè)備與技術(shù)優(yōu)化演示實驗。

就以人教版高中物理必修一第三章第3節(jié)“牛頓第三定律”中驗證牛頓第三定律的實驗為例，牛頓第三定律說的是相互作用的兩個物體之間存在著大小相等且方向相反的作用力與反作用力，且這兩個力作用在同一直線上。而在以演示實驗的形式驗證牛頓第三定律時，教師就可以選擇向?qū)W生演示牛頓擺球?qū)嶒?。這一實驗除了能用于驗證牛頓第三定律，也能用于驗證能量守恒定律。實驗中需要用到的材料除了由擺球、擺桿和支架組合而成的牛頓擺球裝置，還有秒表和卷尺；需要用到的工具則包括天平、砝碼、鐵架臺、細線、膠帶等。

課堂上的演示實驗?zāi)転閷W生提供一個近距離觀察實驗的機會，但因為學生的座位與講臺之間存在著距離遠近和觀察角度的差異，難以照顧到班上所有的學生，所以坐在后排或邊角的學生參與感相對較差，能觀察到的信息也不夠全面。而在實際開展演示實驗教學時，教師就可以視情況選擇提前錄制實驗或現(xiàn)場“直播”實驗，在大屏幕的加持下，讓坐在后排與邊角的學生也能清楚地觀察到擺球的運動狀態(tài)，之后在課堂討論中也能結(jié)合自己的觀察來發(fā)表觀點。

（二）應(yīng)用模擬設(shè)備與技術(shù)優(yōu)化操作實驗的實踐

抽象性雖然幾乎是所有物理知識共同的特征，但不同知識內(nèi)容的抽象程度存在差異；針對不同知識內(nèi)容的實驗設(shè)計，也存在著條件與操作難度的差異。因此，學校的硬件建設(shè)就會對實驗教學產(chǎn)生直接的影響。所以，數(shù)字化下高中物理實驗教學的優(yōu)化也要落實操作實驗的拓展，科學應(yīng)用模擬設(shè)備與技術(shù)優(yōu)化操作實踐。

就以人教版高中物理必修一第四章第2節(jié)《實驗：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》的教學為例，實驗圍繞“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”展開，教師需要在完成基礎(chǔ)原理的教學以后，組織學生以小組分工合作的形式完成實驗探究。綜合實驗的主題，學生需要完成的具體實驗主要就是控制變量、測試小車運動過程中速度的變化；需要用到的材料和工具包括一端附有定滑輪的長木板、小車、電磁打點計時器、刻度板、砝碼、天平、帶小鉤的細繩等；實驗的注意事項則包括在實驗前要平衡摩擦力、在實驗中要先控制定量再控制變量、在作圖與分析數(shù)據(jù)時要先判斷數(shù)據(jù)的正誤。

這一實驗的操作相對簡單，但不規(guī)范的操作容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差，參考數(shù)據(jù)太少也容易導(dǎo)致最終的結(jié)論不夠準確，所以需要重復(fù)多次的實驗，也更注重實驗操作的規(guī)范。那么在數(shù)字化的賦能下，教師就可以在學生實際操作過實驗并了解了實驗步驟后，再引導(dǎo)學生借助模擬設(shè)備與技術(shù)來開展模擬實驗，獲取更多準確的參考數(shù)據(jù)，以保障實驗結(jié)果的準確性。

（三）應(yīng)用感應(yīng)設(shè)備與技術(shù)優(yōu)化實驗數(shù)據(jù)的收集

物理實驗的很多結(jié)論都是從數(shù)據(jù)中總結(jié)出來的，中間可能還需要經(jīng)歷一系列代入特定公式的計算，之后再借計算的結(jié)果總結(jié)規(guī)律；而實驗結(jié)果與預(yù)想結(jié)果的偏差會影響實驗結(jié)論的判斷，偏差的大小則主要受到原始數(shù)據(jù)的影響。因此，數(shù)字化下高中物理實驗教學的優(yōu)化還要落實數(shù)據(jù)的收集，科學應(yīng)用感應(yīng)設(shè)備與技術(shù)優(yōu)化數(shù)據(jù)收集。

就以人教版高中物理必修二第八章第5節(jié)《實驗：驗證機械能守恒定律》的教學為例，機械能是動能與勢能的總和，機械能守恒定律指的就是“在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，物體系統(tǒng)的動能和勢能會發(fā)生相互的轉(zhuǎn)化，但過程中機械能的總量不變”。也就是說，在沒有其他作用力的情況下，一個處于運動狀態(tài)的物體但內(nèi)部的動能和重力勢能、彈性勢能不被消耗。而在驗證機械能守恒定律時，學生可以進行的就是自由落體的實驗，要用到的實驗材料和工具包括重物、打點計時器、交流電源、紙帶、刻度尺、帶鐵夾的鐵架臺。

