基于文献分析谈初中物理数字化课程资源的开发

李春密 潘怀宇 于泽

摘要： 以《中小学数字化教学》中涉及初中物理数字化课程资源开发的论文为样本，研究团队通过文献研究发现三个特点：一是当前数字化课程资源的使用场景和使用环节较少，二是在不同途径下课程资源数字化实现方式的分布不同，三是数字化实验的主题覆盖不全。同时，提出了扩展资源开发载体、增加资源使用环节、丰富数字化方式等建议，促进传统实验与数字化实验优势互补。

关键词：课程资源开发;数字化实验;教学资源利用

《义务教育物理课程标准（2022年版）》强调，学校要重视文本课程资源的开发与利用，加强实验室课程资源的开发与利用，发挥多媒体教学资源的优势。义务教育阶段的物理课程是以实验为基础的自然科学课程，当然离不开实验资源的开发。数字化实验可以优化实验效果，而多媒体软件能将不便开展的实验以模拟仿真的形式生动、直观、安全地展现给学生，丰富物理课程的学习方式。笔者通过文献分析，调查当前数字化课程资源开发现状，了解当前数字化课程资源的资源载体、使用环节、实现技术，明确数字化实验的资源类型和主题分布，为物理教师在教学中开发数字化课程资源提供建议。

一、数字化课程资源开发

笔者研究的数字化课程资源包括两部分：实验中利用的数字化课程资源和多媒体课程资源。笔者采用文献研究和内容分析的方法，以“物理”“实验”等为关键词在《中小学数字化教学》（从2017年至2022年第5期）中检索，在初步排除如“实验学校”等无关文献后，共检索出73篇与物理学科教学相关的文献，其中初中物理占33篇。在排除新型教学模式等不涉及数字化课程资源开发的文献后，将30篇文献确定为研究对象。

（一）数字化课程资源开发的总体特征

笔者使用NVivo 11软件，对30篇目标文献进行词频分析，排除与物理、课程资源开发无关的动词、代词、介词或副词，得到词频前50名的高频词，累计百分比达25.9%，其中高频词中词频最低的“实践”为66次，以词频生成词云图。

笔者对高频词进行共词聚类分析，随着聚类数不断减少，发现词汇主要分布在三大领域七个类别。笔者对各类别内容分析后发现，三类词汇从抽象到具体分别是整体的课程目标、具体的课程资源开发、个别的数字化实验（见表1）。第一个领域的词汇普遍较抽象，如“素养”“资源”“思维”等，文本内容主要与数字课程资源开发的依据、目标和价值相关。在聚类数减少的过程中，它们较早地聚为一类，没有明显的聚类中心，分布均匀（较散），与其他高频词有一定的相关性。第二个领域的词汇比第一个领域较为具体，如“视频”“实验”“虚拟”等频繁出现在教学活动中。此外，第二个领域词频普遍较高，聚类分布较为集中，如“学生”出现次数最多，达1719次，“实验”距离聚类中心最近，出现1387次。第三个领域的高频词随着聚类数减少最后聚为一类，它们数目较少，词频较低，与其他种类高频词相关性较低，位于聚类边缘，离聚类中心较远。因为这些词普遍涉及具体学科领域的数字化实验开发（主要分为力与运动和声学实验），且两个种类的高频词相关性非常高，故被单独设立为一个领域。

（二）课程资源的载体和使用环节

笔者对目标文献中的数字化课程资源开发的载体进行统计，发现只有社会教育资源的开发目前还没有研究文献。具体数量的分布情况见表2（部分文献同时涉及多种资源载体）。此外，资源被用于不同环节。教育资源服务于课前准备、课堂教学、课后作业与考试评价等环节。针对服务环节，统计结果如下：课堂教学，27篇;课后作业，2篇;考试评价，1篇。

（三）课程资源的数字化实现技术

当前数字化课程资源的技术实现方式丰富多样，文献论及18种软硬件。其中，数字化实验室资源中，DISlab因其使用方便，得到较广泛应用，研究文献最多，有8篇文献论及DISlab。文献论及的软件类型多，共9种，但其中Multisim、Algodoo等7种用于构建模型或模拟实验的软件，各只有一篇文献。具体使用情况见表3（部分文献同时涉及多种资源载体下的多项技术）。

（四）数字化实验资源开发

30篇文献中，有21篇涉及实验教学，占比超过2/3，故笔者将课程资源中的实验资源开发作为重点单独列出。

1.数字化实验资源的类型分布

笔者依据《义务教育物理课程标准（2022年版）》规定的课程内容和21个学生必做实验，对实验的类型进行划分，将其分为学生必做实验、其他教学实验和常规教学序列以外的创新探究实验三类。21篇实验论文中有11篇文献研究了学生必做实验。学生必做实验以外其他教学实验论文有13篇共研究了20次实验，涉及实验内容共14项。此外，还有1篇论文研究了创新探究实验：探究磁流体磁感应强度与温度的关系。从必做实验的覆盖角度考虑，研究学生必做实验的11篇文献只覆盖了7项学生必做实验，其中2项为测量类实验，5项为探究类实验，约占全部学生必做实验的1/3。必做实验的研究情况见表4。

2.数字化实验资源的主题分布

物理学科核心素养中物理观念包括物质观、运动和相互作用观、能量观三项。笔者将所有数字化实验研究按《义务教育物理课程标准（2022年版）》确定的课程内容主题类型进行分类（见表5）。笔者发现，运动和相互作用下的两个二级主题的实验个数和研究论文数最多：涉及声和光的实验有7项，涉及机械运动和力的实验有6项。此外，分布较多的还有能量主题的电学实验和物质的属性实验。

