摘 要：物理是一門理論與實驗兼?zhèn)涞膶W科，優(yōu)化物理實驗教學非常重要。隨著大數據、物聯網和人工智能技術的應用，物理實驗教學迎來了發(fā)展的契機。為了跟上時代的發(fā)展步伐，作者所在教研組認真分析傳統(tǒng)實驗教學的不足，努力挖掘數字化教學技術的優(yōu)勢，研創(chuàng)了一套全新的物理實驗教學方案，并取得了初步的成果。本文首先簡述了數字化實驗，又明確了數字化技術賦能物理實驗教學的必要性，并從巧用信息技術，激活學生的學習興趣；實驗模擬提升物理實驗的教學效率；遠程監(jiān)督解決實驗教學中的問題，從上述三個方面討論了數字化賦能物理實驗教學的基本策略，最后以魯科版《自由落體運動》為例進行分析。

關鍵詞：數字賦能；高中物理；創(chuàng)新實驗

實驗是物理教學的重要板塊，它不僅可以深化學生對知識的理解，還能提升學生的動手操作能力與創(chuàng)新能力。此外，以數字化技術為工具開展物理實驗教學，還調動起了學生的自我學習能動性，其直觀、全面展示物理實驗過程，驅動著學生的主動探索，有助于學生自我探究力的提升。

一、數字化實驗概述

數字化實驗是一種將先進技術與傳統(tǒng)物理實驗相結合的教學模式，它以書本實驗為根本，借助傳感器、大數據技術展現整個實驗過程，記錄實驗中的數據。一般情況下，數字化實驗分為兩種：第一種是利用計算機采集物理實驗所產生的數據的實驗，可以簡稱為“MBL”，第二種是利用計算機開展仿真實驗，簡稱為“SBL”。本課題討論的數字化物理實驗，與“MBL”實驗一致。我們可以將其定義為“利用數字化技術采集、分析物理實驗數據而形成的一種新的實驗模式。”在整個高中物理階段，實驗占比很大，同時對實驗條件的要求很高，但現有的實驗環(huán)境難以滿足這一要求。隨著數字化技術的發(fā)展，傳感器這一現代化工具的應用，傳統(tǒng)的物理實驗問題得到了很好的解決，將其引入到物理實驗教學之中還取得了可喜的成果[1]。

二、數字化技術賦能高中物理實驗教學的必要性

（一）數字化教學是當今教育的研究熱點

隨著教學改革的深入，傳統(tǒng)的“講述式”教學模式已經無法滿足當今教學的要求。在這樣的現實背景下，數字化賦能教學成了廣大教育工作者探究的重點。另外，在2019年的中小學教師信息技術應用力提升的文件中就提出了提升教師跨學科教學能力的要求并給予了明確的發(fā)展方向。其原因在于先進技術的發(fā)展以及在教育領域的應用，對教師的自我發(fā)展、教學能力提出了新的要求。未來的教師，必定是具備學科知識、先進技術教學能力的，所以教師必須樹立起信息化意識，通過自我學習、參加培訓等方式提升自身的信息技術能力。這同樣是智慧課堂構建的一部分。智慧課堂不是局限于某個學科的創(chuàng)新，而是跨學科的、多元主體參與的教學新樣態(tài)。為了更好達成上述的要求，應加強對數字化教學技術的研究[2]。

（二）數字化實驗教學是國家教育政策的導向

關于數字化實驗教學的開展，教育部發(fā)布的各項文件中早有預示。例如，2022年的《教師數字素養(yǎng)》明確了教師要具備創(chuàng)新意識，要充分利用先進技術組織課堂活動，主要包含利用數字化資源開展教學、進行教學管理、對學生開展個性指導等。還有2022年的《數字賦能、示范引領打造高質量教育體系“先行區(qū)”》這一文件明確了建設數字化教學體系的目標，自此全國范圍內掀起了一場關于數字化教學改革的浪潮。從上可以看出，數字化技術備受教育工作者的關注，也與教學改革與發(fā)展有著密切的聯系[3]。

（三）數字化實驗教學是新課標、學業(yè)考評的要求

2017年、2022年的物理課程標準都明確了利用數字化技術開展物理實驗教學的要求。2017年的課程標準指出要關注數字實驗，要利用現代化技術改造和創(chuàng)新物理實驗。2022年的課程標準提出學校要努力購進數字化教學設備，教師要加強對可視化實驗的探討。隨著教學改革的深入與發(fā)展，數字技術已經被納入到了教材、學業(yè)測評當中，不僅很多版本的物理教材引入了關于數字技術的實驗案例，其各大物理測試中也在加大數字化實驗的比重，自此越來越多的物理教師開始探索數字技術與物理實驗的結合點，而且大量的教學實踐表明“數字化技術的應用改變了傳統(tǒng)實驗教學的不足，它將整個實驗過程清晰、全面展現了出來，便于學生的探索與研究，讓學生從中把握物理規(guī)律?！?/p>

