实验教学与信息技术的融合创新

江苏省徐州市西苑中学(221000) 杨 涛

1 问题的提出

2019年教育部发布了《关于加强和改进中小学实验教学的意见》，意见指出：“开齐开足开好国家课程标准规定实验，切实扭转忽视实验教学的倾向；拓展创新，不断将科技前沿知识和最新技术成果融入实验教学，丰富内容，改进方式；注重实效，强化学生实践操作、情境体验、探索未知、亲身感悟和创新创造。”可以看到，随着新课改的深入，实验教学对物理教学的重要性越发凸显出来。同时，实验教学也逐渐发展成为落实学科核心素养的有力抓手之一。

遗憾的是，在实际教学中，受制于诸多因素，不少教师对实验教学虽有一定认识，但往往轻于实践。即便付诸行动，也多局限于照搬教材、照本宣科。大部分教材实验固然很好，但考虑到教材编写专家与学生在年龄阅历和认知水平等方面的巨大差异，在设计实验之初，无论怎样严格地遵循中学生的认知心理，也难免出现“子非鱼，所思鱼之惑，非鱼之真惑”的情况。因此，有些教材实验，需要教师根据实际学情以及学生当前的认知水平，进行优化或创新。

有些物理概念和科学规律，教材中缺少相应的实验支撑，教学中也没有可供课堂直观演示的教具。仅靠教师的口头陈述或者阅读书本上现成的结论，没有说服力。这些抽象的物理概念和规律，未经过感性认识和思维的加工，直接上升为抽象的理论，使得逻辑思维较弱的中学生，难以认识复杂的科学世界，掌握其中的规律，造成了物理难教又难学的被动局面。此外，还有部分演示实验，由于可视化程度不高、现象稍纵即逝或者发生的过程极其缓慢，导致学生看不清，甚至看不见，而难以真正地融入到探究活动中来，久而久之便成为课堂里的局外人。

2 信息技术助力物理实验教学的实践案例

2.1 信息技术助力物理概念教学显性化

在初中物理教学中，有相当一部分概念，因生活中缺乏感性的体验，教学中又缺少直观的画面，而晦涩难懂。例如“声现象”教学中，在讲授“声音是一种波”时，笔者发现，即便教材使用了类比法，将声波与水波以及弹簧中的疏密波进行比较，但初学物理的中学生，依旧感到茫然。主要原因在于，学生看不见，也就想不到。然而，能够对声波进行直观显示的示波器，却不属于中小学实验室的标配仪器。为了消除学生的疑虑，帮助其在后续学习中，能够更好地从波形图上区别乐音与噪声、辨析乐音的三要素。笔者借助ipad以及Sonic Tools软件，进行了现场模拟，让每位学生都清楚地看到自己声音的波形。无须赘述，学生对于声音是一种波的说法，坚信不疑。与此同时，学生对如何利用手机或平板电脑，自主进行物理实验的探究，产生了极大的兴趣。如此一来，也能在一定程度上扭转手机对于中小学生的负面影响。

2.2 信息技术助力物理实验现象可视化

在观察“水的沸腾”实验时，既要看气泡，又要听声音，还得计温度，实验本身的操作难度就比较大。再加上实验时，烧杯小、水量少、气泡上升得快。按照常规操作步骤，很难清楚地观测到气泡上升过程中的大小变化。但借助iphone手机自带的拍摄慢动作功能，搭配希沃授课助手，就能完美解决上述问题。只要在实验过程中，对上升的气泡进行慢动作拍摄，通过希沃授课助手APP中的“手机屏幕同步”功能，将“行动迟缓”的气泡，投影至屏幕上，放大给学生观察，教师无需多言，学生一目了然。

摄制好的视频，还可重复播放、调节快慢、局部放大、截图对比，为学生自主分析水沸腾前后的特点，提供了极大的便利。当然，在沸腾前后，借助智能手机或平板电脑上的分贝计APP，更精准地测量声音的响度，用数据说话，听得到更看得到，减少因为人感觉的不可靠，得出“开水不响，响水不开”的错误结论，以致先入为主，难以纠正。

