任冠航
(蘇州市高新區(qū)實驗初級中學,江蘇 蘇州 215161)
混合模式下的物理線上實驗教學主要指利用多媒體、虛擬現(xiàn)實等信息技術(shù)手段,為學生創(chuàng)造傳統(tǒng)實驗的虛擬環(huán)境,讓學生可以在多媒體設(shè)備上獲取直觀的實驗體驗。采用線上實驗教學模式是針對傳統(tǒng)實驗條件缺失的有效轉(zhuǎn)變,可以避免傳統(tǒng)實驗存在的安全及污染等問題,同時強化人機之間的交互操作,呈現(xiàn)清晰、直觀的實驗結(jié)果。
線上實驗教學不同于傳統(tǒng)實驗教學,更加注重學生在學習中的主體地位,需要有意識地尋找線上操作與傳統(tǒng)實驗的對照步驟,明確每個虛擬操作所對應的物理知識。虛擬實驗過程應強化教師的引導,注重課堂交互性,引領(lǐng)學生結(jié)合虛擬實驗進行深度探究。虛擬實驗設(shè)計應滿足適應性原則,貼近學生的認知特點及課堂教學需求,拓展學生認知空間。
主體性是課堂教學的首要原則,要求學生作為教學的主體對象,在課堂學習中實現(xiàn)自我知識建構(gòu)。因此,教師應尊重學生的主體地位,在利用虛擬實驗資源設(shè)計混合式課堂時充分考慮學生的主體地位,高效利用虛擬實驗環(huán)節(jié),增強學生參與實驗的主動性,提高他們對物理學習的積極性。
通過生活問題的導入,創(chuàng)設(shè)問題情境可以有效提升學生參與課堂學習的積極性。比如,在學習“浮力”這一小節(jié)時,教師可以提出問題:“怎樣才能讓沉于水下的雞蛋漂浮起來?”通過該問題創(chuàng)設(shè)問題情境,學生的探究熱情得到充分激發(fā),從而會積極參與到虛擬實驗中。在學習浮力的相關(guān)知識點后,學生認識到物體的浮沉與其所受合力密切相關(guān),當浮力大于重力時才能達到漂浮狀態(tài),因此想讓沉于水底的雞蛋漂浮則應想辦法增加其所受浮力。進而聯(lián)想到浮力的大小不僅與排開液體的體積有關(guān),還受到液體密度的影響,提高液體的密度就可以加大雞蛋的浮力。所以學生在虛擬實驗平臺中將食鹽加入燒杯中,可以觀察到液體密度讀數(shù)不斷上升,雞蛋也逐漸上升。根據(jù)主體性原則設(shè)計線上實驗課堂,可以有效地激發(fā)學生的學習動力,使其在自主探究中感受物理規(guī)律。因此,教師應關(guān)注學生的課堂積極性,貫徹主體性教學原則,設(shè)計線上虛擬實驗教學課堂,促進學生在虛擬操作中強化物理知識體驗。
在線上虛擬實驗課堂中,學生容易沉浸在虛擬實驗操作過程中,缺少課堂上的互動會導致學習浮于表面。因此,教師應有意識地強化虛擬實驗設(shè)計中的交互環(huán)節(jié),在虛擬操作中加強人機交互,為學生提供正確的指引,促進學生深入思考。
在虛擬實驗中插入問題引導是常見的交互性設(shè)計方法。比如,在學習“探索更小的微?!边@一小節(jié)時,需要學生能夠深度理解物質(zhì)的組成微粒,并掌握其結(jié)構(gòu)形式,開展線上微粒探索實驗。虛擬實驗平臺為學生提供的宏觀物質(zhì)包括鉛筆芯、金剛石、液體水等,實驗操作包括選中物質(zhì)并放大觀察兩個環(huán)節(jié)。在虛擬實驗平臺中設(shè)置相應的交互問題,如在學生點擊水并進行放大后,首先會觀察到水分子的組成,包括一個氧原子及兩個氫原子,進一步放大后彈出提示問題:“在該結(jié)構(gòu)中顯示的幾種分子分別屬于哪種微觀粒子?”在觀察鉛筆芯的微觀結(jié)構(gòu)時彈出提示問題:“鉛筆芯的主要組成成分是哪種物質(zhì)?其微觀結(jié)構(gòu)與水分子有何不同?”
