江蘇省徐州市西苑中學(221000) 楊 濤

1 問題的提出

2019年教育部發(fā)布了《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》，意見指出：“開齊開足開好國家課程標準規(guī)定實驗，切實扭轉(zhuǎn)忽視實驗教學的傾向；拓展創(chuàng)新，不斷將科技前沿知識和最新技術(shù)成果融入實驗教學，豐富內(nèi)容，改進方式；注重實效，強化學生實踐操作、情境體驗、探索未知、親身感悟和創(chuàng)新創(chuàng)造?！笨梢钥吹?，隨著新課改的深入，實驗教學對物理教學的重要性越發(fā)凸顯出來。同時，實驗教學也逐漸發(fā)展成為落實學科核心素養(yǎng)的有力抓手之一。

遺憾的是，在實際教學中，受制于諸多因素，不少教師對實驗教學雖有一定認識，但往往輕于實踐。即便付諸行動，也多局限于照搬教材、照本宣科。大部分教材實驗固然很好，但考慮到教材編寫專家與學生在年齡閱歷和認知水平等方面的巨大差異，在設計實驗之初，無論怎樣嚴格地遵循中學生的認知心理，也難免出現(xiàn)“子非魚，所思魚之惑，非魚之真惑”的情況。因此，有些教材實驗，需要教師根據(jù)實際學情以及學生當前的認知水平，進行優(yōu)化或創(chuàng)新。

有些物理概念和科學規(guī)律，教材中缺少相應的實驗支撐，教學中也沒有可供課堂直觀演示的教具。僅靠教師的口頭陳述或者閱讀書本上現(xiàn)成的結(jié)論，沒有說服力。這些抽象的物理概念和規(guī)律，未經(jīng)過感性認識和思維的加工，直接上升為抽象的理論，使得邏輯思維較弱的中學生，難以認識復雜的科學世界，掌握其中的規(guī)律，造成了物理難教又難學的被動局面。此外，還有部分演示實驗，由于可視化程度不高、現(xiàn)象稍縱即逝或者發(fā)生的過程極其緩慢，導致學生看不清，甚至看不見，而難以真正地融入到探究活動中來，久而久之便成為課堂里的局外人。

2 信息技術(shù)助力物理實驗教學的實踐案例

2.1 信息技術(shù)助力物理概念教學顯性化

在初中物理教學中，有相當一部分概念，因生活中缺乏感性的體驗，教學中又缺少直觀的畫面，而晦澀難懂。例如“聲現(xiàn)象”教學中，在講授“聲音是一種波”時，筆者發(fā)現(xiàn)，即便教材使用了類比法，將聲波與水波以及彈簧中的疏密波進行比較，但初學物理的中學生，依舊感到茫然。主要原因在于，學生看不見，也就想不到。然而，能夠?qū)β暡ㄟM行直觀顯示的示波器，卻不屬于中小學實驗室的標配儀器。為了消除學生的疑慮，幫助其在后續(xù)學習中，能夠更好地從波形圖上區(qū)別樂音與噪聲、辨析樂音的三要素。筆者借助ipad以及Sonic Tools軟件，進行了現(xiàn)場模擬，讓每位學生都清楚地看到自己聲音的波形。無須贅述，學生對于聲音是一種波的說法，堅信不疑。與此同時，學生對如何利用手機或平板電腦，自主進行物理實驗的探究，產(chǎn)生了極大的興趣。如此一來，也能在一定程度上扭轉(zhuǎn)手機對于中小學生的負面影響。

2.2 信息技術(shù)助力物理實驗現(xiàn)象可視化

在觀察“水的沸騰”實驗時，既要看氣泡，又要聽聲音，還得計溫度，實驗本身的操作難度就比較大。再加上實驗時，燒杯小、水量少、氣泡上升得快。按照常規(guī)操作步驟，很難清楚地觀測到氣泡上升過程中的大小變化。但借助iphone手機自帶的拍攝慢動作功能，搭配希沃授課助手，就能完美解決上述問題。只要在實驗過程中，對上升的氣泡進行慢動作拍攝，通過希沃授課助手APP中的“手機屏幕同步”功能，將“行動遲緩”的氣泡，投影至屏幕上，放大給學生觀察，教師無需多言，學生一目了然。

