顧建榮 江山

【摘 要】信息化時代教育變革背景下，信息技術已深度融入各學科，對各學科的教學起到促進作用。本文以高中物理數(shù)字化實驗為例，闡述了信息技術與高中物理融合創(chuàng)新的教學探索。

【關鍵詞】信息技術;高中;物理;數(shù)字化實驗

【中圖分類號】G434? 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2022）02、03-143-04

新課改背景下提倡學科之間的緊密聯(lián)系。從學科教學來看，信息技術是一門技能工具類的學科，物理學科是一門理科實驗性質的學科，信息技術與物理學科深度融合帶來了物理教學的創(chuàng)新，使教學內(nèi)容、手段、時空等方面發(fā)生了深刻的變革，特別是在物理數(shù)字化實驗教學方面展現(xiàn)魅力，開創(chuàng)學科融合教學的新思路。

合作對話，架學科融合橋梁

1.學科本質，理念同歸

從學科視角來看，信息技術學科是一門技能類學科，同時是基于算法提升計算能力和應用的學科，提升各方面效率的學科。而物理學科是自然科學領域的一門基礎學科，通過信息技術手段可以得到精準的實驗數(shù)據(jù)，驗證實驗原理，讓學生獲得便捷且良好的實驗體驗。兩門學科以技能和實驗（或實操）為共通點，信息技術為物理課堂以及實驗教學改革架起了創(chuàng)新的橋梁，而物理學科教學也為信息技術教學開啟了一個實驗新分支，有助于培養(yǎng)學生的信息技術應用和實踐能力。信息技術與物理學科融合有利于兩個學科融合、共同發(fā)展。

2.素養(yǎng)為核，指向一致

學科核心素養(yǎng)是學科育人價值的集中體現(xiàn)，是學生通過學科學習、專業(yè)積累等逐步形成正確的價值觀念、關鍵能力和必備品格。高中信息技術學科核心素養(yǎng)包括信息意識、計算思維、數(shù)字化學習創(chuàng)新、信息社會責任四個方面[1]。信息技術學科經(jīng)過多年的發(fā)展，從計算機編程教學到信息技術普及性知識學習，從小學三年級到高中已形成完整的信息素養(yǎng)知識鏈。物理學科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任四個方面[2]。兩門學科的核心素養(yǎng)指向一致：全面育人，幫助學生掌握學科的基礎知識和技能，增強學科意識，發(fā)展思維能力，自主學習與主動創(chuàng)新，樹立正確的社會價值觀和責任感。

優(yōu)化測量，補傳統(tǒng)實驗短板

在高中物理教學過程中，特別是在演示實驗和分組實驗中，傳統(tǒng)的實驗從準備到設備的檢驗，再到學生的實驗等，均需要一個詳細的準備過程。學生在實驗時不僅要考慮設備配件是否有故障或有產(chǎn)品質量問題，而且還要操作得當，否則得到的實驗結果會有較大的出入，甚至與我們的理念（或原理公式）不符。傳統(tǒng)的實驗在過去幾十年里發(fā)揮了應有的作用，但相應的短板在實踐中也已顯現(xiàn)。信息技術以及網(wǎng)絡通訊技術的發(fā)展可以“補齊短板”，彌補傳統(tǒng)物理實驗儀器設備操作的不足，讓學生喜歡上物理實驗。

1.數(shù)字化物理實驗讓實驗數(shù)據(jù)更精準

物理實驗是對物理知識、現(xiàn)象、原理進行探究驗證的基石，實驗數(shù)據(jù)是物理實驗驗證最有力的實證。傳統(tǒng)物理實驗（含演示實驗）以及學生分組實驗有利于物理課堂教與學，但因儀器問題，具有不穩(wěn)定性，時常因數(shù)據(jù)不精準起到“反面作用”。但是有了網(wǎng)絡技術、傳感器、視頻顯示、三維仿真技術等信息技術的支持，讓“數(shù)據(jù)說話”不再是難事，用準確的實驗數(shù)據(jù)支撐教學現(xiàn)象或原理，在教學中更能讓學生信服和接受。

