高中数字化物理实验“DIS探究课堂”校本课程设计与教学

实验教学是培养学生科学情感态度与价值观的主要途径。信息技术与物理课程的整合催生并发展了数字化实验，为物理教学注入了新的活力。笔者结合教学需求，设计并实施了高中数字化物理实验校本课程，并进行了评估。

一、背景

（一）发展学生物理学科核心素养的需要

核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会需要的必备品格和关键能力，物理学科核心素养是学生通过物理学习内化的带有物理学科特征的品质，主要由物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任四个方面构成。要提高学生物理核心素养，教师需要在物理教学之中注重科学探究，尤其要注重物理实验。在学校数字化物理实验室的帮助下，笔者设计高中数字化物理实验校本课程，并探索提高学生物理学科核心素养的路径。

（二）物理教学有改进的需要

现阶段，一些学校的物理教学还停留在搞题海战术应试的层面，物理教师很少对学生实践能力进行训练，对实验教学不够重视，很多时候将学生实验变成教师演示实验，将教师的演示实验变成口头实验。更有甚者，不做实验而直接进行理论讲解和解题训练。如何除掉这些痼疾，是一项紧迫的任务。设计并实施数字化物理实验校本课程，有望成为一条实质性的革新路径。物理教师开展数字化物理实验，将信息技术与物理教学有机结合，可以丰富物理实验的内容、方法与手段，有利于提高学生学习和创新能力。

（三）高中有开展数字化物理实验的需要

数字化信息系统实验（Digital Information System，简称DIS）通过各种传感器将学生的实验数据导入电脑，可快速、准确、动态地采集实验信息。DIS实验具有稳定、数据读取方便、实验误差小等特点，易于处理数据和绘图，节省实验时间。教师开展DIS实验教学有利于学生将精力放在实验的设计、探究的过程，以及对物理原理的理解和应用上。教师开展数字化实验教学，可创设新型学习环境，丰富探究工具，提高物理实验教学效率，训练学生探究问题的思维，培养学生的科学素养，特别是创新能力。

二、设计

高中数字化物理实验校本课程以高一学生为教学对象，以数字化探究实验为主要课堂载体，故命名为“DIS探究课堂”。笔者以三维立体发展式目标体系为导引（如图1），体系化建构四类课程内容，打造特色课程和精品课程。

（一）课程目标构建

为发展学生物理学科核心素养，促进教师能力发展并带动学校课程建设，笔者创建了三维立体发展式目标体系，让学生、教师与课程交互影响。“三维”代表学生发展、教师发展、课程发展，在图1中分别用轴、轴、轴表示。在课程实施中培养学生的物理学科核心素养，同时推动教师专业水平的提升，进而引领课程建设，三者相互促进，良性发展。

课程教学的核心目标是发展学生能力，具体目标包括：（1）学生通过动手实践了解各类传感器的简单应用方法，增长物理知识;（2）学生独立利用DIS设备完成课程标准要求的物理实验，增强动手能力和科学探究能力;（3）学生按照要求设计探究实验方案并得出实验结论，发展自身的物理学科核心素养。此外，还设定了教师发展和课程发展两大目标：一是教师通过实践，具备独立设计并开设一门优质校本课程的能力;二是通过课程的设计与开设填补本校实验类校本课程空白，编写校本教材。

（二）课程内容设置

根据实验知识、技能、能力等训练目的和功能的标准分类，课程内容包括测量性实验、验证性实验、探究性实验和拓展性实验四类。

1. 测量性实验

学生通过各类传感器对未知的物理量或物理常数进行测定，了解不同传感器的功能，掌握操作方法及注意事项（见表1）。

2. 验证性实验

学生具备基本数字实验技能即可针对已学物理知识或结论设计实验，验证所学知识的正确性，如研究匀变速直线运动、两个互成角度力的合成规律，验证机械能守恒定律等。

3. 探究性实验

在未知知识和规律的情况下，学生通过设计、操作、分析，学习知识，探究规律，如探究弹簧弹力与形变量的关系，加速度与物体受力、物体质量的关系等。验证性和探究性实验课程的设计主要针对必修课程要求的实验。笔者将这部分实验以DIS的形式重新演绎，是对传统实验的补充和强化。主要实验为以下7个（见表2）。

4. 拓展性实验

拓展性实验是以激发学生学习兴趣、联系生活实际为目标的课外探究实验。主要特点如下：（1）实验主题具有开放性。主题可以是教师提出的实验课题，也可以是学生遇到的实际问题;可以是物理学科自身研究主题，也可以是学科融合问题。（2）实验设计具有灵活性。设计基于课堂教学，也可以灵活调整、改编或创新，具有一定的灵活性。（3）对实验主体（即学生及其实验团队）要求较高。学生参与拓展性实验活动，不仅要熟练掌握相关知识技能，而且要有独立思考、合作探究等能力（见表3）。

三、实施

为构建三向立体发展式目标体系，笔者建设高中数字化物理实验校本课程时将学生学习、教师研究与课程开发整合为一体，在学校的校本选修课程中开展教学实践，每次教学（两课时）让学生完成实验的设计、操作、数据处理、误差分析等环节，形成实验报告，最后汇总成为完整的课程资源（校本教材）。