在上述实验中，还可以同步引入数字化信息系统实验室DISLab，将其中数字温度传感器与电脑连接，设定好时间步长，对整个实验过程中的温度变化进行监测，获得更多组数据，并使用Excel或Origin软件进行处理，免去了不间断计时和反复测温的繁琐，获得的图像将更加真实平滑。数字温度传感器还能用于完美再现赫歇尔探究各种色光热效应的实验，以解决实验室的液体温度计精度较低，实验现象不够明显的问题。可见，信息技术的介入，确保了实验现象的完美呈现，让学生能够更加专注于对实验细节的观察，以及对实验现象和实验数据的理性分析。

当然，希沃授课助手的作用，并不局限于能够有效地提高物理实验现象的可视化程度。我们还能充分发挥其强大的交互性，将其应用到习题讲评课以及电学实验教学中。教师在授课过程中，用手机随时抓拍学生出现的共性、典型性问题或者不规范的解题步骤、作图细节以及电路连接的不当之处，实时投屏，让学生“相互找茬”、互相评价。使用APP中的画笔功能，现场勾画、分析原因、纠错订正。随后，再邀请贡献了典型范例的同学，使用APP中的颁奖功能，对同伴的讲评过程进行反向评价。

这样，既活跃了课堂氛围，调动了学生的积极性，提升了学生的课堂参与度，也培养了学生的语言组织及表达能力。同时，避免了仅有教师对学生，或者优等生对后进生的单向评价，让评价主体和评价形式日趋多元化，错题的讲解更具针对性和实效性。作为物理教师，我们应与时俱进，多探索、多研究、多学习、多应用，努力将各类信息技术与日常教学进行有机整合，拓宽它们的应用场景。尤其是在大数据、云计算、图文识别、机器学习、虚拟现实等尖端技术与教育行业日益融合的信息化时代，让技术为教育赋能，让物理课堂和实验教学体现出更多的科技元素，为学生开拓眼界的同时，不断提升物理实验教学的有效性。

2.3 信息技术助力物理实验设计别样化

案例1：学生在“研究气泡的运动规律”实验时，按照教材所给步骤进行实验，很难达到实验预期。究其原因：①气泡运动较快，时间测量难以掌控；②翻转1 m长的玻璃管，学生操作很不方便，且翻转动作引起的晃动，会对气泡运动产生影响。虽然很多研究者都对该实验进行了改进，但鲜有人给出便于教学的新方案。于是，笔者通过细心观察和反复实验，并对信息技术平台进行了有机整合，巧妙使用PicPick软件与升降式投影幕布，创新设计了可供课堂探究的匀速直线运动实验，如图1所示。

图1 匀速直线运动的创新实验

案例2：在学习“大气压强的变化”时，教材直接给出了结论:“研究表明，大气压与海拔高度之间有一定关系。离海平面越高的地方，大气越稀薄，大气压越小。”，缺少相应的实验探究过程和真实数据的支撑。而中学实验室里为数不多的气压计精度又低，不足以让每个学生亲测大气压强，并感受其随客观因素改变而产生的变化。对于相关结论，学生只能勉强接受，但心理上实难认同，不利于学科素养的落实。实际运用时，也常常记反。于是，笔者鼓励学生借助智能手机或iPad等终端设备，以及Phyphox或Barometer软件，同步调用设备内的GPS和高精度气压传感器，对相关结论加以验证。学生只要拿着手机，从1楼爬上4楼，海拔高度增加了约10 m，就能看到软件页面上，大气压强减小了约100 Pa，如图2所示。借此设备还能探究地理位置对g值的影响、磁体周围磁场的强弱分布等众多物理实验，如图3所示。

图2 巧用手机探究气压与高度的关系

图3 使用智能手机巧做物理实验

案例3：超声波和红外线在日常生产生活中应用极其广泛，但在学习这两块知识时，由于一个听不见、另一个看不见，实验室又缺少便于在课堂上直观演示的仪器和教具，对学生的有效学习造成了一定的干扰。鉴于此状况，笔者将开源电子原型平台Arduino以及传感器模块、显示模块、蜂鸣器反馈模块等联合起来，精心设计了超声波测距仪与人体红外感应联合体，如图4所示。借助该自制教具，能实现让听不见的可看，让看不见的可听的效果。既可让听不见的超声波，以距离的方式呈现在屏幕上，帮助学生直观感知超声波的存在，同时更好地理解超声波测距仪的工作原理。还能让看不见的红外线，以警报声的方式呈现出来，帮助学生直观感知红外线的存在。同时，进一步了解生活中众多红外感应装置的工作原理，感受科技魅力。

