摘" 要：為了在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中貫徹落實(shí)《中國教育現(xiàn)代化2035》，分別從理念升華、裝備升級(jí)和實(shí)踐創(chuàng)新三個(gè)方面，探討當(dāng)下高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的臺(tái)階式發(fā)展路徑，利用數(shù)字化手段改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)缺陷，構(gòu)建指向現(xiàn)代化、集成化的STEM實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式。同時(shí)，以三個(gè)高中物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例，組織學(xué)生利用現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，試圖解決現(xiàn)代高中物理實(shí)驗(yàn)中存在的教學(xué)粗放落后、發(fā)展不均衡等問題。

關(guān)鍵詞：教育現(xiàn)代化；STEM教育；高中物理實(shí)驗(yàn)；現(xiàn)代化教育；Phyphox

文章編號(hào)：1671-489X（2025）07-0-05

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.07.

0" 引言

2023年12月，聯(lián)合國教科文組織在上海設(shè)立了STEM教育中心，這是中國首個(gè)聯(lián)合國科教文組織一類中心。這一舉措不僅展示了國際社會(huì)對(duì)中國STEM教育發(fā)展的認(rèn)可，也為國內(nèi)各級(jí)教育機(jī)構(gòu)的發(fā)展提供了新的契機(jī)。為積極響應(yīng)中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《中國教育現(xiàn)代化2035》中“加快信息時(shí)代教育變革”的要求，2024年7月，中國教育發(fā)展戰(zhàn)略學(xué)會(huì)科學(xué)與工程教育專業(yè)委員會(huì)發(fā)布《STEM教育2035行動(dòng)計(jì)劃》。

但是，高中物理STEM教育以實(shí)踐類實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目為主，在信息時(shí)代教育變革背景下，當(dāng)下實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)存在三個(gè)方面的問題：城鄉(xiāng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)差距大，鄉(xiāng)鎮(zhèn)高中缺少數(shù)字化傳感器、精確的現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)裝備等硬件設(shè)施，且鄉(xiāng)鎮(zhèn)教師實(shí)驗(yàn)技能不高、培訓(xùn)困難；物理實(shí)驗(yàn)課程應(yīng)試化，由于裝備和時(shí)間有限，教師常常略過許多重要的演示實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)質(zhì)量不高，由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量器材精度非常有限，教師常常以粗放型興趣活動(dòng)代替嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探究與交流、科學(xué)思維與創(chuàng)新。

針對(duì)目前存在的問題，本文從理念升華、裝備升級(jí)和實(shí)踐創(chuàng)新三個(gè)方面，探討當(dāng)下高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的臺(tái)階式發(fā)展路徑。

1" 理念升華：從傳統(tǒng)教育到現(xiàn)代化STEM教育

傳統(tǒng)教育的特征以間接學(xué)習(xí)為主，即教師傳授知識(shí)，學(xué)生并沒有相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。這種教育雖然能夠快速大規(guī)模普及基礎(chǔ)教育，但其質(zhì)量不高，且在面對(duì)危機(jī)和挑戰(zhàn)時(shí)缺乏應(yīng)對(duì)能力，例如：在條件落后地區(qū)，傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)只能采用視頻展示的方式，缺少師生交互和實(shí)踐操作，導(dǎo)致教育質(zhì)量較低，難以滿足當(dāng)前教育發(fā)展的需求。要在現(xiàn)代視域下實(shí)現(xiàn)粗放型教育向高質(zhì)量教育的轉(zhuǎn)變，應(yīng)當(dāng)從根本上改變傳統(tǒng)的課堂教學(xué)理念[1]。

現(xiàn)代化教育要求調(diào)整高中階段教育的實(shí)施方式，在課程類型、教育服務(wù)等方面增強(qiáng)多樣性[2]，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的個(gè)性化指導(dǎo)，從根本上提升高中教育質(zhì)量。近年來如火如荼的STEM教育，便是行之有效的課程方式之一，能夠在課程內(nèi)容、教學(xué)方式、人才培育等方面滿足高中教育現(xiàn)代化的多樣需求。STEM教育理念的主要特征為：倡導(dǎo)學(xué)科融合、以解決現(xiàn)實(shí)生活中的問題為目標(biāo)、運(yùn)用工程技術(shù)、結(jié)果明確和方案多樣等[3]。結(jié)合《中國教育現(xiàn)代化2035》注重全面發(fā)展、注重面向人人、注重因材施教、注重融合發(fā)展、注重共建共享等理念[4]，STEM教育理念在高中教學(xué)中應(yīng)體現(xiàn)為以下幾點(diǎn)。

