朱文瑜

高中物理、化學(xué)、生物課程中均安排了大量的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量對(duì)整體教學(xué)效果有著舉足輕重的影響。目前，新課程改革持續(xù)進(jìn)行，在要求中更加突出了實(shí)驗(yàn)教學(xué)，鼓勵(lì)合理使用信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

一、 信息技術(shù)在高中實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的普遍優(yōu)勢

(一)有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

在理科課堂教學(xué)上，部分教師從頭到尾獨(dú)自空講，講概念、講實(shí)驗(yàn)、講結(jié)論，這是教學(xué)中最忌諱的。教師只是表面陳述有關(guān)實(shí)驗(yàn)的步驟和方法，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，學(xué)生也難以理解，缺乏聽課趣味。如果利用信息技術(shù)建立教學(xué)所需的情境和任務(wù)，讓理科實(shí)驗(yàn)課堂更加形象具體，會(huì)更有效激發(fā)出學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

(二)將難演示的知識(shí)形象化

理科很多實(shí)驗(yàn)是研究微觀世界的，很多概念理論具有很強(qiáng)的抽象性，學(xué)生受到自身的知識(shí)結(jié)構(gòu)和認(rèn)知特點(diǎn)等諸多因素的影響，難以理解知識(shí)。對(duì)許多因受條件影響無法呈現(xiàn)或呈現(xiàn)效果不明顯的實(shí)驗(yàn)，通過信息技術(shù)，用圖像、視頻、模擬動(dòng)畫等形式表達(dá)出來，幫助學(xué)生理解，完成對(duì)教學(xué)重、難點(diǎn)的突破。

二、 運(yùn)用信息技術(shù)助力實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一些創(chuàng)新實(shí)踐

(一)改進(jìn)微視頻，增強(qiáng)理科實(shí)驗(yàn)效果

在理科教學(xué)中，有一塊內(nèi)容是不可或缺和值得重視的，那就是實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)是有效彰顯學(xué)科特性的重要載體，實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的重要方法和手段。通常情況，為了得到“一剎那，一瞬間”的現(xiàn)象，教師花費(fèi)大量的時(shí)間和精力做好了煩瑣的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作，但學(xué)生可能因?yàn)樽陨硭幍挠^察角度或位置的不同，觀看的效果不夠理想，教學(xué)預(yù)期沒有實(shí)現(xiàn)，造成一些知識(shí)點(diǎn)的缺失。

以高中化學(xué)《鐵氫氧化物》的實(shí)驗(yàn)為例：在FeSO溶液中緩慢滴加NaOH溶液，生成白色絮狀沉淀再轉(zhuǎn)變成灰綠色，幾分鐘后產(chǎn)生紅褐色物質(zhì)。純理論角度上，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中能觀察到反應(yīng)生成白色絮狀沉淀(即氫氧化亞鐵)，后迅速被溶液中的氧氣氧化，生成了紅褐色的氫氧化鐵，這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是相當(dāng)重要的。但在現(xiàn)實(shí)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作上，剛反應(yīng)生成的白色絮狀沉淀只能存在短暫的幾秒鐘，之后白色迅速變成灰綠色，如果學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)過程中不注意或不留心，將會(huì)觀察不到此重要現(xiàn)象，造成知識(shí)點(diǎn)的缺失。這里教師就可以先行制作此實(shí)驗(yàn)，并整段錄制下來。計(jì)算機(jī)上或手機(jī)打開視頻編輯軟件對(duì)此實(shí)驗(yàn)微視頻生成氫氧化亞鐵的時(shí)間軸片段做分割切斷，然后對(duì)其時(shí)間軸片段中的關(guān)鍵步驟做放慢特效，甚至關(guān)鍵幀靜幀處理，將“瞬間現(xiàn)象”變成“慢速現(xiàn)象”甚至是“靜止現(xiàn)象”。教師同步配音解說白色絮狀沉淀是如何產(chǎn)生的，反應(yīng)生成什么物質(zhì)。讓學(xué)生在慢放、回放、暫停中實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象全面多方位的觀察，加深記憶和理解，一舉突破本課重點(diǎn)。運(yùn)用相同技術(shù)也可用在高中物理經(jīng)典的《牛頓管》實(shí)驗(yàn)，快速倒立長約1米的真空玻璃管，可以觀察到在管中的羽毛和小銅片下落速度幾乎一致，由此來說明當(dāng)物體只受重力作用時(shí)，物體下落快慢是一樣的。在教學(xué)課堂上，講臺(tái)下學(xué)生人數(shù)眾多，聲音嘈雜，各自座位不同，學(xué)生的視覺角度也不同。物體下落時(shí)間非常短暫，學(xué)生將會(huì)難以辨別兩個(gè)物體下落的快慢，根本無法觀察到兩物體同時(shí)落地。而通過視頻編輯軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻的可控性，對(duì)視頻片段進(jìn)行回放、慢動(dòng)作，甚至定格鏡頭，經(jīng)測試，至少約比原始視頻放慢100倍，才能讓學(xué)生清楚地觀察到兩個(gè)小物體在玻璃管內(nèi)同時(shí)落地的現(xiàn)象，形成了對(duì)學(xué)生多重感官刺激，引導(dǎo)學(xué)生積極觀察，使學(xué)生更充分體驗(yàn)到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。以上實(shí)驗(yàn)不是只看視頻不做，而是在真實(shí)實(shí)驗(yàn)之前或之后播放，通過微視頻強(qiáng)化對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的理解。

