高中物理教学中融合信息技术开展科学探究的路径探析

李捷　戴颖

摘   要：在教育信息化2.0背景下，将信息技术融入到实验教学中，探索将信息技术应用于高中物理教学中培育学生科学探究素养。基于大数据精准掌握探究问题、形成猜想和假设；融合技术优化实验探究方案，获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释；应用技术建构多元交流平台，对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思。

关键词：科学探究；信息技术；高中物理教学

《普通高中物理课程标准》指出，高中物理课程应通过多样化的教学方式，利用现代信息技术，引导学生理解物理学的本质，整体认识自然界，形成科学思维习惯，增强科学探究能力和解决实际问题的能力[ 1 ]。信息技术与教学深度融合逐渐成为新课改下现代教育的必然趋势，基于信息技术开展物理教学，能更好地引导学生理解物理学本质、培育科学思维、增强科学探究素养。教育技术学被视为教育学中最前卫、最活跃、最主动、最实用、最富有生命力的学科[ 2 ]。信息技术的迅速发展改变了人们的生活方式，促进了教学方式的变革。新颖的教学模式能更有效调动学生的学习热情，激发学生积极主动地去学习；基于大数据、网络互联、“可视化”技术等信息技术的科学探究活动更精准、更形象、更生动、更高效。

“科学探究”主要包括问题、证据、解释、交流等要素[ 1 ]。基于信息技术围绕问题、证据、解释、交流四个要素在高中物理教学扎实开展教学实践活动，提炼出基于信息技术培育高中学生科学探究素养的策略并应用到教学实践中，可取得良好的教学效果。

1  基于数据精准掌握探究“问题”

“科学探究”中“问题”要素主要指“提出问题”“猜想与假设”两个方面，对于培养高中学生科学探究素养而言，基于大数据能精准掌握探究问题。精准教学可以作为智慧学习生态中的高效教学方法，与精熟学习（Mastery Learning， ML）一起，分别在准确程度与掌握程度两方面支持着智慧教育的发展[ 3 ]。在大数据技术的支持下，教师能够更加及时、准确地掌握学情，能够更有针对性地制定教与学的策略，开展精准教学。

（1）准确掌握学情，精准设计探究问题。教师在科学探究活动前通过大数据能准确掌握学情，精准设计教学情境，启发引导学生有效提出问题。在展开探究教学之前，教师可以利用大数据分析课程内容，采集有效的实验资料，通过对整个实验流程的精准控制明确误差比率，掌握有利于保证实验结果准确性的要领等。教师在全面掌握实验基础上，精心选择实验教学资源、设计精准启发性问题，高效导引学生提出探究问题。

（2）跟踪探究过程，掌握生成性问题。科学探究活动中基于大數据有效跟踪探究过程，启发引导学生提出“猜想与假设”，掌握生成性问题。在互联网大数据快速发展的背景下，数据收集、统计、反馈的软件已非常成熟且使用便捷。课堂教学中应基于数据软件进行及时、精准互动反馈，让课堂教学有更强的针对性[ 4 ]。教师可以利用信息技术记录每个学生的实验探究情况（如：基于信息技术平台统计回答问题的准确度情况、学生科学探究实时问题、学生实验完成情况、困惑问题），生成精准的数据，教师可以实时掌握实验探究过程中的生成性问题，及时调整教学安排，及时开展答疑解惑以及个性化指导。

（3）生成过程数据，解决发展性问题。科学探究活动结束后基于生成的过程数据，科学安排后续教学活动，解决学生发展性问题。在信息技术的辅助下，教师可以建立每名学生的实验学习个人文档，其中详细地记录着学生探究活动的表现，如：实践操作的成功率、与教师的互动次数、回答问题的准确度，直观地反映出每次探究活动的具体表现。教师可以利用大数据进行科学的分析，发现他们的进步和不足之处，明确日后探究教学的具体方向，便于展开个性化辅导，促进后续精准教学的进一步落实，解决教学中的学生发展性问题。

