信息技术助力科学实验教学——以“运动和力”主题为例

侯小英 浙江省湖州市吴兴区教学研究与培训中心

邵苑 浙江省湖州市第四中学教育集团

● 问题的提出

在科学教学中，某些实验现象速度过快或者太过微小，学生难以观察。传统的处理方式多是通过观看课本图片、教师预设答案来试图达成学生的“理解”，这造成许多学生缺乏真实体验而被拦在了“认知”的门外。许多学生并不清楚如何获取有效资源来帮助自己完善对知识的理解。刷题成为部分学生唯一的选择，然而枯燥、乏味的讲题刷题扼杀了学生学习的欲望与创新质疑精神，使学生感到惧怕，甚至无感，缺乏探究的内驱力。

《义务教育科学课程标准（2022年版）》提出要“聚焦中国学生发展核心素养，培养学生适应未来发展的正确价值观、必备品格和关键能力”，这对学生的培养提出了更高的时代要求。技术赋能学科教学是用更先进的工具或信息技术手段来帮助学生获取知识的学习方法，有助于教师在理解课程标准的基础上，整合各种学习资源，聚焦学生核心素养的培养。

例如，在初中科学“运动和力”的教学中，由于实际运动过程大多难以在课堂展开且不易被观察，所以学生的学习往往停留在书面知识上，通过对模型图像的分析被动接受对运动规律的认知与分析。学生缺乏亲历的感知，也缺失利用技术突破认知障碍的学习机会，导致自身科学素养的发展存在一定的局限性。而通过信息技术辅助，不仅能真实还原实际情境，辅助揭示科学规律，突破教学难点，还可以为学生创设更丰富的学习体验。下面，笔者以技术软件助力“运动和力”的教学为例，谈一谈信息技术在初中科学实验教学中的重要作用，以实现建构科学思维，延伸科学课堂，提升学生科学核心素养的目标。

● 信息技术助力实验教学的运用思路

信息技术强大的数据记录与分析计算功能为科学实验教学提供了强大助力，以技术之能打破学生学习中的思维壁垒。

①基于“真问题”展开“真探究”，利用视频或动画处理技术分析处理不易观察的实验现象，还原实验过程，建立“可视化”思维。

②利用数字信息处理技术，获得分析图像与数据表格，引导学生进行由定性到定量的数据分析，辅助建构“模型化”思维。

③从技术展现出的信息数据中寻找认知冲突，激发学生对不同观点、结论进行质疑和批判，培养“批判性”思维。

④通过技术衔接，在学习中拓展应用边界，由课内延伸到课外，发展“创新性”思维，在思维建构过程中，不断提升科学素养。

● 信息技术在“运动和力”实验中的应用

1.逐帧动画，建立可视化思维

在运动和力的教学中，蹦极、斜抛等复杂运动问题由于较难展现过程中物体运动方向和速度的瞬时变化情况，成为学生学习中的一大困扰。在传统课堂中，教师借助暂停来体现逐帧动画效果以期给予学生连贯的真实感受，但往往存在着操作不便捷、实际效果不连贯等问题。而通过相机的慢动作拍摄，即可记录下完整的运动过程，实现运动的降速演示，而且通过相机的连拍功能与Photoshop的图层叠加技术，也可实现照片的合成，达成“频闪”的效果，以用于后期教学中的分析。另外，教师还可以利用视频处理软件，通过调节动画的帧率间隔，实现对运动物体每一瞬间的追踪和放大。再加上滤镜效果，不仅可以达成“频闪技术”效果，而且能动态展示频闪的形成过程。这样，从“慢镜头”中直观地呈现物体的变化情况，使实验过程由动态走向静态，由静态走向微格，有效突破视觉局限的认知障碍，帮助学生建立“可视化”思维。

2.数据分析，建构模型化思维

辅助学生实现思维方式由定性走向定量，获得模型建构的能力，是科学实验教学过程中重要的学习目标。

教师可利用信息技术首先对实验过程进行客观记录，并针对视频中的主体进行定格追踪、图像分析，即可促成学生的定性归纳；接着通过信息技术软件的数据处理功能，将获取的测量数据进行整理，自建模型图像，促成数据到规律的思维转化，将信息技术与科学、数感深度融合，帮助学生在数据分析中获取“模型化”思维。

例如，在“实心球投掷”运动研究一课中，笔者以Tracker软件辅助开展实验教学活动，促成学生“模型化”思维建构。具体实施过程如下。

（1）定性分析，归纳运动规律

请一位学生实地投掷实心球，并以视频方式进行记录。接着将视频导入Tracker软件并进行视频数据分析，获取如图1所示的图形分析。图形从上往下依次为Y轴运行位移、Y轴速度和X轴速度，通过横向、纵向的两两对比，学生获得了以下发现：