(二)制作思維導(dǎo)圖，理解大單元實(shí)驗(yàn)體系

高中理科課程的各章各節(jié)看似互相獨(dú)立，互不相干，但其實(shí)很多章節(jié)包括實(shí)驗(yàn)在內(nèi)，之間也是相輔相成，有著多樣的內(nèi)在聯(lián)系，組合在一起才能構(gòu)建成完整系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)知識(shí)體系。思維導(dǎo)圖就是通過概念框和流程圖的形式，將知識(shí)聯(lián)系起來，形成穩(wěn)固的知識(shí)結(jié)構(gòu)。隨著技術(shù)的發(fā)展，教師和高中生可以運(yùn)用一定的技術(shù)手段在課堂上構(gòu)建體系，可以運(yùn)用思維導(dǎo)圖如GitMind或WPS等軟件將各章各節(jié)中分散的基本概念、實(shí)驗(yàn)原理、操作步驟、規(guī)劃設(shè)計(jì)和注意點(diǎn)之間的聯(lián)系，用最直觀的形式將各層級(jí)關(guān)系表現(xiàn)，顏色豐富、圖文并茂地構(gòu)建出系統(tǒng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)。

以高中化學(xué)《配置一定物質(zhì)的量濃度的溶液》的實(shí)驗(yàn)為例，該實(shí)驗(yàn)雖然整體難度不大，但很重要。該實(shí)驗(yàn)促使學(xué)生初步的認(rèn)識(shí)容量瓶，特別訓(xùn)練學(xué)生對(duì)基本實(shí)驗(yàn)器材的操作能力和誤差分析能力，了解操作規(guī)范的必要性，為后續(xù)單元章節(jié)中的多個(gè)實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。合理運(yùn)用思維導(dǎo)圖，分層級(jí)將該實(shí)驗(yàn)過程中的步驟、注意點(diǎn)、原理、分析等元素用圖的形式展現(xiàn)出來，詳細(xì)見圖1，通過思維導(dǎo)圖對(duì)此實(shí)驗(yàn)的各種要素一目了然，促進(jìn)知識(shí)的理解，特別是注意事項(xiàng)和誤差分析，在后續(xù)單元章節(jié)中都會(huì)再次用到。再以高中生物知識(shí)體系里的多個(gè)實(shí)驗(yàn)為例，確定好思維導(dǎo)圖的主題是生物實(shí)驗(yàn)的實(shí)施方法，隨后延伸出一級(jí)標(biāo)題：觀察類、探究類、鑒定類等，其中觀察類可延伸出二級(jí)標(biāo)題：顯微鏡的使用、觀察葉綠體的流動(dòng)、觀察洋蔥細(xì)胞質(zhì)壁分離、觀察洋蔥根尖細(xì)胞的有絲分裂等實(shí)驗(yàn)。二級(jí)標(biāo)題又可以繼續(xù)延伸出次一級(jí)標(biāo)題及具體內(nèi)容。鑒定類也可分出兩個(gè)一級(jí)標(biāo)題，具體見圖2所示，這樣簡單明了，方便理解、鞏固，各單元知識(shí)點(diǎn)交叉共建，加深對(duì)體系的理解。教師先用思維導(dǎo)圖構(gòu)建出研究方向的框架，再讓學(xué)生自由組合，小組合作探究將思維導(dǎo)圖補(bǔ)充完整，學(xué)生需要依據(jù)已經(jīng)掌握的知識(shí)，在思維導(dǎo)圖中加入自己的意見，通過團(tuán)隊(duì)的合作和努力，在同類知識(shí)點(diǎn)中不斷展開拓展，查漏補(bǔ)缺，串聯(lián)相關(guān)知識(shí)，完善初始框架。