李陳樂　洪鑫

義務(wù)教育階段物理課程注重從生活走向物理。教師應(yīng)基于學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)既符合教學(xué)邏輯又符合學(xué)生認(rèn)知水平的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中建立現(xiàn)象與知識(shí)的聯(lián)系，從而形成對物理世界的基礎(chǔ)認(rèn)知。隨著教育信息化2.0時(shí)代的到來，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和教學(xué)平臺(tái)的融合應(yīng)用為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)注入了新的活力。筆者利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)拓展“勻速直線運(yùn)動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并與教學(xué)平臺(tái)相融合，應(yīng)用同屏、互動(dòng)和推題功能，改進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)方法，以提高教與學(xué)的互動(dòng)性和有效性。

一、教學(xué)情況分析

“勻速直線運(yùn)動(dòng)”是自然界中最簡單的機(jī)械運(yùn)動(dòng)形式，也是學(xué)生學(xué)習(xí)探究滑動(dòng)摩擦力的影響因素、牛頓第一定律、二力平衡等知識(shí)的重要基礎(chǔ)。從物理知識(shí)和邏輯上看，“勻速直線運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心是教師引導(dǎo)學(xué)生在單一的測量長度和測量時(shí)間的活動(dòng)的基礎(chǔ)上學(xué)會(huì)系統(tǒng)分析物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并經(jīng)歷綜合長度和時(shí)間的測量來設(shè)計(jì)測量速度的實(shí)驗(yàn)方案的過程。速度不變的直線運(yùn)動(dòng)被稱為“勻速直線運(yùn)動(dòng)”，從字面上理解“勻速直線運(yùn)動(dòng)”是簡單的。這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是理想化的，初中生抽象理解能力不強(qiáng)，對科學(xué)認(rèn)知依賴具象化的實(shí)驗(yàn)。教師設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生在充分觀察現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，概括實(shí)驗(yàn)事實(shí)，在探究中獲得證據(jù)，形成結(jié)論?！皠蛩僦本€運(yùn)動(dòng)”在生活中并不常見，該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)是教學(xué)難點(diǎn)。教學(xué)中教師常以裝滿水的封閉玻璃管中的氣泡作為研究對象，分段測量氣泡在玻璃管內(nèi)上升的速度并進(jìn)行比較，從而引導(dǎo)學(xué)生探究“勻速直線運(yùn)動(dòng)”的規(guī)律。但受封閉玻璃管內(nèi)氣泡上升太快等因素影響，實(shí)驗(yàn)效果不理想^[1][2]。

為了彌補(bǔ)以上不足，筆者在探究物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律之前，引導(dǎo)學(xué)生交流生活中觀察到的直線運(yùn)動(dòng)來充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)。某學(xué)生舉出平直公路上汽車行駛的例子，筆者順勢而為，以平直軌道上依靠勻速電動(dòng)機(jī)拉力運(yùn)動(dòng)的簡易小車為探究對象，引導(dǎo)學(xué)生探究直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。為了提升教學(xué)效果，教師可以借助技術(shù)手段將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與生活情境緊密聯(lián)系起來，立足學(xué)生“最近發(fā)展區(qū)”，滲透從生活走向物理的課程理念。

二、借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法

此課的教學(xué)重點(diǎn)是測量小車的運(yùn)動(dòng)速度，并且判斷物體運(yùn)動(dòng)過程中速度是否發(fā)生變化。筆者在學(xué)生觀察小車從軌道末端開始運(yùn)動(dòng)后，引導(dǎo)學(xué)生基于小車的運(yùn)動(dòng)路線、運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)快慢（即速度）探究小車的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。對于小車的運(yùn)動(dòng)路線、運(yùn)動(dòng)方向，學(xué)生可觀察到小車的運(yùn)動(dòng)路線是直線，運(yùn)動(dòng)方向不變。對于小車的運(yùn)動(dòng)快慢，學(xué)生無法直接觀察、判斷，此時(shí)筆者指引學(xué)生思考如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案測量小車的運(yùn)動(dòng)速度。筆者調(diào)動(dòng)學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)，啟發(fā)他們借鑒演示實(shí)驗(yàn)和生活中乘車時(shí)經(jīng)過窗外路旁的行道樹的經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并進(jìn)一步引導(dǎo)他們表達(dá)觀點(diǎn)，說明理由，比較如下兩種方案的優(yōu)劣：方案一，相同路程，測時(shí)間比較速度，即選取相同的路程，測量小車通過每段路程所用時(shí)間，計(jì)算速度加以比較;方案二，相同時(shí)間，測路程比較速度，即選取相同的時(shí)間，測量相同時(shí)間內(nèi)小車通過的路程，計(jì)算速度加以比較。