（四）數字化實驗教學有助于學生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展

數字化實驗的可視化功能，能夠幫助學生更好地理解物理概念，有助于學生自我探究力的提升。所以，教師要變演示型實驗為探究類實驗，指導學生利用數字化技術開展物理實驗，并讓學生直觀觀看與分析中，獲取有價值的信息，為學生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展奠定基礎。利用數字化技術開展物理實驗還突破了傳統(tǒng)課堂教學的弊端，讓實驗教學不再停留在表層，而是以實驗為依據，以培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)為目的一種創(chuàng)新，這有助于學生的全面發(fā)展[4]。

三、數字化賦能物理實驗教學的基本策略

（一）巧用信息技術，激活學生的學習興趣

數字化物理實驗的開展，突破了傳統(tǒng)實驗教學的不足，為學生帶來了豐富的學習體驗，有助于學生學習興趣的激發(fā)。例如，數字化實驗的可視化功能可以將物理實驗的整個過程顯現出來，不僅為物理實驗教學增添了更多趣味元素，而且在學生自我探索的過程中提升了自身的實踐能力。而且數字化實驗不受時空的約束，學生可以根據自身情況隨時學習，讓學生沉浸其中開展探究。

例如，在“串聯電路和并聯電路”一課的學習中，教師可以利用數字實驗軟件為學生展示電池組、燈泡、開關與導線的不同連接方法，讓學生通過直觀的觀看與分析，總結串聯與并聯電路的特點，從而深化學生對物理實驗原理的理解。在學生把握串并聯電路的特點之后，教師則引導學生自主操作，通過學生的上機操作，激發(fā)學生的學習興趣。對于學生在實驗中存在的問題，教師可以組織交流討論會，試圖在大家的分析與幫助下，深化學生對知識的理解。而且在這樣的教學中，學生對串并聯電路有了深刻的認識，同時激活了學生的合作精神。

（二）實驗模擬，提升物理實驗的教學效率

為了提升學生的實驗效率，在開展物理實驗之前，教師可以指導學生利用數字化軟件預演實驗，通過模擬實驗操作的過程，幫助學生全面把握實驗步驟，降低學生實驗操作中的出錯幾率。而且，以學生為主體的物理實驗模擬，還能讓學生在自我操作與觀察中發(fā)現存在的問題，進而保證學生實驗學習的順利開展。

例如對于測定電源電動勢與內阻這一實驗的學習，學生要在教師的引導下，利用數字化軟件搭建電路。通過數字化實驗的預演，學生可以在虛擬環(huán)境中觀察到電源、電阻、電路表和電壓表等數值的變化，從而預測本次實驗的結果。通過模擬物理實驗，學生真正把握了電源電動勢與內阻的關系，掌握了各類實驗儀器的功能和使用方法，大大提升了學生實驗學習的效率。另外，教師還可以鼓勵學生在虛擬實驗中進行探索，比如提出假設并利用實驗加以驗證，并以此為基礎優(yōu)化自己的實驗方案，為后續(xù)實驗學習的有序開展奠定堅實的基礎。

（三）遠程監(jiān)督，解決實驗教學中的問題

學生認知、實驗素養(yǎng)不足的問題，會導致學生在自我實驗中遇到諸多問題，比如對實驗流程把握不準，忽視對各個環(huán)節(jié)實驗數據的收集與整理，這樣的現實情況無法讓學生探尋其知識的奧秘，最終導致整個物理實驗停留在表層。另外，很多的實驗都只能單次操作，利用傳統(tǒng)的手段難以將整個實驗過程再現出來，從而加劇教師的指導難度。數字化技術的應用則可以很好彌補這一問題。數字化技術指導下的物理實驗，可以利用遠程監(jiān)督功能解決實驗教學中的問題。通過遠程監(jiān)督，教師可以直接連接學生的學習軟件，實時查看學生的整個實驗操作過程，從而了解學生在實驗搭建中遇到的問題。比如，在“測定電源電動勢與內阻”這一物理實驗中，有的學生出現了電路連接錯誤、數據異常的現象，教師可以借助遠程指導排查學生的錯誤，提出解決的建議，這不僅解決了學生實驗中的難題，更深化了學生對電路原理的理解，同時師生間的互動與交流，構建了一個良好的實驗學習環(huán)境，驅動著學生的主動探究[5]。

四、數字賦能高中物理實驗教學的案例研究

（一）問題提出

自由落體運動是魯科版教材內的主要內容。文章通過對新課標、物理教材的分析，明確了本課的研究重點“自由落體運動滿足什么規(guī)律?！标P于這一難點的解決，教材也給出了探索的方案：通過利用打點計時器記錄物體在下落過程中的點的軌跡來探究自由落體運動的規(guī)律，這種實驗方案的問題很多：忽略空氣阻力，物體在運動中會因與紙帶和打點計時器的限位孔的摩擦，影響數據的準確性。學生對紙帶上的數據進行整合、分析與處理是一項巨大的工程，會消磨學生的耐性。