2  融合技术优化“证据”获取方案

“科学探究”中“证据”要素主要指“制定计划与设计实验”“进行实验与收集证据”两个方面。在教育信息化2.0背景下，教师融合技术创新探究教学授课模式，优化探究教学方案，让学生真切地参与到“制定计划与设计实验”“进行实验与收集证据”流程中，培育学生设计探究方案、收集信息、获取证据的能力。

（1）融合信息技术优化探究方案。在教育信息化2.0背景下，教师可以从以下三个方面创新教学方式，优化科学探究教学方案。第一，应用信息技术丰富探究教学资源。教师借助网络搜索、收集、选取图片、视频、动画等多种形式教学资源，既可以更形象、更生动、更高效地开展教学，还可以有效吸引学生的注意力、激发学生学习兴趣，主动参与到科学探究活动中。第二，应用信息技术优化科学探究过程记录和结果展示。师生可以利用信息技术（如影像、数据采集器）对实验过程、现象、结果进行高效、真实记录；利用信息技术（如图片、视频、动画、软件等）对探究过程、实验现象、探究结果等进行高效、真实展示，既形象直观又真实有趣，也方便师生交流探讨。第三，应用信息技术提升科学探究分析的精准性。师生可以利用信息技术（如传感器、数据处理软件、仿真平台）对实验现象、结果进行精准分析，让科学探究活动更加贴近真实生活，引导将所学内容应用到生活实践中，培养学生科学探究精神。

（2）融合信息技术丰富探究过程。科学探究过程中证据的获取可以采取观察、调查、实验等方式。在教育信息化2.0背景下，教师基于信息技术优化实验教学方案可使观察更清楚、调查更准确、实验更高效。第一，基于信息技术（如视频直播、微课、高清图片等）可使科学观察更清楚、更高效。鲁科版高一必修第一册“重力与重心”中“重心与稳定”的探究中，教师可以课前制作微课，课堂引导学生观察：改变（提高、降低）物体重心、改变（增大、减小）接触面积等情况下物体的稳定性，让学生在观察中领会“重心与稳定”的关系，即清楚又高效。第二，基于信息技术（如问卷星、微信、QQ等）可使科学调查更准确、更高效，可以有效弥补传统的科学调查的不足。第三，基于信息技术可使科学实验更精准，比如传感器结合数据处理软件，可以引导学生开展更精确的科学实验，培育学生科学探索精神。

（3）融合信息技术提升证据效度。科学探究过程中极其重要的一个环节就是收集证据（数据），而基于信息技术可提升证据效度，使证据（数据）收集更精准、更可视化、更低成本。利用传感器可以收集到更精准的数据，利用Tracker等软件可以使现象更可视化，仿真模拟技术的使用成本更低且能使学生深入理解难完成、难实现的实验现象。利用信息技术可帮助学生更准确地了解物理现象、理解物理学本质、提升科学思维。以山科版高一必修第二册“运动的合成与分解”为例，教师可用Tracker软件追踪红蜡块的运动。在长为80～100 cm、一端封闭的管中注满清水，水中放一个由红蜡做成的小圆柱体，将管口用胶塞塞紧。而后把它紧贴黑板竖直放置，蜡块会沿着玻璃管匀速上升，做直线运动。然后将玻璃管倒置，在蜡块上升的同时将玻璃管水平向右匀速移动，观察到它是向斜右上方移动的，经过相同的时间回到管底。红蜡块实际发生的运动是这两个运动合成的结果，教师用Tracker软件追踪红蜡块的运动，并建立坐标分别分析水平方向的运用和竖直方向的运动特点，将定性实验进阶到定量研究，引导学生总结出什么是分运动，什么是合运动。

