数字化实验系统与教学平台融合的教学探究

李陈乐　洪鑫

义务教育阶段物理课程注重从生活走向物理。教师应基于学生的生活经验，设计既符合教学逻辑又符合学生认知水平的学生实验，指导学生在实验中建立现象与知识的联系，从而形成对物理世界的基础认知。随着教育信息化2.0时代的到来，数字化实验系统和教学平台的融合应用为物理实验教学注入了新的活力。笔者利用数字化实验系统拓展“匀速直线运动”的实验设计，并与教学平台相融合，应用同屏、互动和推题功能，改进物理实验探究教学方法，以提高教与学的互动性和有效性。

一、教学情况分析

“匀速直线运动”是自然界中最简单的机械运动形式，也是学生学习探究滑动摩擦力的影响因素、牛顿第一定律、二力平衡等知识的重要基础。从物理知识和逻辑上看，“匀速直线运动”实验教学的核心是教师引导学生在单一的测量长度和测量时间的活动的基础上学会系统分析物体的运动状态，并经历综合长度和时间的测量来设计测量速度的实验方案的过程。速度不变的直线运动被称为“匀速直线运动”，从字面上理解“匀速直线运动”是简单的。这种运动状态是理想化的，初中生抽象理解能力不强，对科学认知依赖具象化的实验。教师设计教学活动，应引导学生在充分观察现象的基础上，概括实验事实，在探究中获得证据，形成结论。“匀速直线运动”在生活中并不常见，该实验的设计是教学难点。教学中教师常以装满水的封闭玻璃管中的气泡作为研究对象，分段测量气泡在玻璃管内上升的速度并进行比较，从而引导学生探究“匀速直线运动”的规律。但受封闭玻璃管内气泡上升太快等因素影响，实验效果不理想^[1][2]。

为了弥补以上不足，笔者在探究物体运动规律之前，引导学生交流生活中观察到的直线运动来充分调动学生的认知经验。某学生举出平直公路上汽车行驶的例子，笔者顺势而为，以平直轨道上依靠匀速电动机拉力运动的简易小车为探究对象，引导学生探究直线运动的规律。为了提升教学效果，教师可以借助技术手段将实验设计与生活情境紧密联系起来，立足学生“最近发展区”，渗透从生活走向物理的课程理念。

二、借助数字化实验系统改进实验方法

此课的教学重点是测量小车的运动速度，并且判断物体运动过程中速度是否发生变化。笔者在学生观察小车从轨道末端开始运动后，引导学生基于小车的运动路线、运动方向和运动快慢（即速度）探究小车的运动规律。对于小车的运动路线、运动方向，学生可观察到小车的运动路线是直线，运动方向不变。对于小车的运动快慢，学生无法直接观察、判断，此时笔者指引学生思考如何设计实验方案测量小车的运动速度。笔者调动学生的生活经验，启发他们借鉴演示实验和生活中乘车时经过窗外路旁的行道树的经验来设计实验方案，并进一步引导他们表达观点，说明理由，比较如下两种方案的优劣：方案一，相同路程，测时间比较速度，即选取相同的路程，测量小车通过每段路程所用时间，计算速度加以比较;方案二，相同时间，测路程比较速度，即选取相同的时间，测量相同时间内小车通过的路程，计算速度加以比较。

对于实验方案的设计，笔者给予学生充足的思考时间，关注学生思路的表达。学生通过思考与讨论认为，上述两种实验方案理论均具有可操作性，但是借用刻度尺和秒表分别测量时间和路程，人的反应时间对于小车运动过程中的相同时间的选取影响太大，所以从测量误差的角度选用第一套方案来探究小车直线运动的规律。在常规实验的基础上，笔者进一步启发学生借助技术手段，实现相同时间的选取，并引入灵敏度更高的传感器来实施第二套方案。

（一）借助数字化实验系统拓展实验方案设计

数字化实验系统有很多种，在探究“匀速直线运动”实验中笔者选用的是数字化信息系统实验室（Dislab）。数字化实验装置主要包括两个位移传感器、数据采集器、装有匀速电机和滑块的水平导轨以及装有Dislab软件的计算机，其中一个位移传感器放置在匀速电动机带动的滑块上作为发射端，另一个位移传感器置于轨道上作为接收端连接到数据采集器，并连接Dislab进行数据记录与处理（如图1）。需要说明的是，Dislab软件中有支持用户研究匀速直线运动规律的模块，但其数据处理界面只能采集相应时间间隔的位移数据并直接绘制v-t图像和s-t图像（如图2）。直接利用专用软件无法直接显示物体运动的路程随时间变化的原始数据，学生需要经历探究过程中数据处理的过程，所以教学设计中选用通用软件进行实验。

实验中，学生通过通用软件设置页面，先调零后设置数据采集器采样时间间隔（1 s），调出数据采集的计算表格框，点击自动记录的开始按钮和平直轨道上的匀速电动机开关，使小车运动起来。此时，计算机接收数据采集器传输的位移传感器数据并直接显示采集到的路程和时间数据（如图3），即小车运动路程随时间变化的原始数据。

