混合式教学助力数字化实验

梁喆 李金玲

《义务教育物理课程标准（2022年版）》强调，教师应灵活运用多种教学方式，充分发挥不同教学方式独特的育人功能。混合式教学与物理实验“共振”，催生物理实验学习新范式。混合式教学（对学生而言就是混合式学习）由何克抗教授首次引入国内^[1]。混合式教学是将课堂教学与课外学习融为一体的教学，它需要以数字化教育资源为保障和基础^[2]。也有学者认为混合多种教学理论、教学方法、教学手段、教学风格、教学方式、学习环境的教学都可称为混合式教学^[3]。物理教师依托实验开展混合式教学可激发学生学习动力。在混合式教学助力数字化实验中，教师应用手机物理工坊Phyphox自带的压强和电梯模块，指导学生观测大气压变化，让他们在真实问题情境中重构对气压变化的认识，认识数字化实验应用的意义，有利于探索物理实验的新方式。

一、物理混合式教学亟待解决的问题

教师开展物理混合式教学应摒弃以往工厂式的集中教育方式，以学生为中心实施弹性教育，分级教学，将在线学习和传统课堂学习有机地结合，将虚拟空间与实体体验相结合，兼顾“因材施教”与“有教无类”，实现知识框架的优化与方法迭代的协调统一^[4]。当前的课程教学以班级授课为主，如何将混合式教学模式融合应用于现有的系统中，补齐传统教学的短板，需要教师探索。当前物理混合式教学主要存在如下问题。

（一）陷入混合之困，需要有效落实“双减”政策

物理混合式教学强调学生自主学习，需要保障学生有充足的时间与空间，同时对学生的自主学习能力提出了很高要求。当前，高校物理混合式教学已成常态，中小学尚处于尝试和探索状态。初中生的学习特点突出，如人员集中、时间固定等，但他们自主时间匮乏，自控能力较弱。信息时代，社会、学校、家长都面临如何让学生真实参与、积极探索、自主学习、高效学习等棘手问题。在“双减”政策的背景下，教师探索混合式教学，可以让学生拥有更多的自主时间和空间。

（二）难以把控混合之度，需要规范学生的手机使用行为

学生的混合式学习路径与学习体验相关，教师对于教学过程中线上、线下的融合比例不易把控。线上教学是必备的教学活动，教师不能简单地将其定位为教学活动的辅助或补充。线下教学应是以线上的教学为基础开展的深度教学，而不是复制传统教学。准确合理把握线上线下混合式教学中混合的程度很关键。同时，教师需要规范学生使用智能手机、平板电脑等设备的行为。教师如何把握混合程度，基于经验的感知，或源于学情的判断，又或统筹思维的提升，再或考虑教学的实践，都亟须科学界定。

（三）缺乏精细化切块呈现，需要科学分割视频优化数据分析

对于物理实验教学中一些难操作或危险度高的实验，如托里拆利实验，很多教师会借助视频媒体展示实验。教师连续播放物理实验视频，由于速度太快，导致学生很难迅速吸收，难以明晰各个步骤的因果关系。学生缺乏足够的基础认知加工这一建立因果关系认识的必要步骤，难以生成物理思维的长时记忆。如托里拆利实验，师生可以用水、透明抗压软管探究大气压强的大小，并录制实验过程。教师利用10米多长的管道实验创设真实情境，激发学生探究热情，将视频分割切块，渐进式呈现测量过程中的数据，并进行深度分析，让学生对知识理解更透彻。

（四）不重视专业的完整性，需要科学应用混合式模式开展实验教学

混合式教学应用于物理实验，具有灵活性和变动性，需要教师开展专业的完整的物理教学实践活动。教师以强化物理学科知识的视角，建立以实验探究为主线的教学模式，利用线上线下融合的方式开展物理实验教学，要兼顾线下实验的真实情境性，呈现线上展示的数据科学性和交流互动性，留给学生自主探究实验的时间和空间，允许学生适当张扬个性。教师应用混合式教学模式，设计专业化的物理实验过程和完整的物理实验操作步骤，高效互动，才能更好地因材施教。

二、物理混合式教学助力数字化实验的策略

物理混合式教学如何助力数字化实验？笔者基于2016年德国亚琛工业大学开发共享的手机物理工坊Phyphox（Physical Phone Experiments）探析水气压计的变化（鲁科版教材大气压强），利用传感技术对传统实验进行验证。混合式教学助力数字化实验策略如下。

（一）混合传统与创新视角下促进“对比、分析与思考”