1）杜絕生拼硬湊型地學(xué)科融合，應(yīng)以某一學(xué)科為支托，但不以該學(xué)科為界限，例如：以物理學(xué)科教學(xué)目標(biāo)為出發(fā)點(diǎn)，使用信息技術(shù)工具獲得最優(yōu)化的解決方案；2）以高質(zhì)量的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)為驅(qū)動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生通過學(xué)習(xí)和實(shí)踐后解決問題，例如：基于高中物理教材內(nèi)容，提出相關(guān)問題，以適應(yīng)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展需求；3）基于學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，引入現(xiàn)代工程技術(shù)，鼓勵(lì)創(chuàng)新，培養(yǎng)具有現(xiàn)代化技能的創(chuàng)新型人才，例如：使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝備、智能手機(jī)等創(chuàng)新手段，讓學(xué)生嘗試解決與高中物理課本知識(shí)同步的相關(guān)問題；4）開展師生互動(dòng)、學(xué)生交流活動(dòng)，例如：使用智能手機(jī)、學(xué)習(xí)平板等設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)互動(dòng)交流、優(yōu)化學(xué)習(xí)方案。

2" 裝備升級(jí)：從傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室到現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)室

2.1" 從傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室到數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室

高中物理實(shí)驗(yàn)是符合STEM教育理念的完美項(xiàng)目，在具體教學(xué)中，裝備升級(jí)是現(xiàn)代化人才技能培養(yǎng)的基本需求。當(dāng)下物理實(shí)驗(yàn)裝備的發(fā)展呈現(xiàn)數(shù)字化趨勢(shì)，各縣市區(qū)高中現(xiàn)均已建有數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)正向數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)轉(zhuǎn)變。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的核心是利用各類靈敏的傳感器測(cè)量、記錄數(shù)據(jù)，再利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理。相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝備，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝備的優(yōu)點(diǎn)是靈敏、精度高、可視化，更能滿足信息技術(shù)時(shí)代下對(duì)技能型人才和現(xiàn)代化創(chuàng)新人才的培養(yǎng)需要。

2.2" 從數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室到集成化實(shí)驗(yàn)室

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室裝備價(jià)格非常昂貴，以較為流行的朗威DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室裝備為例，僅一套測(cè)量力的實(shí)驗(yàn)裝備價(jià)格就在萬元以上，令普通鄉(xiāng)鎮(zhèn)高中望而生畏。同時(shí)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室必須基于傳感器、采集器、計(jì)算機(jī)三類硬件，并在電腦中安裝驅(qū)動(dòng)，需要較多的額外準(zhǔn)備時(shí)間。此外，實(shí)驗(yàn)時(shí)教師只能將學(xué)生帶入配有較多電腦的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室，或教師攜帶一份設(shè)備在教室做展示實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)開展非常不便。

縱觀現(xiàn)代化科技發(fā)展歷程，站在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝備發(fā)展的角度，不難看到數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的“后浪”——融合多種傳感器的現(xiàn)代智能手機(jī)。我們應(yīng)該取其精華：靈敏的數(shù)字化傳感器和可視化界面；去其糟粕：改良外形，使其集成化、微型化、可移動(dòng)化。2018年起出產(chǎn)的大部分國產(chǎn)手機(jī)，均已配有加速度傳感器、力傳感器、光傳感器、紅外線傳感器等28種獨(dú)立的現(xiàn)代數(shù)字化傳感器[5]，對(duì)于更高要求的實(shí)驗(yàn)，還可以外接其他傳感器設(shè)備。同時(shí)，結(jié)合Phyphox等可視化軟件，即可構(gòu)建“指尖上的集成實(shí)驗(yàn)室”，完美替代笨重的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室裝備。通過同屏軟件，還可以與線上課程、遠(yuǎn)程教育完美兼容，推進(jìn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展。各個(gè)階段物理實(shí)驗(yàn)室裝備對(duì)比情況如表1所示。

3" 實(shí)踐創(chuàng)新：STEM教育現(xiàn)代化視域下高中

物理實(shí)驗(yàn)案例

以STEM教育理念為指導(dǎo)，以現(xiàn)代化集成實(shí)驗(yàn)室裝備為工具，引導(dǎo)學(xué)生思考傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的局限性和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝備的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，讓學(xué)生使用手機(jī)等現(xiàn)代化設(shè)備自主設(shè)計(jì)改進(jìn)方案，獲得更加科學(xué)可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在事實(shí)基礎(chǔ)上作出嚴(yán)謹(jǐn)分析。

案例1：測(cè)量重力加速度

【傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)缺陷】傳統(tǒng)自由落體法中，紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器存在無法避免的摩擦；測(cè)量紙帶的過程存在偶然誤差；若使用單擺法，其屬于小角度近似結(jié)果，不夠精確；若考慮角度修正，使用量角器測(cè)量擺角時(shí)又會(huì)出現(xiàn)較大誤差。

