江愛國： 浙江省岱山中學(xué)正高級教師、特級教師，浙江省基礎(chǔ)教育課程專業(yè)指導(dǎo)委員會委員、浙江省浙派名師培養(yǎng)對象。他深入探索教學(xué)與技術(shù)融合之道，積極推進基于智慧課堂的精準(zhǔn)教學(xué)。近幾年，先后主持“智能化教學(xué)系統(tǒng)融入學(xué)科教學(xué)實施研究”“基于數(shù)智系統(tǒng)的物理實驗教學(xué)改進研究”等省級課題項目。強調(diào)將數(shù)字技術(shù)與物理實驗教學(xué)深度融合，提高教學(xué)精準(zhǔn)性和互動性。重視創(chuàng)新和實踐，倡導(dǎo)利用數(shù)智系統(tǒng)和移動實驗室等工具，拓展教學(xué)時空，增強學(xué)生的實驗探究和科學(xué)思維能力。主張合理運用智慧學(xué)習(xí)平臺和個性化教學(xué)資源，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性和數(shù)據(jù)素養(yǎng)，促進教育教學(xué)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

高中物理是以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科。實驗教學(xué)是重要的教學(xué)內(nèi)容，在物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培育中具有舉足輕重的地位，是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途徑?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標(biāo)”）提出要創(chuàng)新實驗方式，重視數(shù)字實驗，研究數(shù)字實驗系統(tǒng)的應(yīng)用。教育部等十八部門聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于加強新時代中小學(xué)科學(xué)教育工作的意見》指出，要加強探究實驗室、數(shù)字實驗室等新型教學(xué)空間建設(shè)，探索利用人工智能、虛擬現(xiàn)實等數(shù)字化手段賦能實驗教學(xué)；加強真實問題驅(qū)動下的跨學(xué)科項目式學(xué)習(xí)，強化學(xué)科實踐，培養(yǎng)深度思維。在大數(shù)據(jù)時代背景下，教師基于智慧課堂開展高中物理實驗教學(xué)，能有效提高實驗教學(xué)質(zhì)量。以建立基于數(shù)智系統(tǒng)的教學(xué)體系作為主要目標(biāo)，建設(shè)智慧學(xué)習(xí)平臺、數(shù)字化實驗資源庫、移動實驗室，實現(xiàn)物理實驗教學(xué)閉環(huán)，能有效改進實驗教學(xué)：既能提高實驗教學(xué)的精準(zhǔn)性，又能提升師生的數(shù)字素養(yǎng)。

一、傳統(tǒng)之缺：條件受限影響實驗教學(xué)效果

受實驗器材、實驗場地、教學(xué)進度、教師理念等多方面因素的限制，傳統(tǒng)模式下高中物理實驗教學(xué)存在弊端，造成實驗功效不斷降低，甚至出現(xiàn)“探究退化為驗證，驗證退化為體驗，體驗退化為觀賞，觀賞退化為說題”的怪象，影響了實驗價值的充分實現(xiàn)。

（一）實驗方案選擇缺乏多樣性

對于物理原理的證明，往往可以提供多種實驗方案?，F(xiàn)行主流教材也提供了多種參考案例，但不少教師只憑經(jīng)驗教學(xué)，在缺乏對學(xué)情精準(zhǔn)了解的情況下統(tǒng)一選擇某一案例進行教學(xué)設(shè)計，造成學(xué)生體會不到不同設(shè)計方案所蘊含的不同思想，束縛了學(xué)生思維發(fā)展。

（二）實驗現(xiàn)場診斷交互性不強

受實驗設(shè)計方案、軟硬件、時空等因素影響，會出現(xiàn)實驗與預(yù)期不一致的現(xiàn)象。同時，由于學(xué)生的操作可能不規(guī)范，加之缺乏視頻捕獲工具及交互性工具，教師無法用現(xiàn)場視頻片段演示等手段及時精準(zhǔn)診斷。例如，在學(xué)生分組探究“靜電屏蔽規(guī)律”時，大多數(shù)組能發(fā)現(xiàn)金屬筒內(nèi)絲箔未張開，從而得出金屬筒內(nèi)部不帶電的結(jié)論。但是，個別組發(fā)現(xiàn)內(nèi)部絲箔張開了，實驗沒有成功。如果教室內(nèi)有智慧交互系統(tǒng)，教師可以現(xiàn)場拍照，并馬上將現(xiàn)象投射到全體學(xué)生面前，發(fā)動學(xué)生交流析疑。