图4 自制超声波测距仪与人体红外感应联合体

该教具的组件成本低廉，芯片易于编程，产品可重复使用。而且模块化设计，拆装方便，系统的拓展性极强。尤其是在学习到电路相关知识，如：电路的基本组成、电路的连接方式、集成电路、电阻、半导体材料、电位器、电磁继电器等知识时，可根据教学的实际需要，再对系统进行拓展，能极大激发学生的研学兴趣，帮助学生更好地理解其内在原理。实际教学演示时，学生对此兴趣盎然，目不转睛，急切地想要了解更多相关知识。甚至下了课，还有很多学生围过来询问感兴趣的问题，这不正是我们实施有意义教学的起点吗？

当然，条件允许的情况下，还可购置便携式手机热成像仪，将其与手机连接，并实时投屏，更直观地呈现温度不同的物体所辐射的红外线强度，教学效果将更加震撼。

2.4 信息技术助力物理实验探究常态化

每年理化生实验技能考试结束后，理科教师都会发出同样的感慨：学生的实验技能和实验素养欠佳。出现这种现象的原因不外乎学生平时亲自动手实验的机会少，仅靠课堂上的分组实验，既无法保证实验操作的独立性，又很难保障有充足的时间进行实验。在不延长学生在校时间、增加课时量的前提下，如何改变此现状？笔者认为，合理运用信息技术，打破时间、空间以及实验条件的制约，助力物理实验探究常态化，是一种行之有效的策略。

现如今网购非常便利，许多物理实验器材、各种类型的学生实验箱廉价易得，教师不必再担心“巧妇难为无米之炊”，只要为学生搭建好自主研学、互助交流的平台，如建立QQ群、微信群、利用教育主管部门建立的网上备课系统等。依据课标要求和具体教学内容，为学生设计好他们能够自主完成的探究任务，并为他们准备丰富的物理实验数字化资源。如共享Flash、多媒体课件、仿真物理实验室软件，向学生推送全国中小学实验在线平台、江苏省中小学实验在线平台、江苏省“五四杯”优秀微课资源、甚至优秀的自媒体资源等相关网络教育资源，引导其合理运用，辅助自己顺利完成实验探究。当然，学生还可以借助平台，及时反馈在实验探究过程中遇到的各种问题，师生、生生之间，相互解答、分享心得。这样，不但能扩充物理课堂的教学内容、丰富实验教学的形式，还能拓展师生的视野与物理学习的空间。

除此以外，随着通信技术、半导体技术和传感技术的极速发展，以手机为代表的智能电子设备，功能日益强大，其内部集成了光传感器、重力传感器、加速度传感器、气压传感器、磁场传感器、GPS、陀螺仪等各式各样的高精度、高灵敏度传感器。结合各类应用软件，如Phyphox进行合理调用，便能够随时随地完成对多个物理量的测量，简直就是超便携实验室。使用智能手机巧做物理实验，形式新颖，学生乐于尝试、勤于钻研。尤其是在中高考复习阶段，如果教师将已经做过的实验，再完整地重做一遍，一方面时间不允许，另一方面学生觉得自己做过，对教师的“炒冷饭行为”不感兴趣，以致实验复习效率低下。若能利用传感技术、多媒体技术、仿真物理实验室、DISLab数字化信息系统实验室、增强现实技术(AR)等现代信息技术，将实验过程与实验现象换一种崭新的方式快速再现，或者放手让学生在复习课前自主完成，既能节约宝贵的教学时间，又能在激发学生兴趣的同时，唤醒学生的实验记忆，达到良好的复习效果。

3 小结

物理实验教学改革，一直都是教育工作者关注的焦点。随着现代信息技术的飞速发展与广泛应用，教育信息化的程度逐步提高，给物理实验的创新设计和有效教学注入了新的活力。很多以前难以解决的问题，现实条件不容易实现的实验，或者操作过程具有一定危险性的实验，现在都将成为物理教师创新实验教学方式的契机。《义务教育物理课程标准(2011年版)》也在课程基本理念中提到：“鼓励在物理教学中合理运用信息技术”，作为一线教师，唯有转变观念，加强对教育信息技术的学习与研究，努力提升个人信息素养，并在教学实践中，针对学生学的困惑点和教师教的困难点，融合信息技术，加以有效突破，方能真正提升物理实验教学的质量和水平。