陶 揚(yáng) 王玉婷 邢紅軍

（1.首都師范大學(xué)教師教育學(xué)院，北京 100048；2.首都師范大學(xué)教育學(xué)院，北京 100048）

物理學(xué)科課程資源作為物理課程目標(biāo)實(shí)現(xiàn)及課程實(shí)施的基礎(chǔ)和保障，不僅是重要的物理教育理論研究問題，更是物理教育實(shí)踐研究領(lǐng)域面臨的創(chuàng)新問題與重要課題.為充分發(fā)揮各類中學(xué)物理課程數(shù)字資源的作用，亟需基于橫向?qū)Ρ扰c動(dòng)態(tài)發(fā)展的視角，研究各類物理課程資源及其制作工具，推動(dòng)物理課程數(shù)字資源的應(yīng)用與可持續(xù)發(fā)展，為物理教育高質(zhì)量發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ).

1 中學(xué)物理課程數(shù)字資源類型

當(dāng)前國(guó)內(nèi)物理課程資源主要包括教科書等文字課程資源、多種媒體課程資源、實(shí)驗(yàn)室課程資源以及社會(huì)課程資源4類.根據(jù)國(guó)內(nèi)中學(xué)物理課程數(shù)字資源的發(fā)展情況，本文總結(jié)了數(shù)字教材、多媒體資源、虛擬實(shí)驗(yàn)室3種典型的校內(nèi)中學(xué)物理課程數(shù)字資源.

1.1 數(shù)字教材課程資源

當(dāng)前，數(shù)字教材已成為我國(guó)中學(xué)物理課程資源不可或缺的一部分.數(shù)字教材并非簡(jiǎn)單的紙質(zhì)教材電子化，兩者在內(nèi)容和形式上有著實(shí)質(zhì)性區(qū)別.國(guó)內(nèi)物理數(shù)字教材研究極為豐富，涉及研發(fā)、應(yīng)用、評(píng)價(jià)、教育出版等多個(gè)方面.［1］基于資源供給主體，可將數(shù)字教材分為兩類：出版社研發(fā)的數(shù)字化教材與教育實(shí)踐工作者研發(fā)的數(shù)字化教材.（1）各出版社開發(fā)的數(shù)字化教材主要以紙質(zhì)教科書為藍(lán)本嵌入多媒體類教學(xué)資源，利用信息技術(shù)豐富教科書的配套資源，以學(xué)年為單位，覆蓋面較廣，相對(duì)系統(tǒng)化.如人教社基于紙質(zhì)版物理教材構(gòu)建《人教版數(shù)字教材物理》資源體系，明確數(shù)字教材中引入不同教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)的欄目和資源類型.（2）教育研究實(shí)踐者根據(jù)課程教學(xué)需要自行設(shè)計(jì)的數(shù)字教材，以知識(shí)為單位，重在體現(xiàn)“人－機(jī)”交互特性.如李彥基于“牛頓第三定律”設(shè)計(jì)的數(shù)字教材主要體現(xiàn)數(shù)字教材與學(xué)生之間的強(qiáng)交互性.［2］展望未來，如何基于物理學(xué)科本質(zhì)與學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律設(shè)計(jì)中學(xué)物理數(shù)字教材，亟須進(jìn)行更為深入的研究.

1.2 多媒體課程資源

多媒體課程資源建設(shè)類型較為豐富，通過將不同音頻、視頻、動(dòng)畫、軟件等媒體素材融為一體，從而滿足學(xué)習(xí)者多感官學(xué)習(xí)需求.多媒體課程資源建設(shè)材料易“拼裝”組合，具有富媒體化、智能化等利好特性.基于主要使用的媒體手段可將多媒體課程資源在物理教學(xué)中的應(yīng)用劃分為3類：（1）借助多媒體課件實(shí)現(xiàn)符號(hào)、文字、圖像、聲音、視頻等多感官立體化呈現(xiàn)物理教學(xué)知識(shí).如課件內(nèi)嵌超鏈接推薦科技類節(jié)目，展示與物理規(guī)律相關(guān)的科學(xué)技術(shù)最新成果；利用慢鏡頭錄制與倍速播放視頻展示顏料在液體中的擴(kuò)散等.（2）借助教學(xué)軟件、計(jì)算機(jī)、手機(jī)等軟硬件輔助教學(xué).如借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算功能，繪制物體運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)中質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡；利用手機(jī)拍攝加速度運(yùn)動(dòng)，通過內(nèi)置傳感器記錄運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)等.（3）以互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)為主導(dǎo)，借助數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺(tái)系統(tǒng)建設(shè)物理多媒體課程資源.國(guó)家中小學(xué)智慧教育平臺(tái)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)中小學(xué)課程資源最集中、最體系化的數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺(tái).

