鄭康

當(dāng)前，新一輪課程改革正在積極推進(jìn)。教師應(yīng)改進(jìn)課堂教學(xué)方式，融合信息技術(shù)開(kāi)展學(xué)科教學(xué)。筆者梳理人教版新教材中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將其分為演示實(shí)驗(yàn)、探究性實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證或測(cè)量性實(shí)驗(yàn)和拓展性實(shí)驗(yàn)四類，針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，提出利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（DIS）進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)：改進(jìn)演示實(shí)驗(yàn)，展示動(dòng)態(tài)物理過(guò)程；優(yōu)化探究性實(shí)驗(yàn)，發(fā)揮圖像處理功能；完善驗(yàn)證性和測(cè)量性實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)精度；開(kāi)展拓展性實(shí)驗(yàn)，實(shí)施微課題研究。以此，不斷增強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力，提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。

一、與時(shí)俱進(jìn)利用信息技術(shù)改進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)是課標(biāo)要求

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，也是培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的重要途徑?！缎聲r(shí)代推進(jìn)普通高中育人方式改革的指導(dǎo)意見(jiàn)》要求教師“積極探索基于情境、問(wèn)題導(dǎo)向的互動(dòng)式、啟發(fā)式、探究式等課堂教學(xué)方式；注重引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展研究型、項(xiàng)目化、合作式等跨學(xué)科綜合性學(xué)習(xí)；認(rèn)真開(kāi)展好演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力”。

當(dāng)今社會(huì)信息技術(shù)飛速發(fā)展。DIS等信息技術(shù)的應(yīng)用正在改變教師的教學(xué)手段和學(xué)生的學(xué)習(xí)方式。數(shù)字媒體已成為物理教學(xué)特別是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要課程資源?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》明確提出應(yīng)“積極推進(jìn)信息技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，促進(jìn)信息技術(shù)與學(xué)科課程的整合；充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，為學(xué)生的多樣化學(xué)習(xí)和發(fā)展提供豐富的手段”。如何有效利用信息技術(shù)促進(jìn)物理教學(xué)方式的變革，是物理教師應(yīng)積極研究的重要課題。在信息技術(shù)日益集成化、系統(tǒng)化的今天，教師基于教材開(kāi)展DIS實(shí)驗(yàn)是促進(jìn)物理教學(xué)數(shù)字化的有效途徑。

二、人教版新教材中實(shí)驗(yàn)梳理與數(shù)字化改進(jìn)

（一）改進(jìn)演示實(shí)驗(yàn)，展示動(dòng)態(tài)物理過(guò)程，深化物理觀念

演示實(shí)驗(yàn)多是教師操作的示范性實(shí)驗(yàn)。教師演示物理現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生觀察思考，以講授或討論等方式，幫助學(xué)生建立物理概念和認(rèn)識(shí)物理規(guī)律，為學(xué)生開(kāi)展實(shí)驗(yàn)提供參考。以人教版高中物理教材中的正文部分為研究對(duì)象，筆者梳理發(fā)現(xiàn)教材中共有40組演示實(shí)驗(yàn)，其中可用DIS改進(jìn)或開(kāi)展的演示實(shí)驗(yàn)共有12組（見(jiàn)表1）。

學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象需要觀察和思考，但許多物理現(xiàn)象是瞬間發(fā)生或不夠明顯的。教師用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)器材和方法教學(xué)，學(xué)生難以捕捉和記錄相關(guān)的物理過(guò)程。例如，對(duì)于牛頓第三定律的研究，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方案是用兩只相同的彈簧測(cè)力計(jì)沿相反方向拉動(dòng)，并同時(shí)增大或減小拉力，觀察兩只彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)情況。按傳統(tǒng)方法操作，學(xué)生可以觀察到兩只彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)是同時(shí)增大或者同時(shí)減小的，但是要更具體地研究?jī)烧叩拇笮￡P(guān)系，用肉眼是難以觀測(cè)的。筆者利用DIS開(kāi)展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，完美破解上述難題。系統(tǒng)自動(dòng)采集并記錄數(shù)據(jù)（如圖1），同時(shí)將數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)并實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為圖像（如圖2），這樣實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)過(guò)程的自動(dòng)記錄和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的動(dòng)態(tài)可視化。