對于實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，筆者給予學(xué)生充足的思考時(shí)間，關(guān)注學(xué)生思路的表達(dá)。學(xué)生通過思考與討論認(rèn)為，上述兩種實(shí)驗(yàn)方案理論均具有可操作性，但是借用刻度尺和秒表分別測量時(shí)間和路程，人的反應(yīng)時(shí)間對于小車運(yùn)動(dòng)過程中的相同時(shí)間的選取影響太大，所以從測量誤差的角度選用第一套方案來探究小車直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。在常規(guī)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，筆者進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生借助技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)相同時(shí)間的選取，并引入靈敏度更高的傳感器來實(shí)施第二套方案。

（一）借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)拓展實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有很多種，在探究“勻速直線運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)中筆者選用的是數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（Dislab）。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置主要包括兩個(gè)位移傳感器、數(shù)據(jù)采集器、裝有勻速電機(jī)和滑塊的水平導(dǎo)軌以及裝有Dislab軟件的計(jì)算機(jī)，其中一個(gè)位移傳感器放置在勻速電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的滑塊上作為發(fā)射端，另一個(gè)位移傳感器置于軌道上作為接收端連接到數(shù)據(jù)采集器，并連接Dislab進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄與處理（如圖1）。需要說明的是，Dislab軟件中有支持用戶研究勻速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律的模塊，但其數(shù)據(jù)處理界面只能采集相應(yīng)時(shí)間間隔的位移數(shù)據(jù)并直接繪制v-t圖像和s-t圖像（如圖2）。直接利用專用軟件無法直接顯示物體運(yùn)動(dòng)的路程隨時(shí)間變化的原始數(shù)據(jù)，學(xué)生需要經(jīng)歷探究過程中數(shù)據(jù)處理的過程，所以教學(xué)設(shè)計(jì)中選用通用軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過通用軟件設(shè)置頁面，先調(diào)零后設(shè)置數(shù)據(jù)采集器采樣時(shí)間間隔（1 s），調(diào)出數(shù)據(jù)采集的計(jì)算表格框，點(diǎn)擊自動(dòng)記錄的開始按鈕和平直軌道上的勻速電動(dòng)機(jī)開關(guān)，使小車運(yùn)動(dòng)起來。此時(shí)，計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)采集器傳輸?shù)奈灰苽鞲衅鲾?shù)據(jù)并直接顯示采集到的路程和時(shí)間數(shù)據(jù)（如圖3），即小車運(yùn)動(dòng)路程隨時(shí)間變化的原始數(shù)據(jù)。

（二）應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)處理與分析

在探究過程中，筆者指導(dǎo)學(xué)生對原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，速度計(jì)算，并繪制小車運(yùn)動(dòng)的路程隨時(shí)間變化圖像，即s-t圖像，并觀察s-t圖像探究小車運(yùn)動(dòng)規(guī)律。完成數(shù)據(jù)采集后，學(xué)生應(yīng)用Dislab通用軟件左側(cè)工具欄中的“描點(diǎn)作圖”工具直接繪制s-t圖像（如圖4），并使用“線性擬合”功能對s-t圖像進(jìn)行線性處理（如圖5）。學(xué)生借助Dislab即時(shí)獲得小車運(yùn)動(dòng)的路程和時(shí)間等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，隨后用分析法和圖像法探究“勻速直線運(yùn)動(dòng)”規(guī)律，以及物體做“勻速直線運(yùn)動(dòng)”時(shí)通過的路程與時(shí)間的關(guān)系。

學(xué)生在前一節(jié)課學(xué)習(xí)了用刻度尺和秒表分別測量路程和時(shí)間進(jìn)而計(jì)算速度的知識(shí)。位移傳感器的應(yīng)用豐富了探究活動(dòng)。師生應(yīng)用位移傳感器采集數(shù)據(jù)非常精確和便捷。

三、應(yīng)用教學(xué)平臺(tái)提高探究效率

教學(xué)平臺(tái)的應(yīng)用有利于豐富課堂教學(xué)互動(dòng)形式。師生使用教學(xué)平臺(tái)相關(guān)功能可以進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)探究效率。本節(jié)課，筆者在相應(yīng)的探究環(huán)節(jié)融合應(yīng)用教學(xué)平臺(tái)，流程如圖6所示。

（一）應(yīng)用同屏功能，增強(qiáng)演示實(shí)驗(yàn)的可視化

演示實(shí)驗(yàn)過程中，筆者利用同屏技術(shù)（軟件或者手機(jī)和電腦之間的屏幕鏡像功能），將小車在軌道上運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象拉近到學(xué)生眼前，拓寬他們的觀察視野，保證了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。教師還可以應(yīng)用同屏功能進(jìn)一步聚焦并放大實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，顯示并記錄實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)過程，以提高演示實(shí)驗(yàn)的可視化程度，增強(qiáng)學(xué)生的體驗(yàn)感，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的情境性^[3]。