1.3 虛擬實(shí)驗(yàn)室課程資源

隨著信息技術(shù)與物理教學(xué)的深度融合，我國(guó)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)逐漸呈現(xiàn)現(xiàn)代化、智能化的發(fā)展趨勢(shì).借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，為學(xué)生提供虛擬實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境，降低學(xué)生實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)成本、縮短教師實(shí)驗(yàn)演示時(shí)間.當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)可分為4類：桌面式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、沉浸式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、遠(yuǎn)程分布式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室和基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室.桌面式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是當(dāng)前中學(xué)物理最常用的虛擬實(shí)驗(yàn)室類型，價(jià)格相對(duì)便宜，主要用于解決實(shí)驗(yàn)條件要求高、實(shí)驗(yàn)資源匱乏、師生分離等問題.國(guó)內(nèi)虛擬實(shí)驗(yàn)室課程資源建設(shè)主要集中于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，特別是后3類實(shí)驗(yàn)室資源，中學(xué)階段研究數(shù)量與規(guī)模相對(duì)較少.［3］

2 中學(xué)物理課程數(shù)字資源制作工具

按照功能特點(diǎn)與應(yīng)用場(chǎng)景劃分，物理課程數(shù)字資源制作技術(shù)工具主要分為3大類：一是數(shù)字文本資源工具，主要是制作數(shù)字化文本類資源；二是動(dòng)態(tài)演示分析類工具，包括動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)知識(shí)講解的制作工具、繪制圖形或測(cè)量計(jì)算類工具及實(shí)驗(yàn)視頻分析類工具等；三是虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)類工具，隨著技術(shù)的發(fā)展與成熟，虛擬實(shí)驗(yàn)室正從純虛擬技術(shù)向虛擬技術(shù)與現(xiàn)實(shí)世界融合的方向發(fā)展.

2.1 數(shù)字文本資源工具

數(shù)字化文本工具的主要作用是將文本內(nèi)容數(shù)字化呈現(xiàn)（詳見表1），當(dāng)前在中學(xué)物理中的應(yīng)用主要有制作數(shù)字教材及數(shù)字化教學(xué)內(nèi)容（詳見表2和表3，如思維導(dǎo)圖制作軟件）.工具軟件使用要求低，教師容易上手.中學(xué)物理思維導(dǎo)圖的研究側(cè)重于初中物理教學(xué)應(yīng)用研究、綜合復(fù)習(xí)的實(shí)踐與實(shí)證研究等方面.［4］物理學(xué)對(duì)于公式的準(zhǔn)確性與可讀性要求較高，在尊重物理學(xué)科知識(shí)固有邏輯路線的基礎(chǔ)上，如何創(chuàng)新物理數(shù)字教材文本與知識(shí)內(nèi)容的呈現(xiàn)形式還有待深入研究.

表1 數(shù)字化文本工具列表

表2 教材電子化呈現(xiàn)主要工具功能特點(diǎn)

表3 知識(shí)脈絡(luò)梳理主要工具功能特點(diǎn)

2.2 動(dòng)態(tài)演示分析工具

動(dòng)態(tài)演示分析類工具種類繁雜，功能豐富（詳見表4），在政策導(dǎo)向與實(shí)踐需求的雙重作用下，此議題一直是中學(xué)物理信息化教學(xué)研究的熱點(diǎn)與重點(diǎn).動(dòng)態(tài)演示分析類技術(shù)工具特點(diǎn)鮮明，對(duì)教師的信息素養(yǎng)要求相對(duì)較高.

表4 動(dòng)態(tài)演示和分析工具列表

2.2.1 知識(shí)講解類工具

知識(shí)講解類工具以微課、微視頻、動(dòng)畫制作為主（詳見表5），此類工具可與其他學(xué)科互通.目前國(guó)內(nèi)課程資源建設(shè)領(lǐng)域此類工具的研究成果較為豐富，主流工具功能齊全，各有千秋.此類工具主要應(yīng)用于物理概念和規(guī)律教學(xué)的微課、習(xí)題講解或演示類實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻的制作等方面.