在一張或幾張思維導(dǎo)圖中，整合出多個(gè)相關(guān)的重要實(shí)驗(yàn)。在小組合作的過程中，教師也不能完全放手，要適時(shí)適當(dāng)?shù)幕蛟陉P(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上引導(dǎo)學(xué)生，保證制作的思維導(dǎo)圖沒有偏離主題。教師和學(xué)生通過合作交流的方式制作思維導(dǎo)圖，構(gòu)建出學(xué)科知識(shí)系統(tǒng)，不局限于書本的某一章節(jié)，以更加宏觀的眼光來審視整本書甚至幾冊書，將一顆顆分散的“小鉆石”知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來，整合成“鉆石項(xiàng)鏈”，即完整的系統(tǒng)知識(shí)體系。通過制作思維導(dǎo)圖探究完成具有嚴(yán)謹(jǐn)邏輯、分明層次的知識(shí)圖表，培養(yǎng)學(xué)生自我梳理、歸納小結(jié)不同知識(shí)的能力，加深對(duì)章節(jié)體系以及大單元知識(shí)的理解，最終成果圖文并茂，既高效又美觀，也有助于培養(yǎng)學(xué)生探究能力和合作意識(shí)，啟發(fā)學(xué)生對(duì)問題進(jìn)行發(fā)散性思考，從而提升核心素養(yǎng)。

圖1

圖2

(三)快捷制作微課，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)效果

在整個(gè)學(xué)習(xí)生涯中，某些學(xué)生經(jīng)常出現(xiàn)以下情況，上完實(shí)驗(yàn)課，有一個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)在教師演示實(shí)驗(yàn)時(shí)沒明白或當(dāng)時(shí)以為聽懂了，結(jié)果之后碰到相關(guān)知識(shí)點(diǎn)或習(xí)題又不會(huì)做，究其原因，是其對(duì)所上的實(shí)驗(yàn)概念不夠清晰，實(shí)驗(yàn)過程模模糊糊，不甚清楚，只是眼睛看著學(xué)會(huì)了，大腦并沒有真正掌握。而假如教師在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源或教室電腦上共享實(shí)驗(yàn)微課，那么學(xué)生可以根據(jù)自我需求，不受實(shí)驗(yàn)課程時(shí)間和實(shí)驗(yàn)器材、地點(diǎn)的限制，隨時(shí)查看，多次重復(fù)觀看，學(xué)生通過觀看學(xué)習(xí)教師制作的微課，快速掌握要領(lǐng)、課前預(yù)習(xí)，課后復(fù)習(xí)找出不足。但是當(dāng)前部分學(xué)校有關(guān)實(shí)驗(yàn)的微課資源相對(duì)匱乏，小部分教師由于年齡或各種客觀原因，對(duì)制作微課有些許畏難的情緒，擔(dān)心自己的信息技術(shù)水平不夠，做不好優(yōu)質(zhì)的微課。