（三）實驗效果評估精準(zhǔn)度不高

一些學(xué)生在實驗中，記錄數(shù)據(jù)不夠嚴(yán)謹(jǐn)，遇到異常數(shù)據(jù)刻意規(guī)避，不深入探究。因為缺乏實驗數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，缺少成果展示及交流評議平臺，教師無法精準(zhǔn)評估實驗教學(xué)效果。

此外，還存在其他問題，如缺乏實驗資源利用的開放性、實驗與習(xí)題教學(xué)的融合性、課外生活情境實驗的拓展性等。

二、數(shù)智之光：數(shù)字化改進實驗教學(xué)恰逢其時

（一）數(shù)智系統(tǒng)應(yīng)用引發(fā)教學(xué)新變革

數(shù)智系統(tǒng)指集成數(shù)據(jù)分析、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等多種信息技術(shù)的智能系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)智能終端系統(tǒng)搭建，主要以連接、計算、協(xié)同、數(shù)據(jù)與智能為核心能力組成要素，注重數(shù)據(jù)的智能化分析與處理及數(shù)據(jù)應(yīng)用，在數(shù)字化基礎(chǔ)上實現(xiàn)決策自優(yōu)化、執(zhí)行自動化與自我學(xué)習(xí)提升。隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能（AI）的廣泛應(yīng)用，教育工具和方法也在不斷更新。交互式電子書包、虛擬實驗仿真系統(tǒng)、視頻圖像處理軟件等都已成為常見的教學(xué)工具?！爸踔贝稹薄拔男囊谎浴薄癒imi”等AI聊天機器人的應(yīng)用，更是將教學(xué)互動提升到了一個新的層次，使得教學(xué)環(huán)境變得更加豐富多彩，同時也為學(xué)生提供了更加個性化的學(xué)習(xí)體驗。

（二）數(shù)智系統(tǒng)有效促進個性化教學(xué)

數(shù)智時代，學(xué)校實施個性化教學(xué)已成為必然趨勢。以“數(shù)據(jù)分析—特征發(fā)現(xiàn)—智能干預(yù)”為特征，構(gòu)建個性化的“學(xué)習(xí)—診斷—干預(yù)”閉環(huán)模式，是實現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。數(shù)智系統(tǒng)在物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用是一項系統(tǒng)工程。它涵蓋了從實驗?zāi)繕?biāo)的確立、實驗方案的優(yōu)化設(shè)計，到實驗現(xiàn)象的即時診斷，再到實驗數(shù)據(jù)的處理與評估等多個層面。教師在營造數(shù)智化教學(xué)環(huán)境時，需要不斷創(chuàng)新實驗教學(xué)形式。這不僅能夠?qū)崿F(xiàn)課堂實驗教學(xué)的閉環(huán)管理，提高教學(xué)效率，而且能夠拓展課外實驗的時間和空間，讓學(xué)生在任何時間、任何地點都能進行實驗學(xué)習(xí)。

（三）師生數(shù)據(jù)素養(yǎng)需要在技術(shù)應(yīng)用中提升

有了數(shù)據(jù)的助力，教師可以更精準(zhǔn)地進行教學(xué)，學(xué)生也可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進度和理解程度進行個性化學(xué)習(xí)，從而提高學(xué)習(xí)效率。此外，提高師生的數(shù)據(jù)素養(yǎng)也是教學(xué)中不可忽視的一環(huán)。教師需要掌握如何利用數(shù)智系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析、特征發(fā)現(xiàn)和智能干預(yù)，學(xué)生則需要學(xué)會如何利用這些工具自主學(xué)習(xí)。這不僅能夠提升學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力，還能夠培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維和問題解決能力?？傊?，數(shù)智系統(tǒng)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用，不僅能夠提升教學(xué)的質(zhì)量和效率，而且能夠為學(xué)生提供更加豐富和個性化的學(xué)習(xí)體驗。隨著技術(shù)的不斷進步，可以預(yù)見，未來的教育將更加智能化、個性化，而數(shù)智系統(tǒng)將在這一過程中發(fā)揮越來越重要的作用。