攝制好的視頻，還可重復播放、調(diào)節(jié)快慢、局部放大、截圖對比，為學生自主分析水沸騰前后的特點，提供了極大的便利。當然，在沸騰前后，借助智能手機或平板電腦上的分貝計APP，更精準地測量聲音的響度，用數(shù)據(jù)說話，聽得到更看得到，減少因為人感覺的不可靠，得出“開水不響，響水不開”的錯誤結(jié)論，以致先入為主，難以糾正。

在上述實驗中，還可以同步引入數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室DISLab，將其中數(shù)字溫度傳感器與電腦連接，設定好時間步長，對整個實驗過程中的溫度變化進行監(jiān)測，獲得更多組數(shù)據(jù)，并使用Excel或Origin軟件進行處理，免去了不間斷計時和反復測溫的繁瑣，獲得的圖像將更加真實平滑。數(shù)字溫度傳感器還能用于完美再現(xiàn)赫歇爾探究各種色光熱效應的實驗，以解決實驗室的液體溫度計精度較低，實驗現(xiàn)象不夠明顯的問題?？梢?，信息技術(shù)的介入，確保了實驗現(xiàn)象的完美呈現(xiàn)，讓學生能夠更加專注于對實驗細節(jié)的觀察，以及對實驗現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)的理性分析。

當然，希沃授課助手的作用，并不局限于能夠有效地提高物理實驗現(xiàn)象的可視化程度。我們還能充分發(fā)揮其強大的交互性，將其應用到習題講評課以及電學實驗教學中。教師在授課過程中，用手機隨時抓拍學生出現(xiàn)的共性、典型性問題或者不規(guī)范的解題步驟、作圖細節(jié)以及電路連接的不當之處，實時投屏，讓學生“相互找茬”、互相評價。使用APP中的畫筆功能，現(xiàn)場勾畫、分析原因、糾錯訂正。隨后，再邀請貢獻了典型范例的同學，使用APP中的頒獎功能，對同伴的講評過程進行反向評價。

這樣，既活躍了課堂氛圍，調(diào)動了學生的積極性，提升了學生的課堂參與度，也培養(yǎng)了學生的語言組織及表達能力。同時，避免了僅有教師對學生，或者優(yōu)等生對后進生的單向評價，讓評價主體和評價形式日趨多元化，錯題的講解更具針對性和實效性。作為物理教師，我們應與時俱進，多探索、多研究、多學習、多應用，努力將各類信息技術(shù)與日常教學進行有機整合，拓寬它們的應用場景。尤其是在大數(shù)據(jù)、云計算、圖文識別、機器學習、虛擬現(xiàn)實等尖端技術(shù)與教育行業(yè)日益融合的信息化時代，讓技術(shù)為教育賦能，讓物理課堂和實驗教學體現(xiàn)出更多的科技元素，為學生開拓眼界的同時，不斷提升物理實驗教學的有效性。

2.3 信息技術(shù)助力物理實驗設計別樣化

案例1：學生在“研究氣泡的運動規(guī)律”實驗時，按照教材所給步驟進行實驗，很難達到實驗預期。究其原因：①氣泡運動較快，時間測量難以掌控；②翻轉(zhuǎn)1 m長的玻璃管，學生操作很不方便，且翻轉(zhuǎn)動作引起的晃動，會對氣泡運動產(chǎn)生影響。雖然很多研究者都對該實驗進行了改進，但鮮有人給出便于教學的新方案。于是，筆者通過細心觀察和反復實驗，并對信息技術(shù)平臺進行了有機整合，巧妙使用PicPick軟件與升降式投影幕布，創(chuàng)新設計了可供課堂探究的勻速直線運動實驗，如圖1所示。