其實(shí)，這些擔(dān)心能理解但都能解決。近來由于疫情反復(fù)，各級(jí)各類學(xué)校都響應(yīng)號(hào)召，開展停課不停學(xué)活動(dòng)，大多數(shù)學(xué)校都有直播網(wǎng)課，教師的信息技術(shù)素養(yǎng)直線提升，再加上實(shí)驗(yàn)自身就帶有實(shí)踐和趣味光環(huán)，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)微課的制作完全可以不用精湛的信息技術(shù)和大量的圖形動(dòng)畫。實(shí)驗(yàn)微課重要的是教師將實(shí)驗(yàn)過程中某些需要強(qiáng)化的知識(shí)點(diǎn)或者關(guān)鍵易錯(cuò)的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行特別講解和整理，或配上做實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵過程，或配上相關(guān)習(xí)題打包制作成微課即可。因此，教師只需要會(huì)上網(wǎng)課、會(huì)直播的技術(shù)，就能在校園里、家里甚至在戶外，運(yùn)用一些簡易設(shè)備甚至手機(jī)就能隨時(shí)隨地地制作微課并分享。比如某些學(xué)校教室里配置了希沃一體機(jī)，教師可以直接調(diào)用右下角希沃錄課按鍵實(shí)時(shí)錄課生成文件(軟件自動(dòng)調(diào)用錄屏及內(nèi)置麥克風(fēng))。假如身邊只有普通電腦，那么增加耳機(jī)麥克或USB話筒，使用簡單的錄屏軟件也可操作，甚至可以把手機(jī)裝上支架或靠在書本上穩(wěn)定機(jī)身，使用手機(jī)攝像頭拍攝整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。也可以在智能手機(jī)上安裝“希沃白板”App，用自帶的“知識(shí)膠囊”功能制作完微課，產(chǎn)生二維碼或鏈接通過網(wǎng)絡(luò)分享給學(xué)生，這樣，教師就可以隨時(shí)隨地便捷地制作微課，分享微課?？傊?，教師在實(shí)驗(yàn)課前或課后，有針對(duì)性地將一些常見問題、難以理解的知識(shí)點(diǎn)、復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)步驟，快捷地制作微課并分享，學(xué)生可以在課余時(shí)間或家中針對(duì)自己的薄弱環(huán)節(jié)，利用自己碎片化的時(shí)間，有選擇性地自學(xué)觀看相關(guān)實(shí)驗(yàn)微課，查漏補(bǔ)缺，鞏固學(xué)習(xí)知識(shí)。通過鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，邊看微課邊與身邊的教師、同學(xué)交流，也滿足了學(xué)生的個(gè)性化需求。

(四)使用智能手機(jī)，把實(shí)驗(yàn)融于日常生活

在很多學(xué)生心中做理科實(shí)驗(yàn)是具有儀式感的，需要有專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室，需要有專業(yè)的器材設(shè)備，輕易無法觸碰，潛意識(shí)覺得理科實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)離學(xué)生日常生活，只有上課才會(huì)用到。其實(shí)現(xiàn)在科技日新月異發(fā)展，很多小實(shí)驗(yàn)完全可以用智能手機(jī)來完成，并且準(zhǔn)確度和科學(xué)性不遜色于專業(yè)實(shí)驗(yàn)器材。目前智能手機(jī)都帶有光照、聲音、溫度、加速度等的傳感器，通過應(yīng)用程序調(diào)用內(nèi)置的各類傳感器，可以定性且定量的獲取各種數(shù)據(jù)和圖形統(tǒng)計(jì)，學(xué)生完全可以在家中使用智能手機(jī)中的應(yīng)用程序，而不依據(jù)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)器材就能完成課本實(shí)驗(yàn)。