（一）教学模式

如何实施课程？笔者根据四类实验课程的内容要求分别采用四种模式教学。

测量性实验比较常见，如利用位移传感器测量自由落体物体的位移、利用力传感器研究物体在超重失重状态下拉力的变化、利用光电门传感器测量瞬时速度等。笔者通过任务链让学生明确目标，掌握实验仪器的使用方法，让学生通过具体操作获得实验数据，并得到初步的结论（如图2）。

对于验证性实验，如验证机械能守恒定律、验证动量守恒定律等，笔者采用图3所示的模式教学。学生根据实验目的制订实验方案，猜想实验结论，最后用实验数据来检验猜想或假设，并对实验数据的合理性做出初步判断。

对于探究性实验，如探究平抛运动的特点、探究影响向心力大小的因素等，笔者采用图4所示的模式教学。学生从实际出发，提出要探究的问题，再通过实验测量和分析得到初步结论，最后讨论实验现象和结果，达成共识，探究物理规律。

开展拓展性实验时，教师引导学生发现问题、设计方案，并通过实验解决问题。学生参与此类实验需要经历完整的科学探究过程，包括图5所示的七大步骤。首先学生自己发现与物理有关的问题，对问题的答案提出假设或可能出现的实验结果的预测，接着设计实验方案，尝试选择实验方法及所需要的装置与器材，进行实验并完成实验数据的记录、整理，再利用已有的物理知识对数据进行分析、讨论。如果发现问题，学生通过研讨对实验方案进行修正，得到结论，分享心得。

（二）教学策略

在课程实施过程中，笔者探索出四种行之有效的教学策略。（1）注重“动手做”，引导学生经历实验探究过程。课堂上教师一定要鼓励学生动手，让学生真正经历探究过程，培养学生勇于探究的科学精神。（2）强调“我来做”，注重学生亲身设计实验方案。教师要引导学生进行实验方案的“真设计”，避免出现学生按照教师设计好的实验步骤进行“假设计”，只有这样才能调动学生的主动性，让学生体会科学探究的艰辛与乐趣。（3）关注误差分析，注重实验过程中的经验积累。实验数据往往与理论值有一定差异，不必过于追求实验数据与理论值完全一致。恰恰相反，两者不同才是科学的魅力所在。教师引导学生分析数据、找出实验数据与理论值之间产生差距原因更能够体现科学探究的价值和批评质疑的精神。（4）重视评估，促进实验方案和实验结果的修订与完善。完成实验并不是课程的结束。教师应要求学生每次实验后进行反思，就实验方案的完善、实验结果的修订等进行总结交流、深入讨论，帮助学生有所思、有所悟，这样有利于学生消化相关知识并灵活应用。

四、评估

笔者对课程教学的评估既关注过程又关注结果，力求将学习与评估融合，实现以评估促学习。

（一）过程性评价

开展过程性评价，旨在通过搜集学生学习过程中的具体材料，全面了解学生在学习过程中的整体表现。过程性评价基于学生提交完整实验报告开展。

（二）终结性评价

高中数字化物理实验课程与普通物理实验不同，具有开放、灵活、创新等特点。课程终结性评价，不仅关注学生对物理基础知识与基本技能的学习情况，而且强调对学生“发现问题—提出问题—设计方案—自主探究—解决问题”等科学探究素养的考查。教师在学期结束前布置学生设计一个探究实验，并利用实验室的器材完成实验撰写完整的实验报告。具体要求如下：学生根据所学知识提出要探究的问题（尽量联系生活实际），提出设计方案，再利用数字化实验室的器材完成实验，并在课堂上交流实验结果和分享探究体验，由同伴和教师共同给出评价意见。

五、成效

（一）促进学生物理核心素养提升

高中数字化物理实验课程教学激发了学生学习物理的兴趣。教师通过创设良好的学习环境，培养学生的实验探究能力，提高学生的科学素养。在学校实施此课程一年后，笔者对参与课程学习的48个学生进行了访谈。他们非常认同课程在培养科学探究能力的作用，普遍认为动手能力得到提升、探究的意识得到加强，同时对相关的物理知识有了更深的了解，还会查找资料和做一些小实验来验证自己的某些猜想。如格致班的周同学想知道广州地区的重力加速度的准确数值，就向学校借来了分体式位移传感器，利用软件得到了自由落体的-图像并对其进行了二次多项式拟合，最终测得具体数值，之后又尝试用光电门测速度的方法来验证，看两者数据是否一致。可见，此课程的开设在培养学生严谨的科学作风、实事求是的科学精神和自主学习的能力方面起到了很好的作用，是提高学生学科核心素养的有效途径。

（二）开辟教师专业发展的新路径

物理教师不再是定理、定律和公式的“搬运工”，不再局限于应高考之试。今天，教师的眼界更加开阔、工作热情更高、手段更加多样化。参与课程实施的几位教师不仅在本课程中使用这些仪器，而且将这些仪器用到常规教学和公开课的教学中，起到了提升教学效果的作用。教师利用数字化实验这种新的教学手段，能够帮助自身研究新问题，与学生共同发掘和探究物理的奥秘，让教师培训走上与新型技术相结合的道路。

（三）推动数字化实验教学课程化

通过教学实践的积累，数字化实验不仅仅是一节课，而成为一类课程、一种方法、一种理念。我校已将此课程列为精品课程，列入经常开设的校本选修课程。当然，此课程还会发展和完善。信息时代，教师需要重新思考教育教学，依托先进的技术手段促进学生学习能力和科学素养的提高，借助实验课程的舞台形成先进的教育理念。

（作者系广东实验中学高级教师）

责任编辑：祝元志