圖1 勻速直線運動的創(chuàng)新實驗

案例2：在學習“大氣壓強的變化”時，教材直接給出了結(jié)論:“研究表明，大氣壓與海拔高度之間有一定關系。離海平面越高的地方，大氣越稀薄，大氣壓越小。”，缺少相應的實驗探究過程和真實數(shù)據(jù)的支撐。而中學實驗室里為數(shù)不多的氣壓計精度又低，不足以讓每個學生親測大氣壓強，并感受其隨客觀因素改變而產(chǎn)生的變化。對于相關結(jié)論，學生只能勉強接受，但心理上實難認同，不利于學科素養(yǎng)的落實。實際運用時，也常常記反。于是，筆者鼓勵學生借助智能手機或iPad等終端設備，以及Phyphox或Barometer軟件，同步調(diào)用設備內(nèi)的GPS和高精度氣壓傳感器，對相關結(jié)論加以驗證。學生只要拿著手機，從1樓爬上4樓，海拔高度增加了約10 m，就能看到軟件頁面上，大氣壓強減小了約100 Pa，如圖2所示。借此設備還能探究地理位置對g值的影響、磁體周圍磁場的強弱分布等眾多物理實驗，如圖3所示。

圖2 巧用手機探究氣壓與高度的關系

圖3 使用智能手機巧做物理實驗

案例3：超聲波和紅外線在日常生產(chǎn)生活中應用極其廣泛，但在學習這兩塊知識時，由于一個聽不見、另一個看不見，實驗室又缺少便于在課堂上直觀演示的儀器和教具，對學生的有效學習造成了一定的干擾。鑒于此狀況，筆者將開源電子原型平臺Arduino以及傳感器模塊、顯示模塊、蜂鳴器反饋模塊等聯(lián)合起來，精心設計了超聲波測距儀與人體紅外感應聯(lián)合體，如圖4所示。借助該自制教具，能實現(xiàn)讓聽不見的可看，讓看不見的可聽的效果。既可讓聽不見的超聲波，以距離的方式呈現(xiàn)在屏幕上，幫助學生直觀感知超聲波的存在，同時更好地理解超聲波測距儀的工作原理。還能讓看不見的紅外線，以警報聲的方式呈現(xiàn)出來，幫助學生直觀感知紅外線的存在。同時，進一步了解生活中眾多紅外感應裝置的工作原理，感受科技魅力。

圖4 自制超聲波測距儀與人體紅外感應聯(lián)合體

該教具的組件成本低廉，芯片易于編程，產(chǎn)品可重復使用。而且模塊化設計，拆裝方便，系統(tǒng)的拓展性極強。尤其是在學習到電路相關知識，如：電路的基本組成、電路的連接方式、集成電路、電阻、半導體材料、電位器、電磁繼電器等知識時，可根據(jù)教學的實際需要，再對系統(tǒng)進行拓展，能極大激發(fā)學生的研學興趣，幫助學生更好地理解其內(nèi)在原理。實際教學演示時，學生對此興趣盎然，目不轉(zhuǎn)睛，急切地想要了解更多相關知識。甚至下了課，還有很多學生圍過來詢問感興趣的問題，這不正是我們實施有意義教學的起點嗎？

當然，條件允許的情況下，還可購置便攜式手機熱成像儀，將其與手機連接，并實時投屏，更直觀地呈現(xiàn)溫度不同的物體所輻射的紅外線強度，教學效果將更加震撼。

2.4 信息技術(shù)助力物理實驗探究常態(tài)化

每年理化生實驗技能考試結(jié)束后，理科教師都會發(fā)出同樣的感慨：學生的實驗技能和實驗素養(yǎng)欠佳。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因不外乎學生平時親自動手實驗的機會少，僅靠課堂上的分組實驗，既無法保證實驗操作的獨立性，又很難保障有充足的時間進行實驗。在不延長學生在校時間、增加課時量的前提下，如何改變此現(xiàn)狀？筆者認為，合理運用信息技術(shù)，打破時間、空間以及實驗條件的制約，助力物理實驗探究常態(tài)化，是一種行之有效的策略。