（二）應(yīng)用互動(dòng)功能，增強(qiáng)師生、生生交互性

傳統(tǒng)教學(xué)模式下，教師通常借助教室多媒體硬件（實(shí)物展臺(tái)）來展示部分平面化的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，但后面和側(cè)面的學(xué)生看不清投影屏幕的內(nèi)容以致展示交流的效果大打折扣。應(yīng)用教學(xué)平臺(tái)的互動(dòng)功能，教師與學(xué)生、學(xué)生之間可以實(shí)時(shí)主動(dòng)交流與展示。借助Dislab獲得原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，學(xué)生應(yīng)用教學(xué)平臺(tái)的互動(dòng)功能，拍照上傳，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

此外，學(xué)生也可以將自己學(xué)案上的分析內(nèi)容和繪制好的s-t圖像拍照上傳。在互動(dòng)空間中，學(xué)生之間可以相互看到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果。教師可以看到所有小組的實(shí)驗(yàn)情況，還能挑選其中具有分析價(jià)值的圖像讓大家討論，有效引導(dǎo)學(xué)生分析與論證、交流與合作。

（三）應(yīng)用推題功能，測評概念學(xué)習(xí)的掌握度

本節(jié)課，為評估學(xué)生對于勻速直線運(yùn)動(dòng)的理解程度，筆者設(shè)計(jì)了概念辨析題，在線推送題目，讓學(xué)生用平板電腦答題并及時(shí)反饋（如圖7）。部分學(xué)生提交了答案，有8人答錯(cuò)，其中6人錯(cuò)選B選項(xiàng)。做“勻速直線運(yùn)動(dòng)”的物體，其速度是恒定的，速度不隨路程和時(shí)間的變化而變化，只能說該物體運(yùn)動(dòng)的路程與時(shí)間成正比。答題情況暴露出一些學(xué)生對于做“勻速直線運(yùn)動(dòng)”的物體的速度與它通過的路程和時(shí)間的關(guān)系存在認(rèn)知錯(cuò)誤，這可能是由于他們對于速度計(jì)算公式的印象根深蒂固造成的。針對系統(tǒng)反饋的情況，筆者及時(shí)分析原因，并進(jìn)行糾正。

筆者應(yīng)用教學(xué)交互平臺(tái)的推題、自動(dòng)批閱和統(tǒng)計(jì)分析功能，實(shí)時(shí)對學(xué)生進(jìn)行反饋，提高了教學(xué)的時(shí)效性。在此過程中，學(xué)生能夠自測，了解自己對概念和規(guī)律的掌握情況。教師可應(yīng)用教學(xué)平臺(tái)的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析功能進(jìn)行學(xué)情診斷和個(gè)性化差異分層指導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)教學(xué)^[4]。筆者應(yīng)用教學(xué)平臺(tái)推題功能檢測學(xué)生對知識(shí)的掌握程度做了一次有益的嘗試。教學(xué)平臺(tái)的推題與統(tǒng)計(jì)反饋功能也可以作為課堂練習(xí)的作業(yè)設(shè)計(jì)的有效途徑之一進(jìn)行開發(fā)，從而完善教學(xué)過程評價(jià)與教學(xué)結(jié)果評價(jià)。

Dislab的應(yīng)用優(yōu)勢在于能夠便捷獲得較為理想的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，高效助力實(shí)驗(yàn)教學(xué)，如“勻速直線運(yùn)動(dòng)”。本節(jié)課的教學(xué)過程中，教學(xué)平臺(tái)支持下的課件同屏和直播及互動(dòng)，有利于師生和生生之間進(jìn)行交流互動(dòng)，共享信息。教師借助教學(xué)平臺(tái)實(shí)時(shí)推送相關(guān)概念辨析題，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)，增強(qiáng)了物理教學(xué)的趣味性。教師通過實(shí)時(shí)推題，在線互動(dòng)，加深學(xué)生對“勻速直線運(yùn)動(dòng)”的理解，這樣教學(xué)符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。教師應(yīng)用教學(xué)平臺(tái)的大數(shù)據(jù)功能，及時(shí)獲得學(xué)生的反饋信息，提高了物理教學(xué)的時(shí)效性。實(shí)施新的教學(xué)設(shè)計(jì)方案，有效優(yōu)化了物理課堂，教學(xué)過程順暢。

信息技術(shù)融入物理教學(xué)應(yīng)服務(wù)于教學(xué)目標(biāo)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和教學(xué)平臺(tái)融合用于改進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，增強(qiáng)了學(xué)生體驗(yàn)，提高了課堂教學(xué)效率。教育教學(xué)信息化為提升教育教學(xué)質(zhì)量拓展了新的思路，將教學(xué)技術(shù)和教學(xué)策略有效結(jié)合起來才能使教與學(xué)更有效^[5]。

注：本文系江蘇省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃課題“指向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的初中物理5E教學(xué)模式應(yīng)用研究”（編號(hào)：D/2021/02/155）和常州市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“初中物理實(shí)驗(yàn)資源的開發(fā)和應(yīng)用”（編號(hào)：CJKL2020239）的階段性研究成果。

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責(zé)任編輯：祝元志