在上述實驗過程中,教師通過問題的形式與學生展開有效互動,強化了課堂中的交互環(huán)節(jié),為學生的實驗提供了探究方向。在問題指引下,學生深入分析虛擬實驗平臺呈現(xiàn)的交互現(xiàn)象,理解其蘊含的物理變化原理。
適用性是混合模式下開展線上虛擬實驗教學的特殊性質(zhì)。由于線上實驗教學的局限性,教師應注重線上實驗教學的內(nèi)容選取,將其作為傳統(tǒng)實驗教學的補充,拓展傳統(tǒng)實驗難以開展的教學資源,從而實現(xiàn)學生認知空間的拓展。
比如,在學習“聲音是什么”這一小節(jié)時,需要學生理解聲音產(chǎn)生的原因及聲音傳播的條件,已知真空不能傳聲,但是課堂中很難通過實驗驗證這一特性。因此,通過虛擬實驗的方式引導學生探究聲音傳播的條件。在虛擬實驗平臺為學生提供真空罩、鬧鐘及抽氣機設(shè)備。首先設(shè)置鬧鐘,然后用真空罩將鬧鐘罩住,利用抽氣機將真空罩內(nèi)部的空氣抽出,在虛擬實驗平臺中觀察讀數(shù)直到真空罩內(nèi)的空氣完全排出,之后等待鬧鐘時間到后觀察是否有聲音傳出。在完全排出氣體及不排出氣體兩種條件下的實驗對比中,學生發(fā)現(xiàn)真空罩內(nèi)完全沒有空氣后聲音不能傳播。
混合模式下的線上實驗教學根據(jù)不同實驗的開展方式可以分為虛實結(jié)合、虛擬演示及模擬操作等三種主要類型,它們與課堂操作及物理實驗現(xiàn)象演示相輔相成,充分發(fā)揮線上平臺的優(yōu)勢,開闊學生的物理視野并強化實驗感受。
臨床在不斷的研究實踐中指出,對于早期急性心肌梗死患者的治療,關(guān)鍵在于在較短的時間內(nèi),快速恢復患者受阻血管的血液供應,積極改善患者的心室功能和心肌功能[6]。目前臨床上常用的再灌注治療手段主要有經(jīng)皮冠狀動脈腔內(nèi)成形術(shù)和靜脈溶栓兩種,這兩種再灌注治療方式在早期急性心肌梗死患者的治療中均表現(xiàn)出了較大的臨床優(yōu)勢,但是由于經(jīng)皮冠狀動脈腔內(nèi)成形術(shù)在治療過程中不僅對醫(yī)療條件有較高的要求,同時還需考慮到患者的身體是否能夠耐受,因此該治療方式并不適用于大范圍進行推廣應用[7-8]。
虛實結(jié)合類實驗是指將線上、線上平臺與實際實驗過程相結(jié)合,教師首先在線上平臺發(fā)布實驗任務,引領(lǐng)學生討論并設(shè)計實驗驗證過程,之后在實驗室中基于自主設(shè)計的實驗流程開展自主實驗,在實驗中獲取最直觀的實驗體驗。
虛實結(jié)合類實驗通常用于可以在線下真實開展的實驗,兩者相輔相成,強化實驗學習效果。比如,在學習“密度”這一小節(jié)時,首先教師在線上學習平臺提出問題:“同種物體的質(zhì)量和體積有什么關(guān)系?不同物體的質(zhì)量又有怎樣的關(guān)系?如何設(shè)計實驗驗證?”在問題指引下,學生設(shè)計實驗,利用量筒測量物體的體積,利用天平測量物體的質(zhì)量,得出數(shù)據(jù)后對其關(guān)系進行分析。結(jié)合上述實驗設(shè)計,教師引領(lǐng)學生在實驗室中開展真實實驗,學生根據(jù)自主設(shè)計的實驗過程,通過量筒和天平分別測量不同大小的相同物體的體積和質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)兩者呈現(xiàn)正比例關(guān)系,之后對比不同物體發(fā)現(xiàn)其表現(xiàn)為比例系數(shù)不同,從而引出密度的概念。虛實結(jié)合的實驗教學模式可以充分發(fā)揮線上平臺的作用,讓學生對實驗有初步的了解,進而在真實實驗中對自己的想法進行驗證。
虛擬演示實驗主要針對在真實場景下難以完成或者實驗現(xiàn)象不明顯的實驗,通過線上演示,讓學生對實驗現(xiàn)象有直觀的印象,進而在教師引導下對實驗現(xiàn)象展開分析,獲得相應的物理結(jié)論,開闊學生的物理視野。
比如,在學習“磁體與磁場”這一小節(jié)時,磁場是一種肉眼不可見的物理概念,為了強化學生對這一概念的理解,利用虛擬演示方法在線上平臺給出不同磁鐵的磁場分布特性?;诰€上實驗平臺進行虛擬實驗演示,可以將抽象的物理概念具象化,讓學生獲取對相關(guān)概念的直觀體驗,從而達到開闊視野、提升物理綜合素養(yǎng)的教學目的。
模擬操作實驗是基于現(xiàn)代信息化設(shè)備才能開展的一種模擬實驗操作過程,它能兼具虛擬實驗及真實實驗的特點,讓學生在線上平臺通過鼠標點擊拖動等操作模擬真實的實驗過程,從而獲得更具可見性的實驗體驗,深化對物理實驗原理的認知。