三、數(shù)智之行：改進實驗教學(xué)的關(guān)鍵舉措

（一）改進智能教學(xué)平臺

學(xué)校需要營造高標(biāo)準(zhǔn)的智能教學(xué)環(huán)境，建立智慧教室、智慧實驗室、“智學(xué)網(wǎng)”精準(zhǔn)作業(yè)系統(tǒng)、數(shù)字化終端實驗資源庫等，支持教師借助人工智能、知識圖譜及大數(shù)據(jù)自動分析技術(shù)，為學(xué)生打造個性化在線學(xué)習(xí)平臺。筆者所在學(xué)校為每位學(xué)生免費提供平板電腦，配置相應(yīng)系統(tǒng)（內(nèi)置豐富的實驗教學(xué)工具），支持教師在講解時隨時調(diào)用資源。智慧教室具有AI課堂實錄分析系統(tǒng)，能對教師教學(xué)行為進行智能記錄，包括教學(xué)場景分析、教師提問分析、S-T教學(xué)分析、教師巡視分析。學(xué)生學(xué)習(xí)行為及其頻率會被自動記錄，進而實現(xiàn)教學(xué)環(huán)節(jié)與學(xué)生學(xué)習(xí)行為的聯(lián)動與智能分析。如何建設(shè)與數(shù)字化終端匹配的實驗資源庫？筆者依托“之江匯”（教育廣場）數(shù)字平臺，建立校本實驗資源庫，提供與主流教材配套的優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源，利用學(xué)生電子書包終端支持學(xué)生按專題檢索內(nèi)容、閱讀學(xué)習(xí)，突破時空限制。資源庫板塊包括：（1）多元設(shè)計區(qū)，對于同一實驗設(shè)計不同方案并準(zhǔn)備對應(yīng)的實驗器材，針對課標(biāo)要求的21個必做實驗，教師逐一錄制操作演示視頻；（2）虛擬實驗室區(qū)，包含數(shù)字化虛擬實驗裝置、數(shù)字化實驗系統(tǒng)等；（3）診斷把脈區(qū)，收錄實驗現(xiàn)場視頻片段，以便為學(xué)生診斷把脈；（4）生活中的物理原理區(qū)，載有情境化的小實驗、生活及科技應(yīng)用中的各類真實影像，以及建模后的配套習(xí)題，旨在促進實驗與習(xí)題教學(xué)融合；（5）物理學(xué)史區(qū)，讓學(xué)生了解物理學(xué)家在發(fā)現(xiàn)或探究物理規(guī)律時，是如何基于當(dāng)時的條件運用實驗原理和方法的；（6）題庫區(qū)，包含歷年高考及各地聯(lián)考試卷中優(yōu)秀的實驗題，以及主流物理教學(xué)期刊上刊載的對實驗題的評論性文章等。

（二）探索基于數(shù)據(jù)的實驗教學(xué)模式

筆者以電子書包為載體，在教學(xué)活動中采取虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合等多種方式，多維度、多層次地動態(tài)呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，實現(xiàn)教與學(xué)的交互，滿足課前預(yù)習(xí)、課中交互和課后拓展、輔導(dǎo)交流等多場景需求。筆者基于實驗教學(xué)實踐構(gòu)建了“三維五環(huán)”數(shù)智課堂實驗教學(xué)模式（如圖1），以提高物理教師應(yīng)用信息技術(shù)進行學(xué)情收集、學(xué)情分析、教學(xué)設(shè)計的能力，實現(xiàn)學(xué)情數(shù)據(jù)化和學(xué)生思維可視化、學(xué)習(xí)個性化，將數(shù)據(jù)與“學(xué)生的學(xué)”“教師的教”緊密聯(lián)系，形成良性閉環(huán)。