表5 知識(shí)講解型主要工具功能特點(diǎn)

2.2.2 繪制測(cè)量類工具

相比之下，繪制測(cè)量類工具在設(shè)計(jì)之初已具備理科教學(xué)特點(diǎn)，此類工具的應(yīng)用存在一定的學(xué)科壁壘，部分軟件主要針對(duì)特定的教學(xué)內(nèi)容板塊，故本文針對(duì)在中學(xué)物理課程與教學(xué)實(shí)踐研究中應(yīng)用較為廣泛的幾個(gè)工具展開具體介紹.

（1）幾何畫板.

幾何畫板（The Geometer's Sketchpad）是一款幾何作圖軟件，既能繪制靜態(tài)的幾何圖形，也能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的幾何關(guān)系，展示動(dòng)畫過程.該軟件主要用于中學(xué)物理顯示幾何對(duì)象的位置關(guān)系、運(yùn)行變化規(guī)律等內(nèi)容.幾何畫板可用于電磁學(xué)、力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、光學(xué)等知識(shí)板塊.如在“帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”教學(xué)中，借助幾何畫板繪制帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡及演示粒子打在熒光屏上的位置變化，以及在各個(gè)方向射出的、不同速度的帶電粒子經(jīng)過的區(qū)域.［5］在探究性學(xué)習(xí)活動(dòng)中，其“可視化”的特點(diǎn)可用于支撐學(xué)生驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如驗(yàn)證彈簧振子運(yùn)動(dòng)的位移- 時(shí)間圖像符合正弦函數(shù)規(guī)律.［6］

（2）GeoGebra.

GeoGebra（又稱“動(dòng)態(tài)幾何畫板”，以下簡(jiǎn)稱GGB）是一款免費(fèi)動(dòng)態(tài)教學(xué)軟件，最初應(yīng)用于數(shù)學(xué)學(xué)科教學(xué)，國(guó)外相關(guān)研究較為豐富.GGB是近幾年較為熱門的物理課程數(shù)字資源制作軟件，其研究側(cè)重于：一是在物理概念教學(xué)中的可視化應(yīng)用（如力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)等）；二是在習(xí)題講解中物理模型的可視化展示；三是輔助物理開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)、探究式教學(xué)等的綜合應(yīng)用.［7］值得注意的是，當(dāng)前對(duì)于GGB的應(yīng)用實(shí)踐研究還存在一些空白領(lǐng)域，如在三維空間可視化的應(yīng)用、課堂交互功能的應(yīng)用、資源使用效果的實(shí)證研究、應(yīng)用策略等.

2.2.3 視頻分析類工具

視頻分析工具主要是利用數(shù)碼攝像、圖像處理等技術(shù)對(duì)抓拍到的圖像或視頻進(jìn)行自動(dòng)化、智能化處理的工具.數(shù)字圖像具有分辨率高、可后期處理、無損存儲(chǔ)、可連續(xù)拍攝等優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)中的精密讀數(shù)、數(shù)據(jù)記錄、非接觸性測(cè)量以及連續(xù)對(duì)比觀測(cè)等實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中.［8］目前國(guó)內(nèi)的視頻分析類工具在物理教學(xué)中的應(yīng)用較為集中，主要體現(xiàn)為借助數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)分析并構(gòu)建物理運(yùn)動(dòng)模型.

Tracker軟件是一款免費(fèi)的基于Java的開源物理視頻分析和建模工具.通過分析物理實(shí)驗(yàn)視頻，選定并追蹤質(zhì)點(diǎn)或質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡，預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)軌跡，最終實(shí)現(xiàn)定量分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).Tracker的主要作用是為運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)提供直觀的數(shù)據(jù)分析、軌跡預(yù)測(cè)等，是一個(gè)支持師生進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)分析和探究的平臺(tái).［9，10］

2.3 虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)工具

20世紀(jì)70年代至今，虛擬實(shí)驗(yàn)室課程資源技術(shù)工具的研究可分為3個(gè)階段：第1階段是制作純虛擬資源技術(shù)工具，側(cè)重于制作平面2D或3D圖形；第2階段是虛實(shí)結(jié)合類技術(shù)工具，構(gòu)建沉浸式教學(xué)環(huán)境，鏈接現(xiàn)實(shí)與虛擬世界；第3階段是教育元宇宙（Edu－Metaverse），突破物理世界的局限，通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)空間營(yíng)造一個(gè)新的虛擬世界，使師生在物理和虛擬世界同時(shí)獲得現(xiàn)實(shí)和虛擬教學(xué)的需求.［11］當(dāng)前技術(shù)發(fā)展主要集中于第2階段（詳見表6）.

