基于核心素养下高中物理实验教学与信息技术融合的实证研究

蔡福珍

摘   要：随着科技的发展，现代化的教育信息技术已经广泛应用于高中课堂教学中，物理实验教学与信息技术的有效融合不仅优化了实验教学结构，也改变了学生的学习方式，培养了学生科学思维与科学探究的能力。从物理学科核心素养的视域出发，积极探索高中物理实验教学和信息技术融合的策略与方法，提高学生的核心素养。

关键词：高中物理实验教学;信息技术;融合;核心素养

物理是一门以实验为基础的学科，普通高中《物理课程标准》2017版中关于通过实验或观察进行教学的知识点及数目比普通高中《物理课程标准》2014实验版增加12个，增加的比例为27%，强调让学生经历建构重要概念、探究物理规律的完整过程，发展学生的科学思维和探究能力。在这样的背景下，传统的教学模式和学生的学习方式势必要做出改变。而现代化信息技术与物理实验教学的深度融合不仅能实现教学的结构性变革——即从传统的“以教师教为中心”的课堂教学结构，转变为新型的“教师主导—学生主体相结合”课堂教学结构，更是在学生学习方式上突破了时空的限制，使学习者的学习更加主动和个性化，同时又可以有效地落实物理课程标准[ 1 ]。本文将结合平时实际教学案例，对高中物理实验教学与信息技术的有效融合进行实证校本化的研究。

1  高中物理实验教学与信息技术有效融合的策略与实践

1.1  利用umu等网络互动学习平台突破时空局限，优化学生的学习方式

教育信息化2.0行动计划的提出和移动互联网技术的高速发展，给高中物理实验教学带来新的变革。在组织方式上包括人员、内容和资源组织上拓宽了师生、生生交互的时空，让学习不再局限于课堂。以“平抛运动”为例，学生既要对平抛的规律进行猜想，又要分竖直方向和水平方向分别实验验证，对学生的实验操作和数据分析能力要求比较高，能否在课堂有限的时间里顺利完成成为教学难点。为突出重点和突破难点，可以将整节课设置为课前、课中和课后三个环节。在课前利用umu互动学习平台创建“平抛运动”课程并发布，学生扫码进入并自主预习（如图1所示）。课前，先让学生进行微课导学，即录制5至6分钟的微课，让学生了解本节的主干知识，在此基础上让学生在探讨研究平抛运动的方法，并进一步猜想平抛竖直分运动和水平分运动的规律，设计实验制订方案，在umu互动学习平台提交方案后进行互动交流，探讨其合理性和可行性（如图2）。学生们不仅能提出自己的观点，还可评价别人的方案，增强学生之间的互动点评交流。课中，教师根据学生所设计的实验方案和学生互动点评的情况进行评析，再让学生根据所设计的方案动手实验验证猜想。课后，再利用umu互动学习平台推送平抛运动的专项练习，通过平台的数据反馈能全面了解学生对本节知识点的掌握情况（如图3），为教师后续精准教学提供依据，为学生记录和管理学习情况。借助umu等网络平台拓宽了师生、生生交互的时空，让教与学不在局限于课堂，通过变革学生学习方式的同时培养和发展学生自主学习的能力。

1.2  利用希沃、人人通等手机app提升实验可视度，培养学生的科学思维

做好演示实验有助于学生从物理学角度认识客观事物的内在规律、本质属性及相互之间的关系，也有助于学生在实验事实的基础上建构物理模型，从而培养学生的科学思维。但有些演示实验效果不明显或者可视度低，有些实验现象很短暂导致现象很难观测到，此外有些学生离讲台比较远看不清楚。针对这些情况，在教师演示实验时，可以通过教室里的教学平板和手机连接，利用省资源平台的人人通移动课堂或希沃软件的同屏功能，将演示过程进行投屏。不仅能实时展示实验过程，还能把实验现象放大，让实验结果更好地实时呈现出来。在高中物理电学实验中，电路连接和电表读数往往是学生薄弱的地方，课堂上可利用人人通移动课堂将教师的操作过程进行实时投影，能对学生规范实验操作起到示范性作用。在讲解游标卡尺、螺旋测微器和欧姆表等的原理及读数时可以放大倍数，让所有同学都能把显示的数值更好地看清楚，这样方便于教师对测量仪器读数规则的更好讲解。同时还能录屏推送给各班，学生可重复观看，强化理解。又如“平抛运动”中通过平抛的小球和自由下落的小球对比探究竖直分运动的规律时，发现两球下落的非常快。以往教师们会让学生听两球第一次落地的声音，但是耳听为虚眼见为实，教师同样可借助人人通移动课实时拍摄慢动作视频，播放过程随时暂停，容易发现任意时刻两球均处在同一高度，学生自然而然能理解平抛的竖直分运动就是自由落体运动，有效地突破难点并深化了学生对平抛竖直规律的理解。