對(duì)于一些演示實(shí)驗(yàn)，如果實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不夠明顯、直觀，教師可以充分利用DIS傳感器替代肉眼觀測(cè)，利用計(jì)算機(jī)軟件記錄數(shù)據(jù)，并將動(dòng)態(tài)的物理過(guò)程轉(zhuǎn)換為“物理量—時(shí)間”圖像直觀地呈現(xiàn)出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)物理現(xiàn)象的可視化。

（二）優(yōu)化探究性實(shí)驗(yàn)，利用圖像處理功能，提升科學(xué)思維

探究性實(shí)驗(yàn)主要指在教師指導(dǎo)下，學(xué)生經(jīng)歷“提出問(wèn)題—猜想假設(shè)—設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)—實(shí)施實(shí)驗(yàn)與搜集數(shù)據(jù)—分析論證—評(píng)估—交流”的探究過(guò)程，并且運(yùn)用歸納概括、分析綜合等思維方法來(lái)建立物理概念和探求物理規(guī)律，同時(shí)感悟科學(xué)思想和科學(xué)精神、培養(yǎng)交流與合作能力。以人教版高中物理教材中的正文部分為研究對(duì)象，筆者梳理發(fā)現(xiàn)教材中共有27組探究實(shí)驗(yàn)，其中可用DIS改進(jìn)或開(kāi)展的探究實(shí)驗(yàn)共有14組（見(jiàn)表2）。

搜集數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)是探究性實(shí)驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)論必須以數(shù)據(jù)分析作為依據(jù)。然而，對(duì)于一些常見(jiàn)的探究性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和作圖都需要學(xué)生處理，這雖然可以提升學(xué)生的計(jì)算和作圖能力，但耗時(shí)太長(zhǎng)，會(huì)嚴(yán)重影響對(duì)后續(xù)結(jié)果的進(jìn)一步分析和運(yùn)算。例如，學(xué)生用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置（包括柱塞、壓力表等器件）探究氣體壓強(qiáng)與體積關(guān)系，每操作一次都要同時(shí)讀出體積和壓強(qiáng)的數(shù)值，還要進(jìn)行估讀。在多次操作后，學(xué)生還要根據(jù)得到的多組數(shù)據(jù)作圖像和1/圖像，這會(huì)嚴(yán)重?cái)D占課堂時(shí)間。筆者開(kāi)展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)（如圖3），有效克服了以上弊端。DIS自帶數(shù)據(jù)表格功能，且有設(shè)置變量和編輯公式功能，它能夠及時(shí)處理數(shù)據(jù)，生成結(jié)果。同時(shí)，DIS根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描點(diǎn)作圖（如圖4和圖5），對(duì)函數(shù)進(jìn)行擬合，如一次函數(shù)、正比例函數(shù)、反比例函數(shù)、二次函數(shù)等，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率。

對(duì)于一些探究性實(shí)驗(yàn)，如果數(shù)據(jù)記錄和作圖較為煩瑣，教師可以讓學(xué)生充分利用DIS中“計(jì)算表格”功能來(lái)記錄數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化描點(diǎn)作圖，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)作好的圖像利用函數(shù)擬合功能進(jìn)行自動(dòng)擬合。這樣可以節(jié)省課堂時(shí)間，讓學(xué)生有充足的時(shí)間針對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像進(jìn)行探討，從而不斷提升科學(xué)思維，發(fā)展科學(xué)推理和科學(xué)論證能力。

（三）完善驗(yàn)證性和測(cè)量性實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)精度，增強(qiáng)科學(xué)探究能力