表6 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)類工具列表

2.3.1 純虛擬仿真實(shí)驗(yàn)類工具

（1）PhET.

Ph ET（Physics Education Technology）是一款自由仿真互動(dòng)實(shí)驗(yàn)軟件，包括物理、化學(xué)等理科項(xiàng)目，物理學(xué)科提供模擬教學(xué)動(dòng)畫、模擬測(cè)量工具等，包含“運(yùn)動(dòng)，聲音、振動(dòng)、波、功、能量、功率，熱學(xué)，量子現(xiàn)象，光和輻射，電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電路”等內(nèi)容，該軟件的社區(qū)網(wǎng)站上為用戶提供了豐富的互動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)程序.［12］

（2）NoBook物理實(shí)驗(yàn).

NoBook物理實(shí)驗(yàn)是一款中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)操作與演示工具.該軟件提供綜合性實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)儀器，用戶可根據(jù)需求定制器材與參數(shù)，自由組合完成實(shí)驗(yàn)操作與演示.軟件包含“電與磁”“家庭電路”“聲學(xué)”“光學(xué)”“熱學(xué)”“力學(xué)”“力與運(yùn)動(dòng)”“近代物理”8個(gè)模塊，基本涵蓋初高中實(shí)驗(yàn)操作.

（3）Algodoo.

Algodoo軟件是一款2D仿真虛擬物理實(shí)驗(yàn)軟件（2D Physics Sandbox Algodoo，二維物理沙盒），軟件無須編程，適用于仿真力學(xué)實(shí)驗(yàn)，可繪制任意形狀物體及其運(yùn)動(dòng)圖像.該軟件可展現(xiàn)物理概念與規(guī)律，如正弦波、動(dòng)量守恒定律等；模擬各類運(yùn)動(dòng)，仿真各種碰撞過程；構(gòu)建裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等.

2.3.2 虛實(shí)結(jié)合類技術(shù)

具有三維空間的虛擬實(shí)驗(yàn)交互技術(shù)日益受到研究者的青睞，虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)如何應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教育成為新一輪研究熱點(diǎn).當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)AR物理實(shí)驗(yàn)展開的大量研究主要集中于：（1）AR物理教學(xué)資源的設(shè)計(jì)與開發(fā)，如利用AR 3D技術(shù)進(jìn)行凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)；［13］利用Unity 3D設(shè)計(jì)開發(fā)符合物理規(guī)律的封閉光滑的磁感線；［14］利用 AR 開展電磁感應(yīng)教學(xué)；［15］融合 AR和Microsoft Kinect體感交互技術(shù)開展“磁場(chǎng)”知識(shí)教學(xué)等.［16］（2）AR技術(shù)能否促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)與準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究.當(dāng)前學(xué)術(shù)界關(guān)于AR對(duì)學(xué)習(xí)成績(jī)影響的主流結(jié)論是：AR有助于提高學(xué)習(xí)成績(jī).國(guó)內(nèi)外研究均表明AR對(duì)物理學(xué)科產(chǎn)生中等程度的影響.［17］AR技術(shù)通過虛實(shí)信息的交疊融合，實(shí)現(xiàn)了物理世界和虛擬世界的無縫融合，加強(qiáng)了人機(jī)自然交互，降低了認(rèn)知負(fù)荷，有助于學(xué)習(xí)者高階思維能力的發(fā)展，為學(xué)習(xí)方式的變革提供了可能.［18，19］