在模擬操作實驗中,教師應準確地講解在線上平臺每一種操作對應的物理含義。比如,在學習“聲音的特性”這一小節(jié)時,需要學生通過實驗觀察總結(jié)得出聲音的特性。學生在線上平臺模擬操作過程中不僅直接聽到了不同種類的聲音,還了解了麥克風及示波器的功能,通過頻率值大小與感受到的聲音,對其特性有了深刻的體驗。
混合模式下開展線上實驗教學應充分發(fā)揮兩種模式的教學特點,聚焦核心素養(yǎng)的培養(yǎng)需求,靈活轉(zhuǎn)變教學策略,提升線上實驗教學的效率。
學科觀念是指學生能夠?qū)ξ锢憩F(xiàn)象及概念建立正確的認知觀念,形成具象化的物理模型,能夠準確地辨別問題及生活現(xiàn)象中的物理元素。在初中階段,學科觀念的形成應以感性經(jīng)驗為主,學生通過視聽感官,獲取親身體驗,促進抽象觀念的形成。
比如,在學習“探究凸透鏡成像的規(guī)律”這一小節(jié)時,教師基于虛實結(jié)合的方法開展實驗教學,調(diào)動學生的視聽感官,獲取凸透鏡成像的直觀印象。教師在線上平臺上布置問題:“凸透鏡又叫作放大鏡,它除了放大之外,可以將物體的像縮小嗎?”教師設(shè)計實驗探究凸透鏡在不同條件下的成像效果,使學生聯(lián)想到凸透鏡對光線的匯聚效果。在實際實驗操作中,學生作為實驗的設(shè)計者及參與者,視聽感官被充分調(diào)動,獲取真實的實驗體驗,從而基于實驗現(xiàn)象分析得出對應的物理學規(guī)律,掌握物理概念,形成學科觀念。
對比推理不僅是重要的學科素養(yǎng),還是一種科學的實驗方法??刂谱兞糠ň褪亲罨镜囊环N實驗方法,用于對比分析在不同條件下的實驗結(jié)果。因此,教師在開展混合模式線上實驗教學時應注重實驗數(shù)據(jù)的收集整理,引領(lǐng)學生對比分析,發(fā)展其科學思維。
線下實驗由于設(shè)備的局限性,在對比實驗時難免會面臨阻礙,而線上虛擬實驗可以靈活地設(shè)定器材參數(shù),獲取更多的對比數(shù)據(jù)。比如,在學習“歐姆定律”這一小節(jié)時,設(shè)計實驗令學生記錄實驗數(shù)據(jù),經(jīng)歷歐姆定律的得出過程。在線上實驗平臺為學生提供滑動變阻器、干電池若干、電壓表及電流表四種器材,之后按照控制變量法設(shè)計實驗,在保持變阻器不動的條件下增多電池節(jié)數(shù),對比電源變大后讀數(shù)變化,接下來則保持電源不變,調(diào)整滑動變阻器,觀察在不同電阻下的讀數(shù)。通過對比分析不同對照組實驗驗證得出R=U/I的結(jié)論。在上述實驗過程中,學生根據(jù)控制變量法,單獨修改某一種實驗參數(shù),將其作為對照組實驗與基礎(chǔ)實驗結(jié)果進行對比。在這一過程中,學生不僅掌握了控制變量法的實驗原理,還了解了對比分析的科學推理能力,對發(fā)展學生的科學思維有著積極的意義。
隨著科學技術(shù)的發(fā)展,物理學科對自然環(huán)境及社會生活的影響也越發(fā)重要。滲透責任意識,讓學生形成正確的物理價值觀念,成為核心素養(yǎng)培育的重要需求。在實驗教學中,教師應結(jié)合線上平臺,融合社會環(huán)境,讓學生充分認識到物理學科的社會價值。
利用線上信息設(shè)備展示物理實際應用場景,可以有效地培育學生的應用能力。比如,在學習“滑輪”這一小節(jié)時,首先通過視頻展示定滑輪的應用,如升旗手向下拉繩子,國旗向上移動;動滑輪的應用,如貨物起重機應用。在學生觀看視頻后,教師提出問題:在兩種場景下,滑輪分別起到了什么作用?之后引導學生設(shè)計實驗,對問題進行驗證。通過實驗探究,學生發(fā)現(xiàn)兩種滑輪具有不同的功能:第一種可以改變力的方向,第二種則可以省一半的力但是不能改變其原始方向。通過線上實驗平臺對實驗設(shè)備進行受力分析得出上述結(jié)論。再進一步對實驗設(shè)計進行改進,將兩種滑輪組合使用則可以同時達到省力和改變方向的目的。由此可見,在線上實驗教學中結(jié)合信息技術(shù)融入社會真實環(huán)境,可以讓學生充分地認識到物理學科在實際生活中的應用,體會到物理學科的巨大應用價值,促進學生物理意識的生成。
綜上所述,在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天,教師應充分利用信息技術(shù)賦予物理課堂新思路、新方法,結(jié)合信息化手段開展混合模式線上實驗教學,提高物理課堂教學的實驗效率,強化學生在實驗過程中的操作體驗,促進學生物理綜合能力的發(fā)展與提升。