例如，人教版新教材必修第二冊第六章第2節(jié)“向心力”中，要求學生必做實驗“探究向心力大小的表達式”。書本提供的實驗裝置是用標尺中紅和白兩種顏色的高度來表征力的大小，沒有具體刻度和數(shù)值，所以用此裝置探究，只能做到半定量，數(shù)據(jù)不夠精確，誤差較大，信服力不夠。但如果使用數(shù)字化實驗PASCAL裝置，就可以得到精準數(shù)據(jù)。

利用這些精準數(shù)據(jù)，結合Excel的圖像擬合功能，可以引導學生畫出如圖1所示的圖像，從而順利得出實驗結論。

2.數(shù)字化傳感器讓實驗體驗感更豐富

基于數(shù)字化傳感器的實驗，實驗裝置安裝操作簡便、實驗結果精確，得到實驗數(shù)據(jù)與原理數(shù)據(jù)匹配。另一方面，傳感器的多樣式可以匹配到多個實驗，如力學（探究勻速運動、分力與合力、平拋運動、機械能守恒定律）、電學（電阻伏安特性、電動勢和內(nèi)阻、電容放電、安培力）以及氣壓、重力加速度、追尋守恒量等實驗，規(guī)范的實驗設計思路，相關物理量的設定，通過數(shù)字化平臺自動生成測量數(shù)據(jù)，平臺自動匯總，對數(shù)據(jù)進行定量分析形成相關圖表。如在高中物理測位移，測重力，光電門測速度，電壓、電流測電阻等實驗中，通過USB將數(shù)采集器（DAS-5104D）連接到電腦，同步后工作燈正常亮起，傳感器正常工作，我們就可以準確得到相應數(shù)據(jù)。如測運動物體位移，在位移傳感器的支持下，利用實驗軟件平臺，通過時間/t與位移/m，再通過小車移動到一個新位置，重復5次，得到新的位移值，記錄分析得到一組位移值/m，讓學生得到實驗體驗與概念理念的一次驗證。知識源于實驗，實驗后再促進學生對知識的再認識、再重構、再提升。在實驗中將斜面放置有位移傳感器接收端的一端適當墊高，但不宜過高，否則容易撞壞小車，而將小車放回靠近位移傳感器接收端的某一位置，用手輕扶小車保持靜止（或用擋板阻攔）。通過數(shù)字化傳感器帶來的豐富實驗體驗，有利于學生對力學知識再一次進行認識和內(nèi)化。

3.信息技術讓“難以觀測”的實驗成為可能

在傳統(tǒng)物理教學中，一些生活常識性物理現(xiàn)象可以使用傳統(tǒng)儀器進行測試，但一些微觀或宏觀數(shù)據(jù)實驗，或有一些難預測或產(chǎn)生風險性的實驗，或因學校設備不足、條件環(huán)境不允許，或因有風險，往往只能借助公式去教學，無法去實驗。我們可以借助信息技術去突破傳統(tǒng)教學或實驗教學，數(shù)字化實驗技術的廣泛性、安全性以及操作的靈活性給我們帶來了新希望。借助信息技術的“東風”，在數(shù)字化實驗室的環(huán)境下，進行更多“不可思議”的實驗，可以解決很多物理課上的教學難題。

例如，高中物理中磁感應強度的測量，尤其是微弱磁感應強度的測量，是很難用傳統(tǒng)實驗實現(xiàn)的。但利用磁傳感器，可以輕松地測得螺線管內(nèi)部以及通電導線周圍的磁場。

如研究放射源實驗，研究三種射線α射線、β射線和γ射線的穿透能力時，教師直接提供給學生這三種射線的穿透能力;但有了數(shù)字化G-M傳感器，結合威爾遜云室配套放射源，就可以實驗探究三種射線的穿透能力，如圖2所示。

實驗結果表明：當有鉛板插入時，計數(shù)率明顯降低，說明鉛對放射線有屏蔽作用。不難發(fā)現(xiàn)鉛板越厚，屏蔽作用越大，當鉛板達到一定厚度時，計數(shù)率可接近本底數(shù)，即對放射線完全屏蔽。