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)主要是讓學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證由已知物理理論推導(dǎo)出新結(jié)論的正確性，從而加深對(duì)物理知識(shí)的理解，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的分析和推理能力，提高實(shí)驗(yàn)技能。測(cè)量性實(shí)驗(yàn)主要是讓學(xué)生應(yīng)用所學(xué)物理知識(shí)，運(yùn)用儀器來(lái)測(cè)定某個(gè)物理量或物理常量。它可以幫助學(xué)生理解物理量概念和物理量的意義，學(xué)會(huì)運(yùn)用物理規(guī)律，掌握基本的實(shí)驗(yàn)方法。以人教版高中物理教材中的正文部分為研究對(duì)象，筆者梳理發(fā)現(xiàn)教材中共有11組驗(yàn)證和測(cè)量性實(shí)驗(yàn)，其中可用DIS加以數(shù)字化改進(jìn)或開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)共有9組（見(jiàn)表3）。

在當(dāng)前高中物理課堂中，學(xué)生主要是使用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如刻度尺、秒表、托盤天平、鉤碼、彈簧測(cè)力計(jì)等。這存在一定的弊端：一方面，傳統(tǒng)設(shè)備精度相對(duì)較低，并且在長(zhǎng)期使用中容易損耗，往往導(dǎo)致較大的系統(tǒng)誤差；另一方面，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一般是人工測(cè)量讀取，數(shù)據(jù)圖像由手工繪制而成，這會(huì)造成一定的偶然誤差。因此，最終得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能偏差很大，這必然會(huì)阻礙學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的深入理解，影響教學(xué)效果。例如，在教學(xué)驗(yàn)證力的合成與分解遵循平行四邊形定則時(shí)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方案是使用彈簧測(cè)力計(jì)、細(xì)繩、橡皮條等器材來(lái)操作。具體方法是分別用一只彈簧測(cè)力計(jì)和兩只彈簧測(cè)力計(jì)拉動(dòng)橡皮條使其伸長(zhǎng)至同一點(diǎn)，進(jìn)而用力的圖示法作出分力和合力，并將實(shí)際值與理論值進(jìn)行比較。此實(shí)驗(yàn)方案中，由于測(cè)量、讀數(shù)、作圖均存在一定的偶然誤差，導(dǎo)致實(shí)際值與理論值有一定偏差。在DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中（如圖6），力傳感器靈敏度高，測(cè)量精準(zhǔn)，能夠有效減少因人為因素產(chǎn)生的偶然誤差，從而提高實(shí)驗(yàn)精度。

對(duì)于一些驗(yàn)證性或測(cè)量性實(shí)驗(yàn)，如果傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器測(cè)量精度不高或偶然誤差較大，師生可以充分利用DIS傳感器靈敏度高、測(cè)量精確等特點(diǎn)，依靠相關(guān)傳感器采集數(shù)據(jù)，并借助專用的實(shí)驗(yàn)軟件將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)智能轉(zhuǎn)化為圖像，避免人為因素導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)誤差，從而提高實(shí)驗(yàn)精度，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更有說(shuō)服力。

（四）開(kāi)展拓展性實(shí)驗(yàn)，實(shí)施微課題研究，增強(qiáng)創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力

拓展性實(shí)驗(yàn)是相對(duì)于教材（正文）實(shí)驗(yàn)而言的，它的選材主要來(lái)源于書本中的課后閱讀材料或生產(chǎn)生活實(shí)際，是物理課堂的延伸和發(fā)展。拓展性實(shí)驗(yàn)以微課題研究為主要形式，突破了時(shí)間和空間的限制，有利于學(xué)生利用理論知識(shí)解決生活中的實(shí)際問(wèn)題，因此能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。學(xué)生基于高中物理所學(xué)內(nèi)容，可以參與以下拓展性實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)表4）。