3  应用技术提升“解释”“交流”效益

“科学探究”中“解释”要素主要指“分析与论证”“评估”两个方面，“科学探究”中“交流”要素主要指“交流与合作”。在信息技术的支持下可使得物理实验更加直观、科学、严谨，帮助学生在多元化的实践中获得准确的结论，使用不同方法和手段分析、处理信息，描述并解释探究结果；培育学生具有交流的意愿与能力，能准确表述、评估和反思探究过程与结果，全面培育学生科学探究素养。

（1）应用信息技术丰富“解释”“交流”的手段。《普通高中物理课程标准》指出，要培育学生能使用不同方法和手段分析、处理信息，描述并解释探究结果和变化趋势。应用信息技术能极大丰富“分析与论证”的手段，能用表格、图形、图像呈现信息；能用表格、数学公式高效分析信息；能用动画、软件有效模拟物理情境。在教育信息技术没有得到普及之前，师生实验教学交流时多是利用语言的转述，缺乏一定的直观性，很难准确表达，也很难让师生保持注意力的集中，导致实验教学质量得不到保障。利用信息技术，可以將无法操作、演示的内容、语言不易表达的内容以图画、视频、动画模拟、仿真实验的形式呈现，增强学生对实验过程、现象、结果的了解，提升交流准确性，为物理综合素养的提升打下扎实基础。

（2）利用信息技术增强“解释”“交流”的意愿。在高中物理实验教学中，将信息化技术与课堂教学活动有效融合在一起，不仅符合现代教育的发展趋势，起到优化课堂结构的作用，还能拉近师生间的距离，实现师生随时随地双向交流。提供除了语言以外的多种交流方式，让教师和学生、学生与学生之间有了更多的交流机会和平台。

（3）基于信息技术拓展“解释”“交流”的时空。教师利用信息技术可以进行有效的课前指导交流，帮助学生自主学习，让每个学生在实验前做好个性化准备；利用信息技术进行模拟、仿真能锻炼学生的逻辑思维；利用信息技术制作规范操作视频，可以科学规范指导学生实验操作；利用信息技术可以布置个性化课后作业，促进学生对课程内容形成深层次的理解，实施精准教学；对于物理基础相对薄弱的学生，通过融合虚拟仿真技术能帮助他们加深对实验知识的记忆，锻炼思维的深刻性，实现高效率的教学目标。

另外，基于信息技术培育高中学生科学探究素养要强化“学习中心”地位。可以从以下几个方面着手：第一，注重学生的参与性，通过具体的操作使得学生生成一定的科学思维，学会用辩证的角度思考问题，勇于提出不同的观点或想法，秉持着质疑精神解决实际问题；第二，注重科学探究的整体设计，不局限于教材中提供的信息，让学生参与到科学探究的完整流程中，在充分体验的影响下对物理产生研究兴趣，培养他们的科学探究素养；第三，提高信息技术与科学探究教学融合的重视程度，在信息技术的辅助下开展科学探究活动，培育学生探究素养。第四，需要强化教师提高教师信息技术应用的自觉性和主动性。学校应组织教师对教育信息化2.0背景下的物理科学探究教学进行深入研讨，不仅要让教师意识到信息技术对探究教学的重要性，还要让教师在日常教学中以积极的态度将信息技术应用到到探究教学实践中，基于信息技术开发探究教学资源，利用信息技术合理安排探究教学流程。这对教师自身的专业素养也提出较高的要求，教师应秉持“终身学习”的理念，在不断的研究中为学生呈现高质量的探究教学。

参考文献：

［1］ 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020 年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020（5）：3，5.

［2］ 李芒，张华阳.论教育技术的三大天键矛盾[J].中国电化教育，2022（9）：1-15.

［3］ 祝智庭，彭红超.信息技术支持的高效知识教学：激发精准教学的活力[J].中国电化教育，2016（1）：18-25.

［4］ 李永程.以学生为中心：大数据背景下智慧教学的思考与实践[J].福建基础教育研究，2019（7）：22-23.