融合優(yōu)化，促學科思維提升

在教學中，重視知識技能教學的同時，更要重視學生科學思維的過程化及計算思維的培養(yǎng)。

1.熟識技術原理，重視物理知識的內(nèi)化

在物理數(shù)字化實驗時，如探究氣體壓強與體積、溫度的關系，除需要學生具有一定的信息技術能力之外，更需要學生熟識器材（如各類傳感器等）或配件的技術原理，獲得實驗結果，理解實驗原理是核心，實驗過程比結果更為重要。

利用傳感器能測出相應的物理量，幫助學生理解實驗原理。教師要從大單元教學設計理念出發(fā)，以理解實驗原理為基石，讓學生掌握物理實驗的知識框架，構建與之相對應的物理觀念。

2.分析實驗數(shù)據(jù)，關注數(shù)據(jù)處理能力培養(yǎng)

在實驗時，教師更需要關注學生處理實驗數(shù)據(jù)能力的培養(yǎng)。通過數(shù)字化實驗獲得精準數(shù)據(jù)，既可以增加學生數(shù)據(jù)處理的信心，又可以鍛煉學生數(shù)據(jù)處理的能力。

例如，在研究氣體等溫變化時，學生利用數(shù)字化壓強傳感器精準地得到了數(shù)據(jù)（表1）。

此時，可以根據(jù)精準數(shù)據(jù)，引導學生畫出p-V圖像，如圖3所示，結果發(fā)現(xiàn)壓強p和體積V反相關，無法得出精準結論。此時，觀察圖像和數(shù)據(jù)，總結規(guī)律，能否考慮到畫p-1/V圖像，將是學生鍛煉數(shù)據(jù)處理能力的一種考驗。

如圖4所示，引導學生畫出p-1/V圖像后，可以追問學生為何圖像沒有過原點？這又將是鍛煉學生結合數(shù)據(jù)和實際情況、提升數(shù)據(jù)處理能力和思維能力的一種好的途徑。（修正了注射器和傳感器連接處被忽略的體積后，就可以使圖像精準地過坐標原點）

合理規(guī)劃，建學科融合課程

1.加強交流與合作，合理規(guī)劃課程

在學科融合教學中以學生為主體，教學方式、教學內(nèi)容以及教學制度需要充分考慮學生現(xiàn)狀。融合的課堂需要信息技術能力的支撐，在進行數(shù)字化實驗時，要科普與實驗相關的信息技術知識，展示信息技術的魅力。

物理課堂教學要善于利用信息技術，使課堂更加趣味化、生動化，需要物理教師和信息技術教師加強交流與合作，主動學習信息技術相關知識，提升個人信息技術應用能力和技術水平。教師也要合理規(guī)劃課程，通過信息技術與物理學科的融合，提升教學質量。

2.注重實踐與積累，提煉融合要點

融合需要實踐，更需學習積累。強化學科教學探索，注重創(chuàng)新性，營造開放性學習氛圍，以學生為主體，注重創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。信息技術和物理學科的深度融合是一種學科融合發(fā)展的創(chuàng)新教育教學形式，也是學科協(xié)同發(fā)展的教學理念。更新教學理念的同時，更需要關注信息技術的應用發(fā)展。新技術的發(fā)展能夠促進物理實驗課程的改革，同時為物理實驗環(huán)境創(chuàng)造更多的可能，為學生終身學習打下基礎。

信息技術對高中物理實驗教學方式的變革具有重要影響。課程融合的亮點是利用信息技術營造一種新型的實驗教學環(huán)境;課程融合的手段是從教學理念、教學方式、教學實踐等多個維度進行融合;課程融合的目標是學科聯(lián)動、統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，共同提高教學質量。在不斷的實踐與探索中推進技術與課堂的融合研究走向縱深，為學生今后生活和工作做準備，使學生養(yǎng)成終身發(fā)展所需的必備品格與關鍵能力，形成學生的物理學科核心素養(yǎng)。

參考文獻

中華人民共和國教育部.普通高中信息技術課程標準（2017 年版）[M].北京： 人民教育出版社，2017.

中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017 年版）[M].北京： 人民教育出版社，2017.