在這一實驗中，學生對實驗數(shù)據(jù)的收集主要靠的是打點計時器，紙帶上點與點的距離就是學生計算時主要的數(shù)據(jù)來源，包括對物體自由落體速度的計算和動能、勢能變化的計算。而在數(shù)字化時代，可以通過傳感器快速測量速度。所以在數(shù)字化背景下開展物理實驗時，教師也可以視情況引入小型的速度傳感器收集速度類的實驗數(shù)據(jù)。借助感應(yīng)設(shè)備與技術(shù)，學生在分析數(shù)據(jù)時就能節(jié)省下計算部分數(shù)據(jù)的時間，進而將更多時間與精力用到與探究主題直接關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)分析與對比上，同時學生也可以借助傳感器記錄下的數(shù)據(jù)驗證自己的計算結(jié)果是否準確。

（四）應(yīng)用數(shù)據(jù)軟件與工具優(yōu)化實驗結(jié)論的歸納

實驗之于教學的價值不僅在于過程中的操作、觀察和思考，也在于完成實驗后對實驗數(shù)據(jù)的分析與實驗結(jié)論的規(guī)劃。實驗的過程關(guān)聯(lián)著學生的知識建構(gòu)和實驗認知建構(gòu)，對實驗的分析與總結(jié)則關(guān)聯(lián)著學生對探究問題的解答和實驗原理的理解。因而數(shù)字化下高中物理實驗教學的優(yōu)化也應(yīng)進行總結(jié)，科學應(yīng)用數(shù)據(jù)軟件與工具優(yōu)化總結(jié)過程。

就以人教版高中物理必修三第十二章第4節(jié)《實驗：電池電動勢和內(nèi)阻的測量》的教學為例，對電池電動勢和內(nèi)阻的測量有著原理大致相同的多種不同方法，可以簡單概括為伏安法、伏阻法、安阻法、伏伏法、安安法等，不同的測量方法需要關(guān)注的數(shù)據(jù)和計算的數(shù)據(jù)都存在一定的差異。在條件允許的情況下，教師可以帶領(lǐng)學生進行多種測量實驗，借助操作實踐幫助學生掌握這些實驗測量方法，及其背后的實驗原理

而在實驗后期分析數(shù)據(jù)與歸納結(jié)論的環(huán)節(jié)，教師就有必要教學生如何應(yīng)用數(shù)據(jù)軟件與工具快速繪圖、制表和計算。就對數(shù)據(jù)的分析和結(jié)論的歸納而言，數(shù)據(jù)軟件與工具除了能起到提升效率與準確性的作用，也能起到快速整理數(shù)據(jù)和清晰呈現(xiàn)結(jié)論的作用，在數(shù)據(jù)軟件中新建的工程文件除了可以借助線上渠道實現(xiàn)共享，也可以通過線上渠道完整地分享給教師，為實驗教學視角下師生的有效交互奠定了堅實的基礎(chǔ)。在數(shù)字化工具的賦能下，教師可以多線參與各學生小組的實踐探究，一是可以結(jié)合具體的數(shù)據(jù)來分別向各學生小組提供指導(dǎo)，二是可以結(jié)合數(shù)據(jù)的整體規(guī)律來為學生指出一些問題或錯誤，對學生對實驗結(jié)論的歸納也是必不可少的助力。

四、結(jié)論

綜上所述，高中物理課傳統(tǒng)的實驗教學還普遍存在著實驗方案的呈現(xiàn)缺乏規(guī)劃和條理、實驗過程中對數(shù)據(jù)的收集不夠便利和實驗中師生難以實現(xiàn)有效交互的問題，在一定程度上影響了學生對實驗本身、實驗所探究的問題、實驗中涉及的原理的解析。因而在全面育人的目標要求下，教師應(yīng)當著手優(yōu)化實驗教學的實踐形式。而在數(shù)字化的時代大背景下，科學應(yīng)用數(shù)字化教學工具開展實驗教學，就是高中物理教師優(yōu)化實驗教學的突破口。對此，視聽設(shè)備與技術(shù)、模擬設(shè)備與技術(shù)、感應(yīng)設(shè)備與技術(shù)，以及數(shù)據(jù)軟件與工具都能起到積極的作用。因而教師應(yīng)當在不同形式的實驗教學或者實驗教學的不同環(huán)節(jié)，合理引入數(shù)字化教學工具，借新設(shè)備、新技術(shù)、新軟件和新工具為實驗教學賦能。

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