3 發(fā)展建議

3.1 因地制宜遴選技術(shù)工具，豐富物理課程數(shù)字資源

隨著教育信息化2.0工程的深入推進(jìn)，各類技術(shù)工具不斷拓寬物理課程數(shù)字資源的設(shè)計(jì)與制作渠道.受地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、教育資源軟硬件配置等多種因素制約，各地開展物理課程數(shù)字資源建設(shè)的類型與進(jìn)度存在差異.發(fā)達(dá)地區(qū)學(xué)校有充足的資金引入VR、AR等新興技術(shù)建設(shè)物理實(shí)驗(yàn)室，技術(shù)工具更新迭代速度較快；經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后地區(qū)的學(xué)校教師可選用NoBook、Ph ET等免費(fèi)或低成本的純虛擬仿真實(shí)驗(yàn)類工具、引入演示實(shí)驗(yàn)類視頻資源輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提升物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果.教師要理性看待新技術(shù)、新工具，綜合選擇并組合各種方法、策略與技術(shù)工具.不同技術(shù)工具擁有不同的媒體特性與教學(xué)功能，我們應(yīng)充分關(guān)注不同技術(shù)工具的應(yīng)用場(chǎng)景與技術(shù)要求，注重技術(shù)工具與課程資源建設(shè)的適用性，充分發(fā)揮技術(shù)工具應(yīng)用的潛能和效益，實(shí)現(xiàn)技術(shù)工具在教學(xué)中的有效應(yīng)用，進(jìn)而豐富物理課程數(shù)字資源.

3.2 評(píng)估技術(shù)工具的有效性，確保兼具教育價(jià)值屬性

技術(shù)工具對(duì)于物理課程數(shù)字資源建設(shè)而言，既是機(jī)遇，又是挑戰(zhàn).一方面，各類技術(shù)工具融入資源建設(shè)的全過程，能夠不斷豐富物理課程數(shù)字資源建設(shè)類型；另一方面，如果沒有恰當(dāng)?shù)剡x擇與應(yīng)用技術(shù)工具，則會(huì)使物理課程數(shù)字資源建設(shè)陷入“為技術(shù)而技術(shù)”的誤區(qū)，就有可能出現(xiàn)物理課程數(shù)字資源建設(shè)中存在技術(shù)應(yīng)用目的與效果不相吻合的情況，如制作微課目的是讓學(xué)生理解概念規(guī)律的物理意義，但在實(shí)際應(yīng)用中，炫酷的動(dòng)畫技術(shù)所達(dá)到的教學(xué)效果更多地表現(xiàn)為吸引學(xué)生的興趣，從而導(dǎo)致技術(shù)應(yīng)用的“目的”與“效果”南轅北轍.為此，我們需要明晰技術(shù)工具的應(yīng)用目標(biāo)，技術(shù)工具在課程數(shù)字資源建設(shè)中的關(guān)注點(diǎn)應(yīng)從技術(shù)設(shè)施、工具類型轉(zhuǎn)向評(píng)估技術(shù)工具應(yīng)用的有效性.技術(shù)工具應(yīng)用的有效性是指技術(shù)工具的選擇與應(yīng)用符合教育教學(xué)規(guī)律，例如符合學(xué)習(xí)者特征、符合學(xué)習(xí)活動(dòng)所要求的媒體特征等，用戶根據(jù)實(shí)際所需選擇相應(yīng)功能，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的應(yīng)用效果，確保技術(shù)工具應(yīng)用兼具教育工具與教育價(jià)值雙重屬性.

3.3 加強(qiáng)支持和培訓(xùn)的力度，提升教師技術(shù)應(yīng)用能力

工欲善其事，必先利其器.物理課程數(shù)字資源制作與應(yīng)用離不開教師信息技術(shù)應(yīng)用能力的支撐.教育主管部門及學(xué)校教研領(lǐng)導(dǎo)一方面應(yīng)注重圍繞學(xué)校信息化教學(xué)推動(dòng)教師研訓(xùn)，遴選以專家和優(yōu)秀教研員及專業(yè)技術(shù)人員為支撐的高素質(zhì)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，推動(dòng)教師應(yīng)用技術(shù)工具制作物理學(xué)科資源，提升教師的信息素養(yǎng)水平；另一方面，積極引入云計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)和人工智能等前沿技術(shù)支持的物理學(xué)科工具與虛擬實(shí)驗(yàn)室等課程資源，完善資源和工具動(dòng)態(tài)更新機(jī)制.此外，教師也需要有意識(shí)自發(fā)地提高自身的信息技術(shù)應(yīng)用能力，一是適應(yīng)社會(huì)發(fā)展潮流與教育改革需求，創(chuàng)新教育教學(xué)理念，積極建設(shè)物理課程數(shù)字資源；二是充分利用現(xiàn)有的物理課程數(shù)字資源，如國(guó)家及省市各級(jí)建設(shè)的教育資源公共服務(wù)平臺(tái)上提供的課件、微課、習(xí)題等優(yōu)質(zhì)課程資源等.