課前準(zhǔn)備：利用“智學(xué)網(wǎng)”等智能教學(xué)平臺，發(fā)布微課并提供多個實驗設(shè)計案例，引導(dǎo)學(xué)生進行課前自主學(xué)習(xí)。筆者應(yīng)用系統(tǒng)平臺并借助數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對學(xué)生課前學(xué)習(xí)情況進行全程記錄統(tǒng)計，基于精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析，及時調(diào)整實驗教學(xué)設(shè)計，達到“預(yù)習(xí)起點可視化，目標(biāo)設(shè)定更合理”的效果。以“驗證動量守恒”的探究為例，教材提供了兩個參考案例：“研究氣墊導(dǎo)軌上滑塊碰撞時的動量守恒”（案例一）和“研究斜槽末端小球碰撞時的動量守恒”（案例二）。案例二裝置與之前“研究平拋運動規(guī)律”實驗裝置相同，筆者預(yù)先基于案例二做了教學(xué)設(shè)計。在教學(xué)中，平臺反饋學(xué)生對氣墊導(dǎo)軌、光電門、橡皮泥等器材及此套裝置呈現(xiàn)的不同碰撞場景更感興趣，立即調(diào)整教學(xué)設(shè)計，更換學(xué)生實驗裝置為案例一中的裝置。

課中交互：學(xué)生利用平板電腦將小組協(xié)作完成的實驗結(jié)果在班級內(nèi)分享，交流互動，展開評價并進行思維交鋒。筆者利用“希沃授課助手”及時捕獲實驗操作影像，零距離交互，進行實時現(xiàn)象分析、診斷把脈。為了引導(dǎo)學(xué)生分析抽象的物理過程，筆者借助虛擬仿真實驗呈現(xiàn)問題情境，模擬演示動態(tài)過程，利用圖表數(shù)字化功能，提高教學(xué)的交互性和可視化程度。引導(dǎo)學(xué)生在交互中收集數(shù)據(jù)，分析規(guī)律，解釋現(xiàn)象，提高了學(xué)生建構(gòu)模型、科學(xué)思維和科學(xué)探究的能力，以及基于證據(jù)得出結(jié)論的素養(yǎng)（如圖2）。

課后反饋：筆者借助平臺，讓學(xué)生在課后進一步分析實驗數(shù)據(jù)并進行交流。教材提供的同一實驗的不同參考案例也通過平臺供學(xué)生操練。教師批閱以后，平臺及時提供學(xué)生作業(yè)情況統(tǒng)計表，幫助教師根據(jù)數(shù)據(jù)解決班級共性問題，實現(xiàn)精準(zhǔn)教學(xué)。為鞏固實驗效果，筆者要求學(xué)生借助虛擬數(shù)字化仿真實驗系統(tǒng)進行操作。此外，根據(jù)學(xué)生自身情況，推送微課等數(shù)字實驗資源，做到查缺補漏，以“學(xué)習(xí)需求分層化，自主學(xué)習(xí)循個性”為導(dǎo)向，用數(shù)據(jù)驅(qū)動精準(zhǔn)教學(xué)和個性化學(xué)習(xí)。