图1

①在竖直方向上，在实心球先上升后下降的运动轨迹中，Y轴速度经历了“加速—减速—加速”的变化过程。

②在水平方向上，在实心球先上升后下降的运动轨迹中，X轴速度经历了“先增大后减小”的变化过程。

③在第9s时，物体达到最高点，此时球体在竖直方向上的速度为0，水平方向速度达到最大值。

通过读图析图过程，学生学会从图像中提取信息并进行定性分析，初步获得图像模型理解能力，提升科学思维。

（2）定量分析，建构数字模型

《义务教育科学课程标准（2022年版）》的目标中提到，学生在学习的过程中不仅需要获取模型理解的能力，更应有模型建构的能力。同样，通过Tracker软件强大的数据采集和动态分析功能可以轻松帮助学生获取数据，辅助其开展“数字化”模型建构，找寻物体的变化规律。

例如，在“实心球投掷运动”案例中，学生完成图1的图样分析后，通过切换“图形视图”为“表格视图”，添加“X轴距离、Y轴距离、X轴速度、Y轴速度”四个变量，选取16个数据样本，形成数据表格（如图2）。

图2

学生需要结合数据绘制出各个物理量的变化图像，通过对比、分析、测算等方式建构模型。学生对其的建模和分析讨论结果如下：

①当实心球抛出后，X轴位移的抛物线方程为SX=0.0013*t^2-0.23*t+1.2，即在记入空阻的情况下，X轴方向并非做匀速直线运动（非线性关系）。

②当实心球抛出后，Y轴位移的抛物线方程为SY=0.0045*t^2+0.16*t+1.07。

③该学生最远抛掷距离为6.14m，最高高度达到2.51m。

基于初中生的数学水平和科学课程教学要求，教师对学生数据分析的要求仅限于二次及以下函数关系的推理进而得到规律。实际上，该运动过程中涉及的速度变化和加速度变化也是学生关注的点，因此，教师可借助Tracker中的数据工具，现场拟合数据图线得出相关的规律方程。通过速度与加速度的拟合方程，拓宽学生的眼界，为今后的研究和学习打下基础。

3.深度学习，培养批判性思维

学习需要不断反思，要能对不同的观点、结论和方案进行质疑、批判和修正，提出创设性的意见。信息技术软件提供的大量数据让学生在寻找规律时有了发现更多矛盾的可能。通过对这些差异性数据的分析，能激发学生的认知冲突，达成学习深度的进阶。

例如，在“实心球投掷”运动研究中，通过交流与讨论，学生寻找到了以下问题：①当球体离手后，手对球的作用力消失，为什么X轴方向上还会做加速运动？②在球离开手之前，手与球一同向上运动，为什么Y轴方向上速度已开始减小？③当球抛掷至最高点时，Y轴速度变为最小（近乎为0），此时X轴速度反向增加。Y轴和X轴的速度在运动过程中是否为相互影响？④根据X轴与Y轴方向的加速度时刻变化情况得知，两轴的加速度并非为定值。在此过程中，由于速度不同，受到的空气阻力是否时刻都在发生变化？

问题的提出是学生关注逻辑与推理、思考的过程，问题的难易反映了学生数据分析过程中的思维深度。基于这些新的研究问题，继续开展教学能不断完善学生知识体系，提升其科学思维。

4.拓展延伸，发展创新性思维

信息技术的强大数据分析和处理功能不仅能对现有各种现象进行数据分析，而且可基于现有数据对未知情况进行模拟和预测。通过各种软件的拟合方程，既可对现有的运动状况进行判定，又可推演运动的发展趋势。教师可引导学生进行大胆有序的思考，有效突破教学时空的局限，促进学生创造性思维的发展。

笔者曾在课堂中抛出问题：“Tracker软件简便易学，学会后，你会用此软件做什么研究？”学生回答如下。

学生1：我要利用Tracker分析竞赛运动。例如400米赛跑，分析在何时加速能达到全程速度最快，帮助我国运动员提高比赛成绩。

学生2：我要利用Tracker分析蹦极、自由落体运动中高度、速度、能量的转换，帮助调整跳楼机等娱乐设施的运作，规避事故的发生。

通过学生的回答，加上教师的引导、延伸和拓展，能够让学生利用信息技术做出更多实际可操作的分析，以求学科理论与生活实际应用挂钩，进而拓展更多同学的思路，促进其创造性思维的发展。

此外，许多软件操作方便，简单易学，只需要一部手机或一台笔记本，即可随时随地对实验进行记录和分析，降低了学生对实验或现象分析的门槛，辅助学生开展科学探究。例如，在蹦极运动中，在对能量转化过程的分析中，由于学生对整个运动过程中发生的变化较为陌生，不能很好地分析力与速度的变化，故而在分析能量时产生了一定的困扰。此时，只需在家中找出相应替代的物体模拟蹦极过程，拍摄视频再导入视频分析软件即可得到相应的数据。有了详实的数据支撑，学生便有了理解的支持，相关的题目也就不会成为困扰学生的难题。

● 结语

信息技术辅助实验教学既可激发学生的学习热情，也可提高教师的教学效率，让实验教学更生动、更高效、更常态化。常用的物理实验教学软件有Phyphox、Physics Lab AR、Tracker，化学实验教学软件有烧杯、趣味化学实验、Mlabs，生物实验教学软件有形色、人体探秘、生物圈等，有了这些技术支持，学生在科学学科的学习中将会得到更多的助力。