（二）应用数字化实验软件进行高效的数据处理与分析

在探究过程中，笔者指导学生对原始实验数据进行处理，速度计算，并绘制小车运动的路程随时间变化图像，即s-t图像，并观察s-t图像探究小车运动规律。完成数据采集后，学生应用Dislab通用软件左侧工具栏中的“描点作图”工具直接绘制s-t图像（如图4），并使用“线性拟合”功能对s-t图像进行线性处理（如图5）。学生借助Dislab即时获得小车运动的路程和时间等实验数据，并进行数据处理，随后用分析法和图像法探究“匀速直线运动”规律，以及物体做“匀速直线运动”时通过的路程与时间的关系。

学生在前一节课学习了用刻度尺和秒表分别测量路程和时间进而计算速度的知识。位移传感器的应用丰富了探究活动。师生应用位移传感器采集数据非常精确和便捷。

三、应用教学平台提高探究效率

教学平台的应用有利于丰富课堂教学互动形式。师生使用教学平台相关功能可以进一步提高实验探究效率。本节课，笔者在相应的探究环节融合应用教学平台，流程如图6所示。

（一）应用同屏功能，增强演示实验的可视化

演示实验过程中，笔者利用同屏技术（软件或者手机和电脑之间的屏幕镜像功能），将小车在轨道上运动的实验现象拉近到学生眼前，拓宽他们的观察视野，保证了实验教学的效果。教师还可以应用同屏功能进一步聚焦并放大实验细节，显示并记录实验的动态过程，以提高演示实验的可视化程度，增强学生的体验感，增强实验教学的情境性^[3]。

（二）应用互动功能，增强师生、生生交互性

传统教学模式下，教师通常借助教室多媒体硬件（实物展台）来展示部分平面化的实验报告，但后面和侧面的学生看不清投影屏幕的内容以致展示交流的效果大打折扣。应用教学平台的互动功能，教师与学生、学生之间可以实时主动交流与展示。借助Dislab获得原始实验数据后，学生应用教学平台的互动功能，拍照上传，实现数据共享。

此外，学生也可以将自己学案上的分析内容和绘制好的s-t图像拍照上传。在互动空间中，学生之间可以相互看到实验数据处理的结果。教师可以看到所有小组的实验情况，还能挑选其中具有分析价值的图像让大家讨论，有效引导学生分析与论证、交流与合作。

（三）应用推题功能，测评概念学习的掌握度

本节课，为评估学生对于匀速直线运动的理解程度，笔者设计了概念辨析题，在线推送题目，让学生用平板电脑答题并及时反馈（如图7）。部分学生提交了答案，有8人答错，其中6人错选B选项。做“匀速直线运动”的物体，其速度是恒定的，速度不随路程和时间的变化而变化，只能说该物体运动的路程与时间成正比。答题情况暴露出一些学生对于做“匀速直线运动”的物体的速度与它通过的路程和时间的关系存在认知错误，这可能是由于他们对于速度计算公式的印象根深蒂固造成的。针对系统反馈的情况，笔者及时分析原因，并进行纠正。

笔者应用教学交互平台的推题、自动批阅和统计分析功能，实时对学生进行反馈，提高了教学的时效性。在此过程中，学生能够自测，了解自己对概念和规律的掌握情况。教师可应用教学平台的大数据统计及分析功能进行学情诊断和个性化差异分层指导，从而实现精准教学^[4]。笔者应用教学平台推题功能检测学生对知识的掌握程度做了一次有益的尝试。教学平台的推题与统计反馈功能也可以作为课堂练习的作业设计的有效途径之一进行开发，从而完善教学过程评价与教学结果评价。

Dislab的应用优势在于能够便捷获得较为理想的实验数据，高效助力实验教学，如“匀速直线运动”。本节课的教学过程中，教学平台支持下的课件同屏和直播及互动，有利于师生和生生之间进行交流互动，共享信息。教师借助教学平台实时推送相关概念辨析题，实现人机互动，增强了物理教学的趣味性。教师通过实时推题，在线互动，加深学生对“匀速直线运动”的理解，这样教学符合学生的认知规律。教师应用教学平台的大数据功能，及时获得学生的反馈信息，提高了物理教学的时效性。实施新的教学设计方案，有效优化了物理课堂，教学过程顺畅。

信息技术融入物理教学应服务于教学目标。数字化实验系统和教学平台融合用于改进物理实验设计方案，增强了学生体验，提高了课堂教学效率。教育教学信息化为提升教育教学质量拓展了新的思路，将教学技术和教学策略有效结合起来才能使教与学更有效^[5]。

注：本文系江苏省教育科学“十四五”规划课题“指向创新能力培养的初中物理5E教学模式应用研究”（编号：D/2021/02/155）和常州市教育科学“十三五”规划课题“初中物理实验资源的开发和应用”（编号：CJKL2020239）的阶段性研究成果。

参考文献

[1] 谭世略.匀速直线运动实验方案的研究与改进[J].物理教师，2015（9）：45-46.

[2] 莫滨.对“充水玻璃管中气泡运动实验”的商榷[J].物理实验，2012（7）：17-20.

[3] 焦晓源.利用同屏技术结合应用软件增强课堂教学的情境性[J].物理教师，2021（1）：73-75.

[4] 管小庆，桑芝芳.基于极课大数据下的物理学情诊断和教学优化策略[J].物理教师，2016（12）：70-73.

[5] 胡小勇，朱龙，冯智慧，等.信息化教学模式与方法创新：趋势与方向[J].电化教育研究，2016（6）：12-19.

责任编辑：祝元志