【數(shù)字實(shí)驗(yàn)裝備】使用光電門替代打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，雖然解決了紙帶摩擦問題并提高了精度，但每次實(shí)驗(yàn)只能獲得一個(gè)平均數(shù)據(jù)，較為單一煩瑣。同時(shí)，對(duì)線上教育和遠(yuǎn)程教育而言，學(xué)生端既無光電門這一裝備，也難以觀測(cè)教師端的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

【集成實(shí)驗(yàn)過程】準(zhǔn)備具有加速度傳感器的智能手機(jī)、安裝Phyphox軟件，打開“加速度（不含g）”測(cè)量模塊，與授課端屏幕同步（便于學(xué)生直接觀測(cè)數(shù)據(jù)生成過程）。做好保護(hù)措施，開啟測(cè)量模式，將手機(jī)從某一高度釋放（無需嚴(yán)格要求初速度為0），即可獲得加速度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)圖（圖1）。學(xué)生經(jīng)分析可知，第一個(gè)明顯坡度的數(shù)據(jù)為下落過程中的加速度，手動(dòng)選取數(shù)據(jù)得到重力加速度約為9.79 m/s2。

【教學(xué)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)】從傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)出發(fā)，層層遞進(jìn)，引導(dǎo)學(xué)生逐步熟悉、掌握Phyphox這一現(xiàn)代技術(shù)，并培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維，思考如何打破常規(guī)地利用Phyphox代替?zhèn)鹘y(tǒng)粗糙的實(shí)驗(yàn)器材。通過實(shí)驗(yàn)：1）學(xué)生能夠在完整的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)問題，并獨(dú)立思考解答，例如：所有學(xué)生都發(fā)現(xiàn)了后半部分?jǐn)?shù)據(jù)波動(dòng)，并能馬上解釋這是由于手機(jī)落入緩沖裝置時(shí)顛簸導(dǎo)致的。2）精準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的誤差能夠激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，此時(shí)再由教師提出有效問題可以達(dá)到最佳教學(xué)效果，例如：教師讓學(xué)生仔細(xì)觀察下落階段（圖2），取兩點(diǎn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)下落過程中加速度在減小。學(xué)生可能思考后仍感到困惑，此時(shí)教師再介紹手機(jī)所受空氣阻力會(huì)隨速度增加，學(xué)生便會(huì)恍然大悟、印象深刻。甚至部分學(xué)生還會(huì)進(jìn)一步發(fā)散思維，主動(dòng)提出利用圖2中加速度變化的斜率來探究該過程空氣阻力與加速度可能的關(guān)系式，并在課后開展相關(guān)課題研究。

案例2：研究超重和失重現(xiàn)象

【傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)缺陷】傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)局限于定性觀察，例如：觀察有孔礦泉水瓶下落過程中是否仍有水噴出；觀察視頻中電梯上升或下降過程中體重計(jì)的示數(shù)變化等。但觀察期間都無法進(jìn)行定量計(jì)算研究，不符合高中生的認(rèn)知發(fā)展。

【數(shù)字實(shí)驗(yàn)裝備】使用壓力傳感器可以定量顯示電梯升降過程中壓力隨時(shí)間的變化情況，但在實(shí)際操作過程中需要將采集、處理數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)放入電梯中，操作明顯不便。

【集成實(shí)驗(yàn)過程】使用手機(jī)代替繁重的壓力傳感器和計(jì)算機(jī)系列裝備，讓手機(jī)集傳感器、采集器、計(jì)算機(jī)于一體。將手機(jī)固定放置在電梯內(nèi)，開啟“加速度（不含g）”模塊中的“z軸線性加速度”測(cè)量模塊，使用錄屏功能或與電梯外直播屏幕同步（建議遠(yuǎn)程授課時(shí)使用錄屏功能，教師要做好準(zhǔn)備，雖然電梯內(nèi)已覆蓋信號(hào)，但直播效果不佳），開啟測(cè)量模式，讓電梯上升或下降并記錄數(shù)據(jù)。教師先給學(xué)生呈現(xiàn)數(shù)據(jù)圖（圖3），再讓學(xué)生回答電梯是在上升還是下降（數(shù)據(jù)圖以豎直向上為正方向），并取任一點(diǎn)數(shù)據(jù)來計(jì)算手機(jī)所受的支持力。