1.3  利用仿真模拟实验，培养学生自主学习和模型建构的能力

首先，仿真实验不受时间和空间的限制，可保证实验的项目和数量。它通过计算机仿真模拟现实条件下没办法呈现的抽象的物理现象和情景，极大地提高了物理实验的演示效果[ 2 ]。比如教师可利用NOBOOK仿真实验演示高中物理中所涉及的力、热、光、电等方面的大多数实验。利用仿真实验让学生自主设计实验方案，選择仪器，连接电路，完成实验探究，获取数据，并通过对现象的观察和数据的分析得到相应的结论。物理中电学实验较适合在仿真实验平台进行实验设计和模拟操作，有效减少在实际操作过程中出现的安全性问题。学生还可以课外继续实验，在任何地点自学。比如伽利略的理想斜面实验，是在小球能从斜面上加速向下并冲上对面斜面的实验事实基础上经过严谨的逻辑推理进一步得出力不是维持物体运动的原因。现实条件下不存在摩擦为零的接触面，所以无法操作。但在仿真实验平台实验过程中，可以通过设置参数，将摩擦力设置为0，这样就能模拟出在理想状态的小球运动状态，让学生获得直观上的认知。其次，仿真实验拓展了实验观察的广度与深度，帮助学生建构物理模型。在电场线教学中，可利用仿真实验平台显示几种常见带电体的电场线及等势面的立体模型。尤其是等量同种电荷及等量异种电荷之间的电场线及等势面分布情况，让学生对其有深刻的感知，化抽象为具体。电势及电势能变化及场强强弱的比较是高考的高频考点，也是学生的薄弱点。教师可借助仿真实验室展示，并改变带电体电荷量大小，两电荷之间的距离等因素，让学生对电场线模型理解得更全面更深入。

1.4  利用DIS传感器，培养学生的科学探究能力

DIS实验通过传感器和数据采集器感知并采集数据，通过相应的软件对探测到的信息转化为相应的物理量的类型和数值，具有高速化和智能化的特点，不仅比人工读数和处理数据省时又省力，还提高了运算的精确度。例如“平抛运动”中利用二维平面运动传感器获得平抛运动的轨迹，拟合生成水平和竖直分速度的v-t图像，并算出竖直方向的加速度，精确的实验数据有利于学生发现物理现象背后隐含的规律。又如“闭合电路的欧姆定律”，可利用DIS电压传感器测量自制原电池的内电压和外电压，如图4、图5所示。学生在连接好电路后，只要通过移动滑动变阻器触头，传感器便能实时采集多组数据并以表格的形式呈现（图6），大大节省实验的时间。而且学生通过表格容易发现内外电压之和为一常数，从而明白电动势的物理意义。DIS强大的数据处理功能增加了实验探究的深度，使问题研究从定性上升到定量，在深化学生对问题本质理解的同时进一步培养学生的科学探究能力。

2  高中物理实验教学与信息技术有效融合的原则

2.1  适用性原则

信息技术的有效融合，是为了突破高中物理实验教学的重點和难点，实现传统教学无法实现的效果才使用。实验教学中没有条件做的实验和不能操作的实验可以用多媒体软件去模拟，绝不是将所有的物理实验都适用于信息技术的支持，对于有条件完成的实验应当让学生亲手去做[ 3 ]，在平时实验教学过程中，教师要处理信息技术有效融合的实验选择，选择适用或信息技术能更好地呈现结果的实验进行课堂模拟操作。

2.2  辅助性原则

信息技术的有效融合，能更好地实现“优化教学，让学习深度发生”，能更好地培养学生的科学思维和科学探究能力从而落实物理学科核心素养。尽管它有很多的优势，但也有不足。对于物理实验的教学，重在实践性，要求学生按照一定的程序规范操作，经历实验探究过程，才能对实验的原理以及背后的规律有更深入的理解，才能领悟实验中体现出的科学方法，从而形成良好的科学素养[ 3 ]。因此，在实际教学中一定要明确信息技术的有效融合只是作为辅助教学手段，它不能代替真实的实验操作和教师在实验教学中的重要地位，而是对传统实验教学不足的有效补充。

参考文献：

[1] 杨桂芳.运用现代信息技术突破高中物理实验教学难点的实践[D].呼和浩特：内蒙古师范大学，2018.

[2] 龙金.基于 MATLAB 的大学物理仿真实验研究[D].厦门：厦门大学，2011.

[3]杨大钧.信息技术与高中物理实验教学融合的实践研究[D].信阳：信阳师范大学，2020.

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