教师将传统实验和创新实验有机混合，可以促进学生对实验可视化的对比、分析与思考。大气压非固定不变，而是随海拔高度升高而减小的。教师直接呈现结果，学生存有疑问。笔者通过交流与调查发现，学生对上述结果并不明确——对于海拔高度差在1 km至12 km范围内的压强变化，学生很难去测量，也无法真实体验。在混合式教学模式下，学生可利用信息技术，联合伙伴协同跨越不同海拔地域，测量压强;也可在同区域小范围高度如1 m至100 m范围内（相当于32层的楼高），探究其升高所引发的气压变化，体验真实情境。笔者带领学生在探究中应用水气压计和Phyphox手机传感器进行研究对比，分析数据，探究大气压问题的，提升物理科学思维能力。笔者通过以上对比和补充，让学生真实参与实验探究活动，提高他们的物理学科核心素养。

（二）混合独立与协作视角下提升“参与、体验与获得”

教师在物理实验中将个体研究与协作探索有机混合，有助于提高学生物理素养。鲁科版教材的“观察与实验”等内容介绍水气压计，关注学生的真实情境尝试，真切探索体验，真正的知识获得。在教师的指导下，学生利用玻璃瓶、橡胶塞、细玻璃管、带颜色的水等材料，将开口的透明吸管标记上刻度（与刻度尺联合使用），穿过橡胶塞并插入水中，从管口向瓶内吹入少量气体，使瓶内气压大于大气压，停止吹气后，水沿吸管上升到瓶口以上。注意：装置气密性要好，要避免受热和挤压影响瓶内气体压强。水气压计实验中仪器从0到92 m高度变化后的玻璃管中液面从3.7 cm到6.5 cm，高度差为2.8 cm，相当于280 Pa，而教材写明海拔3000 m以下，大约每升高10 m，大气压减小100 Pa。实验结果与教材不同。学生静置装置发现细管中液面下降，综合分析后认为是漏气所致。处理装置气密性难度很大。学生改善后再次实验，效果好转，但仍有待提升。实验中，随着高度增加，瓶内气压大于瓶外气压，使得玻璃管内液面上升，效果明显。

（三）混合线上和线下视角下拓宽“分享、讨论与探究”

教师开展混合式教学要以线上与线下融合配置的视角，选择合适的时间、技术以匹配学习环境、资源和活动，让学生形成适合自身需要的能力，达到优化教学方式的目的。学校开展混合式教学需要发挥教师的引导作用，使用适配教学方法和教学手段的技术手段，拓宽分享渠道，加深讨论深度和探究程度，最大限度帮助学生在物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等物理核心素养点上取得显著的学习成果^[5]。在线上线下混合学习的模式下学生的学习更加高效：线下真实参与物理实验，感受物理实验设计的思路和探究的过程;线上利用Phyphox开源App和网站分享相关的测量数据（如图1），共享实验结果，共同分析归纳实验规律。混合式教学让学生在线上线下都可以针对气压随高度的变化进行探讨研究，构建大气压知识。

学生利用Phyphox这个App和互联网，能在电脑上同步共享数据。在测量随高度减小而压强变化的过程中，笔者选择本地一座32层高楼，将Phyphox和电脑通过热点网络连接好，点击开始进行测量（如图2）。随着高度减小（从32楼降至1楼），压强不断增大（从992.1855 hPa升至1003.08673 hPa），转而继续研究随高度变大（从1楼升至32楼），压强不断减小（从1003.0343 hPa降至992.09814 hPa）。在高度差约为92 m的变化中，压强差变化约11 hPa。这些数据是基于智能手机自带传感器测量得到的，传感器精度以及受其他环境因素的干扰等因素，是造成数据偏差的主要原因。未来用户基于Phyphox可以外接传感器，选用精度更高的外置压强传感器实验。

（四）混合生活和应用视角下审辨“操作、尝试与实践”

笔者从生活情境切入，让学生认识水银气压计、金属盒气压计等。学生通过学习大气压强知识后，发现校园中灭火器上的压力表。笔者以此切入，让学生审辨、思考物理知识与生活的联系，感受操作、活动与实践的乐趣，体会物理学习的本真意义。学生通过阅读教材和搜集相关资料，明确测量气压的仪器叫气压计（见表1）。基于托里拆利实验原理测量大气压的仪器被称为水银气压计，该仪器测量数据准确但携带不便;生活常用的气压计是金属盒气压计（无液气压计），该仪器携带方便但测量数据不够精确。教材提到天气变化影响大气压。一般来说，阴雨天大气压会低些，天气晴朗、干燥时大气压会高些。学生通过对知识的学习，在对比生活化的应用中，更能感受物理与生活的紧密联系。