（三）建立基于數(shù)智應(yīng)用的移動實驗室

2019年人教版物理教材中傳感器實驗共12個，其中3個是用手機傳感器進行探究的實驗。這些實例源自學(xué)生身邊生活情境，它們利用手機的智能性，融情境、趣味、簡便、高效為一體，給實驗教學(xué)提供了新的思路和方向。智能手機是一種集眾多強大功能為一體的智能設(shè)備，大多數(shù)智能手機至少包含12類傳感器。這些內(nèi)置傳感器具有高靈敏性和數(shù)字化特點，可以方便迅速地采集現(xiàn)實生活或?qū)嶒炇抑懈黝愇锢砹繑?shù)據(jù)，并進行多元化的數(shù)據(jù)分析處理。這些傳感器所測量的物理量正是中學(xué)生要學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容，理論上講可以用它們做非常多高精度的物理實驗?；谥悄苁謾C傳感器開發(fā)的實驗探究App已大量上市，其中應(yīng)用較多的有8類。手機物理工坊（Phyphox）是目前教師使用最廣泛的軟件之一，它充分應(yīng)用了智能手機的傳感器，能即時進行實驗數(shù)據(jù)展示及實驗數(shù)據(jù)導(dǎo)出處理。它的藍牙模塊支持手機與其他外接傳感器開展物理實驗，具有傳統(tǒng)實驗難以達到的精確度和實驗效果。在Phyphox等軟件的支持下，手機變成移動數(shù)智設(shè)備，成為理想的移動實驗學(xué)習(xí)終端。

以“超重和失重”為例，2019年人教版物理教材將此內(nèi)容單列成節(jié)，注重學(xué)生在學(xué)習(xí)“超重和失重”過程中的體驗和發(fā)現(xiàn)過程，凸顯了基于真實情境的研究方法。在教學(xué)中，筆者先設(shè)計實驗方案以實現(xiàn)現(xiàn)象可視化，即利用改裝后的藍牙傳感器電子力秤，結(jié)合手機軟件Phyphox和投屏軟件，演示下蹲起立時的超失重現(xiàn)象，借助手機投屏，讓學(xué)生清晰地觀察實驗數(shù)據(jù)。

筆者讓學(xué)生結(jié)合圖像（如圖3），思考以下3個問題：①蹲起經(jīng)歷了幾個運動過程？②哪些階段出現(xiàn)超重現(xiàn)象，哪些階段出現(xiàn)失重現(xiàn)象？③若蹲起時經(jīng)歷一段較長時間的勻變速運動，圖像有何變化？對第3問，筆者首先利用Phyphox實驗程序編輯器，將力和加速度同步對比顯示，實現(xiàn)實時可視化。然后，現(xiàn)場演示，得出結(jié)論，即“超重和失重”現(xiàn)象由加速度方向決定，與運動方向無關(guān)。最后，讓學(xué)生體會牛頓運動定律中力和加速度的同步性關(guān)系。筆者分析在課堂上學(xué)生對此的理解、接受效果，發(fā)現(xiàn)學(xué)生情緒高漲，課堂氛圍良好。利用智能手機開展物理實驗教學(xué)有效提升了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的自我效能感。

物理概念與規(guī)律是實驗與邏輯的結(jié)晶。學(xué)生學(xué)習(xí)概念與規(guī)律，得出結(jié)論，需要實驗取證、驗證。學(xué)生要想高質(zhì)量進行實驗，必須解決案例的普遍性和數(shù)據(jù)的真實性兩個問題，但由于課堂時間有限，常規(guī)實驗很難同時解決這兩個問題。當(dāng)物理現(xiàn)象不易觀察，或者使用傳統(tǒng)方法采集實驗數(shù)據(jù)、處理過程繁雜，實驗精度不高時，實驗效果往往不理想。當(dāng)前，視頻分析與數(shù)據(jù)處理的信息技術(shù)軟件眾多，如Video Point、Tracker、Logger pro、Physics Tool Kit、Ecolab 3.0等，其中Tracker軟件具有完全免費、功能強大、操作簡單的特點。它能對研究對象逐幀進行追蹤定位，創(chuàng)建出類似于頻閃照片的效果，支持用戶利用其數(shù)據(jù)分析工具快速、高效獲取實驗數(shù)據(jù)和圖像。以“機械能守恒定律”為例，以往教師多采用演繹推理的方法利用自由落體實驗進行驗證，得出守恒條件。其實，這不符合由特殊到一般、由淺層到深度的規(guī)律探究要求。筆者改進了實驗，在課堂上利用手機拍攝自由落體運動、平拋運動、斜拋運動三段視頻，直接導(dǎo)入Tracker軟件，并借助軟件展示數(shù)據(jù)處理結(jié)果，讓學(xué)生觀察在用鋼球作為研究對象時，各類運動機械能守恒，但用塑料球做研究對象時，運動時機械能不斷減少。如此探究得出守恒條件更令人信服，讓學(xué)生更容易理解守恒定律的內(nèi)涵。