【教學(xué)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)】對(duì)于超重、失重等抽象概念，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)常粗略地讓學(xué)生定性觀察，結(jié)果通常不準(zhǔn)確，難以令人信服。現(xiàn)代化教育技術(shù)為高中物理教學(xué)提供了定性到定量轉(zhuǎn)變的有力支持。以人教版《物理實(shí)驗(yàn)手冊(cè)》為例，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，其中所有的物理演示和學(xué)生實(shí)驗(yàn)均可通過智能手機(jī)、數(shù)字化傳感器等現(xiàn)代教學(xué)裝備與簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案采集到科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)。物理作為一門自然科學(xué)，在STEM教育現(xiàn)代化視域下，教師應(yīng)當(dāng)充分利用技術(shù)手段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，基于數(shù)據(jù)向?qū)W生傳授知識(shí)。

案例3：觀察多普勒效應(yīng)

【傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)缺陷】傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)常將蜂鳴器綁在長竹竿上，在學(xué)生頭頂上方大范圍地快速盤旋，讓學(xué)生感受聲音尖銳程度的變化。但學(xué)生只能通過聽覺模糊感受接收頻率的變化，這種感受的可信度較低。

【數(shù)字實(shí)驗(yàn)裝備】使用音頻傳感器記錄蜂鳴器遠(yuǎn)離和靠近過程中的接受頻率，并與計(jì)算機(jī)連接進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。但常有學(xué)生質(zhì)疑是蜂鳴器本身聲源頻率的改變，因此，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)讓學(xué)生“看到”聲源頻率不變這一事實(shí)。

【集成實(shí)驗(yàn)過程】打開手機(jī)端Phyphox“音頻發(fā)生器”模塊，設(shè)置聲源頻率，點(diǎn)擊播放，即可代替不穩(wěn)定的蜂鳴器。教師在授課電腦端安裝音頻接收軟件，或在另一臺(tái)靠近授課電腦的移動(dòng)設(shè)備（如手機(jī)、平板，安卓或iOS系統(tǒng)均可）中打開Phyphox“多普勒效應(yīng)”模塊，記錄聲源遠(yuǎn)離、靠近過程中的接收頻率，以此代替學(xué)生僅靠聽覺的定性感受。兩臺(tái)裝備同時(shí)與授課端電腦同屏（圖4），左半邊為聲源手機(jī)界面，呈現(xiàn)頻率恒為440 Hz的聲源；右半邊為接收端平板界面，呈現(xiàn)變化的接收頻率。

【教學(xué)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)】通過同步對(duì)比兩者的教學(xué)，可以發(fā)現(xiàn)后者效果顯著：學(xué)生不僅可以定性地聽到尖銳程度的變化、定量地看到接收頻率的變化，還可以對(duì)比觀察到聲源本身頻率是穩(wěn)定、無變化的。最后，學(xué)生通過采集數(shù)據(jù)（圖5），觀測(cè)到聲源手機(jī)在快速遠(yuǎn)離接收手機(jī)時(shí)頻率可降低到345 Hz，從而自行得出遠(yuǎn)離過程中接收頻率減小的結(jié)論?？梢?，通過現(xiàn)代教育技術(shù)手段填補(bǔ)學(xué)生對(duì)非可視化規(guī)律的認(rèn)知缺陷，將成為高中物理現(xiàn)代化教育的重要組成部分。

4" 結(jié)束語

本文從理念升級(jí)、裝備升級(jí)、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新三個(gè)方面探討STEM教育現(xiàn)代化視域下高中物理實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)型。以三個(gè)高中物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例，組織學(xué)生利用現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以STEM教育理念為指導(dǎo)，以現(xiàn)代化集成實(shí)驗(yàn)室裝備為工具，讓學(xué)生使用手機(jī)等現(xiàn)代化設(shè)備自主設(shè)計(jì)改進(jìn)方案，獲得更加科學(xué)可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)由粗放向創(chuàng)新、精細(xì)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)霓D(zhuǎn)變。由于學(xué)生對(duì)智能手機(jī)非常熟悉，因此不會(huì)對(duì)手機(jī)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生畏懼心理，反而會(huì)積極主動(dòng)地深入探究，甚至可能會(huì)比教師還熟悉各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)操作。對(duì)于鄉(xiāng)鎮(zhèn)學(xué)校而言，用手機(jī)做實(shí)驗(yàn)既解決了組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)難的問題，又有助于促進(jìn)教育的區(qū)域平衡。同時(shí)，現(xiàn)代化集成實(shí)驗(yàn)室的模式不僅滿足了線上和遠(yuǎn)程物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求，也為STEM教育項(xiàng)目活動(dòng)的開展提供了基礎(chǔ)保障，從而推動(dòng)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)以更優(yōu)質(zhì)的方式實(shí)現(xiàn)普及。

5" 參考文獻(xiàn)

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