三、物理混合式教学助力数字化实验的思考

教师开展混合式教学应以学生为中心，指导学生掌握知识并进行运用与创造;提高学生能力，培养毅力和科学精神;鼓励学生个性化自主学习，指引学生成为终身学习者^[6]。教师将数字化实验融入混合式教学中，能更好地发挥Phyphox的优势，激发学生的兴趣，培养学生的关键能力。

（一）创新作业方式开拓新范式

创新作业方式是符合当前“双减”要求的。在纸笔作业以外，教师创新数字化实验，并结合实验设计物理知识、规律探究作业，能激发学生的学习动力。学生真实参与实验的设计工作，并亲历数据的收集与处理，对物理学科知识、规律的认识会更加明晰。未来物理学科作业，应当依托物理实验的特色属性，展现对学生动手操作、参与体验、团队协作等能力^[7]，教师可以这种复合型、综合性的新的作业范式，改进实验教学。

（二）引入新视角合理使用手机

手机管理是中小学管理内容之一，也是管理上的难点、痛点。智能手机附带海量信息网络资源，教师需要客观科学公正对待。教师利用Phyphox的开源性网站、App中的互动功能，以及智能手机自带的传感器，可以带领学生及时收集处理数据，不受空间限制地开展物理实验活动，如测量速度、压强、磁场等，这极大改变了家长及师生对智能手机使用的态度和认识。师生和家长要以新视角看待智能手机使用问题，未来学生的学习探索是不能避开网络和信息技术支撑的。

（三）分析实验数据提出新方法

物理实验数据收集后的分析非常重要，师生都应当具备从数据中总结物理规律的能力。Dislab实验器材比较丰富，但价格较高。Phyphox的应用，解决了实验器材难配置的问题，优化了实验数据处理的效果。无论是收集测量结果，还是生成规律曲线，Phyphox足以支持师生开展大量有趣有用的物理实验^[8]。师生应用Phyphox进行实验数据分析、处理非常方便。

（四）融合混合模式尝试新实践

混合式学习是未来学习的主流方式，教师使学习形式、学习内容、学习力、学习者等混融共生是混合式教学的关键尝试。教师应在混合式教学中针对性因材施教，优化班级授课模式，尝试走班制、选修制，在不改变纸笔考试核心地位的前提下，注重学生素养发展，提高他们的学习能力。

混合式教学是未来学校的主流教育方式，注重以学生为中心、个性化定制、全员育人^[9]。混合式教学模式下，适应传统课堂教学的学生能得到发展;未能跟上节奏的学生也可以通过混合式学习来加强知识储备，如此各展其才，人人成功。物理实验的数字化趋势更加贴近生活，这引发师生对Phyphox等工具大胆尝试应用。混合式教学的新模式和数字化实验的新手段支持学生在测量磁场、电场、音调、响度、光强度等方面进行深入研究，甚至拓展到生物学、化学等学科进行跨学科探究。

注：本文系山东省教育科学“十三五”规划2020年度立项课题“初中物理混合式教学生态区块链研究”（课题编号：2020ZC074）的成果。

参考文献

[1] 何克抗.从Blending Learning看教育技术理论的新发展（上）[J].电化教育研究，2004（3）：1-6.

[2] 周雨青，叶善专，朱明.物理教学中使用“混合式”教学模式的实践与瞻望[J].中国大学教学，2010（4）：17-19.

[3] 尹庆丰，耿宜宏.基于翻转课堂的混合式教学设计与实践——以“交变电流”为例[J].物理教师，2021（5）：18-22.

[4][6]迈克尔·霍恩，希瑟·斯特克.混合式学习：用颠覆式创新推动教育革命[M].聂凤华，徐铁英，译.北京：机械工业出版社，2017.

[5] 金羽茜.基于SPOC的初中物理混合式教学设计与应用研究[D].武汉：华中师范大学，2019.

[7] 梁喆.融合项目式与生活化的物理实验教学[J].中小学数字化教学，2018（7）：53-55.

[8] 周祎，马如宝.创设真情境，探究真问题——以phyphox软件为支架的“牛顿运动定律的应用”教学设计[J].物理教学， 2019（8）：2-6.

[9] 梁喆.区块链与空中课堂融合路径探究与展望[J].中小学数字化教学，2022（4）：70-73.

（作者梁喆系山东省淄博市淄川第二中学教师;李金玲系山东省淄博市淄川区双杨镇赵瓦小学教师）

责任编辑：祝元志