課外，筆者建立移動實驗室，設(shè)計拓展性的項目式學(xué)習(xí)活動，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合真實的問題情境，對生活中常見的物理場景如投籃、碰撞、蹦極等開展自主實驗探究，抽象出各種運動的本質(zhì)特征，并通過智能終端進行交流互動，加深對物理概念和規(guī)律的理解。如此，既能“玩機增智”，提升實驗興趣，又能拓展實驗時空，提升實驗素養(yǎng)。

（四）搭建基于智能工具應(yīng)用的交互場景

作為一種外源性技術(shù)手段，數(shù)智技術(shù)正在重塑實驗教學(xué)的模式和形態(tài)。以“文心一言”“Kimi”等為代表的生成性AI聊天機器人，能夠使用自然語言模型和機器學(xué)習(xí)與人類交流。筆者將“Kimi”等智能軟件作為教學(xué)工具，為每個學(xué)生提供定制化的學(xué)習(xí)支持。在教師指導(dǎo)下，學(xué)生借助多種智能工具和平臺，自主、便捷地獲取豐富的學(xué)習(xí)資源。例如，最美物理實驗之一“密立根油滴實驗——電子電荷量的測定”是電磁學(xué)的重要組成部分，以該實驗為背景的習(xí)題大量出現(xiàn)，由于高中生所學(xué)知識有限，習(xí)題的命制者對實驗過程作了較大的簡化，沒有展示出密立根油滴實驗的精髓之處——電荷是量子化的，即任何帶電體的電荷量只能是e的整數(shù)倍。為彌補不足，在課外項目式學(xué)習(xí)活動中，筆者首先讓學(xué)生與“文心一言”或“Kimi”對話，查詢資料快捷了解實驗原理與過程。個別學(xué)生甚至搜索到密立根的原始手稿數(shù)據(jù)。學(xué)生進一步與AI工具對話，檢索密立根油滴虛擬仿真實驗，其中“豆包”直接提供視頻資料。學(xué)生快捷找到資料，觀看實驗過程理解實驗原理。筆者對原始數(shù)據(jù)進行簡化，還原學(xué)生的數(shù)據(jù)處理過程，讓他們深刻感受物理學(xué)家在探索真知時是怎樣創(chuàng)造性設(shè)計實驗與分析數(shù)據(jù)的，感受思維創(chuàng)新的價值與魅力。

由教學(xué)空間、作業(yè)平臺、學(xué)生端系統(tǒng)組成的智慧學(xué)習(xí)數(shù)智系統(tǒng)具有個性化、開放性等特點，能支持教師開展線上線下一體化、課內(nèi)課外一體化、虛擬現(xiàn)實一體化的全場景實驗教學(xué)。數(shù)智系統(tǒng)與實驗教學(xué)融合有利于教師引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)探究問題，有利于學(xué)生深度學(xué)習(xí)，提高數(shù)據(jù)素養(yǎng)，提升學(xué)生基于證據(jù)得出結(jié)論的實驗探究能力與科學(xué)思維水平。數(shù)智時代，教師要促進課堂模式轉(zhuǎn)換，增強數(shù)據(jù)意識，精心設(shè)計問題，設(shè)計學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)工具、學(xué)習(xí)活動和評價方案，以此增加學(xué)生學(xué)科底蘊，提升教學(xué)水平和教育質(zhì)量。

注：本文系浙江省教育廳教研室大數(shù)據(jù)精準(zhǔn)教學(xué)項目“十四五”立項課題“基于數(shù)智系統(tǒng)的物理實驗教學(xué)研究”（立項編號：ZJKT202214A4536）的研究成果。

責(zé)任編輯：祝元志