由于受到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器和裝置的限制，很多實(shí)驗(yàn)處于“想做而做不出、能做但做不好”的困境。在DIS引入物理課堂后，物理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容得到了極大擴(kuò)展。例如，用DIS溫度傳感器配合其他器材，可以較為精確地研究一些熱現(xiàn)象，如電流熱效應(yīng)、紅外線熱效應(yīng)、摩擦力做功等；利用DIS中的電流、電壓和微電流傳感器，可以有效克服電學(xué)量采集和記錄方面的困難，直觀呈現(xiàn)電容器充放電、自感現(xiàn)象等“暫態(tài)現(xiàn)象”。尤其是微電流傳感器，不僅能驗(yàn)證有微弱磁場(chǎng)存在，而且能支持許多拓展性實(shí)驗(yàn)，如研究熱電偶中的電流、人體導(dǎo)電時(shí)的電流、玻璃導(dǎo)電等。

拓展性實(shí)驗(yàn)作為一種學(xué)生實(shí)驗(yàn)，是課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要補(bǔ)充。在學(xué)生學(xué)習(xí)教材內(nèi)容后，教師可以鼓勵(lì)學(xué)生利用豐富的傳感器開(kāi)展微課題研究，將理論知識(shí)與生產(chǎn)生活實(shí)際結(jié)合起來(lái)，以此開(kāi)闊學(xué)生的視野。同時(shí)，教師可以設(shè)置DIS實(shí)驗(yàn)系列校本課程，研究的內(nèi)容可以適當(dāng)?shù)伢w現(xiàn)學(xué)科融合，如制作水果電池并測(cè)量其電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻、探究不同pH對(duì)水果電池電動(dòng)勢(shì)及其內(nèi)阻的影響等，以此啟發(fā)學(xué)生從生活中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。

三、反思與建議

總的來(lái)說(shuō)，相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，DIS實(shí)驗(yàn)具有諸多優(yōu)勢(shì) ：如呈現(xiàn)數(shù)據(jù)直觀、形象，可視化程度高；處理數(shù)據(jù)圖像便捷、高效；采集數(shù)據(jù)精確度高、避免人為測(cè)量產(chǎn)生的偶然誤差；采集功能強(qiáng)大，可支持眾多拓展性實(shí)驗(yàn)。教師應(yīng)用DIS可極大提高實(shí)驗(yàn)效率和教學(xué)效果，但DIS也有一定的局限性。在教學(xué)中，教師應(yīng)做到以下三點(diǎn)。

第一，尋求DIS實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)最佳結(jié)合點(diǎn)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)作為培養(yǎng)學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛯?shí)驗(yàn)素養(yǎng)的載體，也是教學(xué)中不能忽略的環(huán)節(jié)。教師應(yīng)合理利用DIS系統(tǒng)，將其作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的重要補(bǔ)充和優(yōu)化手段，尋求兩者的最佳結(jié)合點(diǎn)。

第二，深度挖掘DIS的拓展功能。教師要充分發(fā)揮DIS實(shí)驗(yàn)高效率、高精度、多途徑的優(yōu)勢(shì)，用其開(kāi)展研究性學(xué)習(xí)、跨學(xué)科學(xué)習(xí)、微課題研究等活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)和解決生活中的實(shí)際問(wèn)題。

第三，激發(fā)更多的創(chuàng)新要素。教師要利用DIS多樣化功能，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，讓學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中不斷體驗(yàn)、發(fā)現(xiàn)和感悟，引導(dǎo)學(xué)生逐漸從被動(dòng)接受轉(zhuǎn)向主動(dòng)探究、從建構(gòu)知識(shí)轉(zhuǎn)向能力提升，從而激發(fā)更多創(chuàng)新要素，使學(xué)生創(chuàng)新思維能力得到有效發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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（作者系江蘇省常州市戚墅堰高級(jí)中學(xué)高級(jí)教師）

責(zé)任編輯：祝元志