以有關(guān)加速度的實(shí)驗(yàn)為例，例如安裝phyphox應(yīng)用程序，打開“加速度”選項(xiàng)，可調(diào)用手機(jī)的加速度傳感器，將手機(jī)放在水平桌面上保持手機(jī)貼著桌面，沿著、軸加速平移，可以看到屏幕上、軸產(chǎn)生一個(gè)個(gè)波峰與波谷，手持手機(jī)脫離桌面做上下加速運(yùn)動(dòng)，則軸出現(xiàn)波峰與波谷，這些波峰波谷圖形顯示的就是各個(gè)方向的加速度。比如自由落體加速度的數(shù)值就可以用軸波峰的變化來體現(xiàn)。在地面放置保護(hù)墊或在床上墊好被子做實(shí)驗(yàn)(保護(hù)手機(jī))，用雙手手掌平舉手機(jī)，運(yùn)行加速度選項(xiàng)，手指迅速離開手機(jī)，手機(jī)脫離手指做自由下落，結(jié)束后觀察手機(jī)屏幕軸的圖形，從圖3中可知，有一段數(shù)值大約是-10m/s，就是自由落體的加速度，這樣無須別的實(shí)驗(yàn)器材，學(xué)生就可以在家里用手機(jī)做實(shí)驗(yàn)。使用同種功能，也可以在生活中體驗(yàn)地鐵、公交等交通工具在行駛加速過程中加速度的數(shù)值和變化，例如我們在地鐵里垂直地鐵運(yùn)行方向放置手機(jī)，打開軟件直觀觀察軸的圖形就可以體驗(yàn)地鐵加速度數(shù)值變化，經(jīng)過多次多站點(diǎn)測量，從圖4得知，發(fā)現(xiàn)地鐵啟動(dòng)運(yùn)行過程中，其加速度并不是一直增大，而是先增加后減少再增加的過程，這與普通人的直觀想象是不一樣的，通過手機(jī)實(shí)驗(yàn)觀察地鐵運(yùn)行加速度的數(shù)值變化，結(jié)合實(shí)際地鐵速度的變化，理清加速度與速度之間的關(guān)系，在加速度變小的情況下，地鐵速度依舊可以增加。靈活運(yùn)用手機(jī)，甚至可以在生活中體驗(yàn)加速度與力量的關(guān)系。用牛皮筋將打開軟件的手機(jī)綁在簡易小車上(玩具車、原軌道小車均可)，用手推動(dòng)小車加速前進(jìn)。在小車質(zhì)量不變的前提下，通過改變手掌推力，可以觀察到軟件圖形的不同變化，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，在不同推力下，小車加速度的變化與所受的力有關(guān)。

圖3

圖4

熟練運(yùn)用智能手機(jī)中應(yīng)用程序的各種功能，不止加速度測量，還有磁力計(jì)、力學(xué)、聲學(xué)、工具、計(jì)時(shí)器等各種功能。使用phyphox應(yīng)用程序中工具里的“斜面”，能測量手機(jī)的傾斜角度。如果開啟發(fā)散性思維，完全可以用在物體形變的實(shí)驗(yàn)上，特別是對(duì)剛性物體的輕微形變，由于學(xué)生無法靠自身肉眼觀察輕微形變，對(duì)剛性物體形變理解有一定的難度。將手機(jī)水平放置在水平桌上，得出向上/向下傾斜約0.3度，波紋保持相對(duì)平靜，手掌用力按壓桌面，屏幕顯示傾斜約0.45度，圖形產(chǎn)生波峰，手掌離開桌面，傾斜角度數(shù)值恢復(fù)，如圖5所示，通過觀察圖形后，可得出桌面是被手掌按壓，產(chǎn)生了輕微形變的結(jié)論。

圖5

同樣，化學(xué)實(shí)驗(yàn)、生物實(shí)驗(yàn)也可在智能手機(jī)上運(yùn)用一些應(yīng)用程序來模擬，只是目前由于手機(jī)的傳感器芯片大都只支持物理相關(guān)應(yīng)用程序，化學(xué)、生物實(shí)驗(yàn)更多的是利用應(yīng)用程序模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，安裝完相關(guān)應(yīng)用程序后，學(xué)生在手機(jī)屏幕里點(diǎn)擊操作各種器材，來模擬仿真實(shí)驗(yàn)，程序里會(huì)顯示正確操作后各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，也會(huì)智能判定操作錯(cuò)誤導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)失敗。

將智能手機(jī)看作一套簡易的便攜的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，教師可以啟發(fā)學(xué)生使用各種設(shè)備，運(yùn)用各種技術(shù)發(fā)散思維，通過日常生活實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)與日常生活融合，讓學(xué)生通過現(xiàn)象了解產(chǎn)生的原理?？梢耘囵B(yǎng)學(xué)生觀察力，在認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)，理解科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境的關(guān)系的基礎(chǔ)上形成對(duì)科學(xué)和技術(shù)應(yīng)有的正確態(tài)度以及責(zé)任感。

三、 結(jié)語

以上基于信息技術(shù)的幾點(diǎn)創(chuàng)新實(shí)踐，在理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有著突出的輔助作用，能有效促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，有助于將理科實(shí)驗(yàn)融于日常生活中，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。