（二）實驗改進的創(chuàng)新點

利用Tracker軟件處理“自由落體運動”物理實驗有三個優(yōu)點。

1.利用Tracker軟件出示教師拍攝的關于物體自由落體運動的視頻，然后借助問題引發(fā)學生的深入思考。

2.借用計算機的數據整合與處理能力，解決傳統(tǒng)實驗中因摩擦產生的誤差問題。

3.利用多媒體手段為本次實驗注入趣味元素，讓學生通過討論與交流解決自我思考中的困惑點，讓學生體會到科學探究的魅力。

（三）實驗操作流程

1.視頻導入

教師將自制的物體自由落體視頻導入進Tracker這一軟件，然后選出整段視頻的有效實驗片段，并利用其標記功能確立本次實驗的開始、結束節(jié)點。

2.建立坐標系

點擊坐標軸按鈕，將小球掉落的起點記為原點，再借助定標桿功能將小球掉落的起點畫面拖拽到整個視頻之中并調整，然后將實驗數據輸入到提前測量好的白色長條的長度之內。

3.追蹤鋼球的運動軌跡

找到軌跡選框并創(chuàng)建質點，然后利用手動追蹤功能對視頻中的小球位置進行逐幀的標記，避免引起誤差。在做好上述的工作之后，小球的運動軌跡就會以圖形的方式顯示在窗口的右側。

4.數據處理

進入到界面的窗格之中點擊“選擇”選項再次來到數據處理界面，然后選擇拋物線就會形成一個擬合方程，學生可以從中汲取參數，并利用公式測量物體的重力加速度。

（四）教學片段設計展示

1.如何探索自由落體運動的規(guī)律

經過課堂學習，想必同學們都已經知道在忽略空氣阻力的情況下，只受到重力影響的小球是以自由落體的方式下落，那么它下落的過程會遵循一種什么規(guī)律呢？我們應該采取什么方法探究？為了將學生的思緒引入到實驗探究中來，教師可用問題喚醒學生的記憶“在之前的學習中，小車速度隨時間變化的實驗是怎樣的？”然后教師為學生展示Tracker軟件中的物體自由落體的視頻，最后將在豎直方向運動的小球位移和時間的關系圖展示出來。

2.探究重物自由落體運動的規(guī)律

教師：有了圖像做依據，我們應如何判斷物體在自由落體運動中是沿著勻變速直線進行運動的呢？接下來，請同學們以小組為單位認真觀察圖像、提取關鍵數據進行探究。

教師為同學們提供自我探索的空間與時間，在大家完成之后，教師鼓勵各個小組將本小組探究的成果展現出來。如下，是班上兩個探究小組展示的不同探究方法。

小組一：我們小組的探究思路是，汲取間隔較大而且清晰的幾個點，通過對數據的分析，驗證小球位移與時間圖是否為二次函數圖像，如若成立則可以證明物體在自由下落的過程中是以勻變速的方式進行運動。我們利用軟件的追蹤功能，驗證小球自由落體運動中豎直位移與時間關系是否擬合，結果發(fā)現它與二次函數剛好吻合，所以我們借助二次函數關對小球自由落體運動進行分析，可以得到，得。

小組二：我們小組的探究思路是：觀察時間與速度變化的圖示，看物體下落的速度與時間是否是勻速變化的關系，如若能夠證明V-t的圖示滿足正比例函數的關系，那么我們就可以做出判斷“物體在自由落體中是一種勻加速直線運動?！苯Y果我們利用軟件對物體在自由下落中的速度與時間進行擬合，結果發(fā)現其與正比例函數吻合，所以我們做出判定“物體在下落的過程中是勻加速直線運動”，根據其關系式，可以得到。

在同學們利用數字化工具進行自我探究之后，教師要根據同學們的表現給予表揚與肯定，并結合同學們探究的結果用專業(yè)術語進行總結“自由落體是一場初速度為0的勻加速直線運動。”

（五）自由落體運動實驗的優(yōu)化

利用Tracker軟件對物體自由落體運動開展分析，提升了學生收集、整理數據的效率與準確率，將物理實驗過程清晰展現出來。上面物體自由落體運動的案例表明：利用數字化軟件開展物理實驗，調動起了學生的探究熱情，將物理實驗清晰地展現出來便于學生對物理現象的分析，能夠讓學生在思考、自我操作、與他人交流的過程中探尋到物理規(guī)律，為學生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展奠定堅實的基礎。另外，數字化技術與物理實驗教學的融合，為設備不足的學校開展實驗活動提供了有力的支撐，進一步緩解了我國教學資源不均衡的問題，有助于我國整體教育質量的提升。

結束語

利用數字化技術賦能物理實驗教學，為學生構建了清晰的學習情境，有助于學生的自我探究，從而促使學生把握物理原理和規(guī)律，為學生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展奠定堅實的基礎。

參考文獻

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[5]孫明明.高效信息化課堂在高中物理實驗教學中的應用探析[J].廣西物理，2023，44（2）：60-62.

本文系福建省教育科學規(guī)劃2024年度常規(guī)課題“基于數字化技術的中學物理實驗創(chuàng)新教學實踐研究”（立項批準號：FJJKZX24-370）研究成果。