二、研究结果与建议

（一）数字化课程资源开发现状与特征

笔者研究发现，当前学校或机构进行数字化课程资源的开发与教学应用，以学生为主体，以实验探究为首要方式，资源的开发基于课程标准，以学生能力和素养发展作为根本目标，在课程中通过实验、视频仿真等手段，开发具体的课程资源，提高教学效果。

从课程资源的载体来看，文本课程资源、实验室课程资源和多媒体教学资源三类课程资源的开发都有论文进行研究，只有社会教育资源处于空白。从使用环节来看，绝大多数课程资源应用仍限于课堂，对课前、课后、学生评价的研究不足。

课程资源的数字化实现技术因载体而异。大多数类型的课程资源实现方式很丰富，存在多种技术且每种技术均有研究者尝试研究开发。对实验室资源的研究集中于DISlab，对手机和电脑的研究相对分散。软件实现方式最多，却大多浅尝辄止，每项技术在该刊中只有一篇文献与之对应。笔者分析发现，造成技术种类多但使用程度浅的主要原因是：许多软件并非教学软件，其操作需要使用者具有一定的编程、建模或数理基础，否则分组与模拟实验内容互动，或者演示困难;一些软件虽然操作简单（如PPT演示），但仿真程度较低，不能真实呈现物理规律的运作。

笔者调查数字化实验资源开发情况，发现数字化实验对学生必做实验的覆盖较少，占总实验研究的比例较低，且数字化实验集中在部分二级主题下。研究者会优先使用传统实验仪器，只有用传统仪器无法完成或效果不理想时，才会开发数字化实验资源，最典型的例子就是因测量声音频率而改进声学实验。这并不意味数字化实验无用，相反，研究者普遍认为相较于传统实验，数字化实验更加方便、精确，并且在发展学生科学思维、信息技术、数据分析能力及学科核心素养上具有独特优势。但由于传统实验仪器的设计原理蕴含对物理规律和科学思维的运用，数字化实验直接得出结果会影响学生达成操作实验仪器、学习物理知识、提升解决问题能力的目标。更现实的说法是，一些传统测量仪器的操作是学生必做实验，其操作流程属于评价考核内容[1]。

（二）讨论及建议

1.丰富资源开发方式，增加资源使用环节

当今，社会教育资源日益丰富，如科技场馆、少年宫、科研院所、高等学校、工厂等机构都可以提供相关资源。信息化具有跨越时间和空间的独特优势，是将这些社会教育资源呈现给学生的最好方式。例如：一些危险或大型实验可以通过视频直播的方式呈现;学生进入科技场馆使用VR进行互动;科学家通过对话会议为教育不发达地区的学生讲授科学前沿知识。研究者针对性进行技术开发，可以帮助有关机构将社会教育资源更加高效地提供给学生。

课程资源可以在课堂教学中使用，也可以用于课前准备、课后作业和学生评价等教学环节。前测可以让教师在课前了解学情，而各种量化软件和统计工具的应用有助于教师通过前测（问卷）获得更多有效信息。教师基于项目反应理论和大数据分析报告，可以明确题库中每道题的难度和考点，根据学生的能力为其提供最符合当前发展需求的个性化课后作业或评价测试。高效运用数字化资源使统计数据更加准确，这样才能更好地提供形成性评价反馈，助力课堂教学。

2.进一步挖掘资源的数字化实现方式

目前，信息技术在实验教学中的应用大多局限在实验室或教室内。笔者建议对智能手机相关的信息技术进行挖掘，将数字化实验带进学生生活。智能手机载有大量高质量传感器，如气压、声音传感器等，研究者可以尝试使用Phyphox等App获取传感器信息，将其运用到生活小实验中。随着技术进步，手机相机具有频闪、高速连拍、慢动作、流光等功能，研究者对其加以挖掘可以优化力与运动类实验的效果。对于仿真模拟实验，研究者应当继续挖掘如Algodoo和NB虚拟实验等专门针对教学开发的虚拟仿真软件的深度应用空间。这些软件操作难度较低，学生易于上手。教师用这种虚拟实验教学，能让学生发挥主体作用参与互动，更好地揭示物理规律。

3.传统实验与数字化实验有机融合

教学中，教师会优先选择传统实验而非数字化实验，但传统实验与数字化实验并非互斥，二者都是实验手段。在各种实验主题下，教师应当根据实际需要扬长避短，选用更有利于学生全面发展的实验仪器。教师可以使用传统仪器让学生从中感悟实验蕴含的科学思维，使用数字化仪器让学生感受数据的细微变化，提高学生处理证据、分析证据的能力[2]。这样才能充分发挥实验教学的优势，激发学生学习兴趣，发展学生核心素养。

信息技术应用于教育教学由来已久，最早是应用传感器、仿真软件教学，最近几年，AR、大数据等技术的应用势头强劲，其蓬勃发展对教育技术的各方面产生深远影响。我国社会经济发展水平不断提高，对教育教学质量的要求也随之提高，信息技术在教育教学中的应用也必将越来越深、越来越广。教育部颁布了《义务教育物理课程标准（2022年版）》，为研究者进行课程资源的开发提供了理论依据，为教师利用课程资源提供了方法指导，也为我国物理数字化课程资源的开发研究注入新的活力。

参考文献

[1] 赵春然，朱孟正.数字化实验系统DISLab与传统演示实验对比研究[J].高师理科学刊，2011（1）：94-96.

[2] 李春密.中学物理实验教学研究[M].北京：北京师范大学出版社，2018.

（作者李春密系北京师范大学教授，义务教育物理课程标准修订组核心成员;潘怀宇系北京师范大学博士研究生;于泽系北京师范大学硕士研究生）

责任编辑：祝元志