現(xiàn)如今網(wǎng)購非常便利，許多物理實驗器材、各種類型的學生實驗箱廉價易得，教師不必再擔心“巧婦難為無米之炊”，只要為學生搭建好自主研學、互助交流的平臺，如建立QQ群、微信群、利用教育主管部門建立的網(wǎng)上備課系統(tǒng)等。依據(jù)課標要求和具體教學內(nèi)容，為學生設計好他們能夠自主完成的探究任務，并為他們準備豐富的物理實驗數(shù)字化資源。如共享Flash、多媒體課件、仿真物理實驗室軟件，向?qū)W生推送全國中小學實驗在線平臺、江蘇省中小學實驗在線平臺、江蘇省“五四杯”優(yōu)秀微課資源、甚至優(yōu)秀的自媒體資源等相關網(wǎng)絡教育資源，引導其合理運用，輔助自己順利完成實驗探究。當然，學生還可以借助平臺，及時反饋在實驗探究過程中遇到的各種問題，師生、生生之間，相互解答、分享心得。這樣，不但能擴充物理課堂的教學內(nèi)容、豐富實驗教學的形式，還能拓展師生的視野與物理學習的空間。

除此以外，隨著通信技術(shù)、半導體技術(shù)和傳感技術(shù)的極速發(fā)展，以手機為代表的智能電子設備，功能日益強大，其內(nèi)部集成了光傳感器、重力傳感器、加速度傳感器、氣壓傳感器、磁場傳感器、GPS、陀螺儀等各式各樣的高精度、高靈敏度傳感器。結(jié)合各類應用軟件，如Phyphox進行合理調(diào)用，便能夠隨時隨地完成對多個物理量的測量，簡直就是超便攜實驗室。使用智能手機巧做物理實驗，形式新穎，學生樂于嘗試、勤于鉆研。尤其是在中高考復習階段，如果教師將已經(jīng)做過的實驗，再完整地重做一遍，一方面時間不允許，另一方面學生覺得自己做過，對教師的“炒冷飯行為”不感興趣，以致實驗復習效率低下。若能利用傳感技術(shù)、多媒體技術(shù)、仿真物理實驗室、DISLab數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室、增強現(xiàn)實技術(shù)(AR)等現(xiàn)代信息技術(shù)，將實驗過程與實驗現(xiàn)象換一種嶄新的方式快速再現(xiàn)，或者放手讓學生在復習課前自主完成，既能節(jié)約寶貴的教學時間，又能在激發(fā)學生興趣的同時，喚醒學生的實驗記憶，達到良好的復習效果。

3 小結(jié)

物理實驗教學改革，一直都是教育工作者關注的焦點。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展與廣泛應用，教育信息化的程度逐步提高，給物理實驗的創(chuàng)新設計和有效教學注入了新的活力。很多以前難以解決的問題，現(xiàn)實條件不容易實現(xiàn)的實驗，或者操作過程具有一定危險性的實驗，現(xiàn)在都將成為物理教師創(chuàng)新實驗教學方式的契機。《義務教育物理課程標準(2011年版)》也在課程基本理念中提到：“鼓勵在物理教學中合理運用信息技術(shù)”，作為一線教師，唯有轉(zhuǎn)變觀念，加強對教育信息技術(shù)的學習與研究，努力提升個人信息素養(yǎng)，并在教學實踐中，針對學生學的困惑點和教師教的困難點，融合信息技術(shù)，加以有效突破，方能真正提升物理實驗教學的質(zhì)量和水平。