构建数字化学习新场景 探索物理教学新路径

刘林

刘 林：山东省青岛市教育科学研究院教研员、正高级教师、特级教师，中国教育学会物理教学专业委员会理事，教育部普通高中新课程实施“领航计划”培训专家，第六届全国教育装备标准化技术委员会委员。作为核心作者编写高中物理国家立项教材、教师用书5部。主持“基于微视频的高中物理情境化教学改进的实践研究”教学改革项目，成果获山东省2022年基础教育省级教学成果特等奖。带领团队设计“情境—探究—建模—应用—评价”情境化教学改进流程和“目标—情境—任务—评分—评估”情境化试题命制方法，探索“微视频+情境”教学方法，提高了教师命题、选题能力，并为学生课前和课后个性化自主学习提供了资源支持。

我国幅员辽阔、人口众多，经济和教育发展不均衡，而数字化资源的广泛应用有利于加速改善现状。教师借助互联网，跨越时空，改进教学，也必将优化学生自主学习的方式，满足个性化学习需求。《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）指出：“数字媒体已成为物理学习的重要课程资源。物理教学要积极利用已有数字媒体，主动开发适合教学、提高教学质量的信息产品，拓宽物理学习的途径，促进物理教学方式改革。”物理教师应探索课前和课后、线上和线下相结合的自主学习方式，促进信息技术与物理教学深度融合;学生应合理使用数字化教学资源，拓宽物理学习场景。笔者结合高中物理教研经验，探索构建数字化教学场景的有效路径，总结利用数字化资源的可行策略。

一、整合数字图书资源助力学生自主预习

《课程标准》倡导教师充分利用数字图书（材料），为课堂教学和学生课后学习服务，收集数字化资源，整理相关的电子书籍、数据库、数字期刊和网络视频等材料，将获得的资源融入教学设计中，为物理教学服务。课前预习是一种有效的学习方式。教师选取并引入预习过程的数字化资源，目的在于帮助学生学习掌握物理概念或物理规律需要的预备知识，这种资源的形式可以是知识也可以是问题。物理知识在难度、广度和深度上是螺旋式上升的。学生学习了初中物理，对有关概念和规律有了一定的了解，为学习高中物理知识奠定基础。高中阶段，有些章节与初中所学知识关联度较大。课前，教师组织资源，给学生布置自主预习任务，有利于提高教学效率。下面，以“磁场  磁感线”为例，介绍创建课前数字图书资源服务物理教学的做法。

学生在初中学习了关于磁场的基本知识，比如知道磁极间的相互作用规律、磁场是一种物质、几种常见的磁感线分布情况、地磁场分布、安培定则等。教师在讲授高中物理“磁场  磁感线”时，为学生创设自主学习情境，让学生回忆、梳理初中学过的有关磁场的知识，重建知识结构，改变思维方式。教学中，教师借助班级局域网和平板电脑，创建微型电子书，按照“寻访古文明—初识磁现象—求索电与磁—归纳建磁场—探秘地磁场—实践与发明”的顺序呈现内容（如图1）。

“寻访古文明”介绍了古代中国人对磁现象的认识，有《管子·地数篇》“上有慈石者，其下有铜金……”的记载，比古希腊人发现“活铁”早400多年;秦汉时期相关文献记载了“磁石”亦“慈石”;秦朝用磁石修筑阿房宫北阙门;《史记》记载用“五石散”内服治病，将磁石用于医疗;《鬼谷子》记载“郑子取玉，必载司南，为其不惑也”，司南是世界上最古老的指南针;北宋沈括在《梦溪笔谈》中记载磁偏角;等等。教师通过这些史实，引领学生形成物理观念，增强民族自豪感和民族自信心。“初试磁现象”介绍天然磁石的主要成分是Fe3O4，指出当前人们使用的磁体多是用铁钴镍等金属或某些氧化物制成的，以拓宽学生知识面。“求索电与磁”介绍了自然界发生的奇怪现象，比如1681年7月，航行在大西洋的一艘商船遭雷击，结果船上的3个罗盘全部失灵，其中两个罗盘退磁，另一个罗盘的南北指向颠倒;富兰克林在做莱顿瓶放电实验时，意外地发现，钢针被磁化了;还介绍了科学家吉尔伯特、库仑、安培、托马斯·杨与哲学家康德关于“电与磁”的争论，直至1820年，一位具有哲学思维的物理学家、化学家奥斯特发现了电磁之间的美妙联络。“归纳建磁场”介绍了奥斯特实验过程及安培定则的确立经过。“探秘地磁场”介绍了地磁场、磁极、极光、用磁场探索恒星等知识。“实践与发明”介绍了“磁悬浮石头”“超导磁场赛道”“磁悬浮”“小型导电磁场”原理等。

学生通过课前阅读，自主学习了解关于科学家探究磁场的文章、图片和视频等资料;课上通过问题驱动、小组合作的方式，进一步深入理解磁场的相关知识（如图2）。教师这样组织资源、设计教学活动，可以高效地达成《课程标准》中的教学目标：“能列举磁现象在生产生活中的应用。了解我国古代在磁现象方面的研究成果及其对人类文明的影响。关注与磁相关的现代技术发展。”

数字图书资源适用于高中物理“磁场  磁感线”这类章节的教学，这些资源与初中物理知识衔接紧密，既是学生比较熟悉的，又是学生在高中阶段进一步学习相关知识的基础。教师在教学中要针对需要为特定章节编制数字图书，以学生为中心，以培养学生自主学习能力为目的，通过内容定制的方式，促进学生素养提升。

二、利用视频资源优化课堂实验教学

相较于其他学科，学生普遍感觉物理难学。物理概念和物理规律不易理解，物理思维方法不易迁移，投入的学习时间长，导致一些学生对物理科目的选科意愿不强。在高考综合改革省份中，选物理科目人数比文理分科时的人数有所减少，第一批、第二批实施“3+3”高考模式的6个省份中人数减少显著，第三批实施“3+1+2”模式的8个省份中人数略有减少。长此以往，将不能满足高校选拔人才的需要，不能满足高校理工科专业的录取需求，不利于高校专业发展和科技人才的培养。这是否与高中物理的教学方式和学习方式有关？物理概念和物理规律是物理学的基石，是形成物理观念的基本要素。如果学生对物理概念和物理规律理解不透彻，势必造成他们应用物理知识解决问题的能力不强，影响教学质量。对于物理教学，一些教师过分关注知识点的传授和解题方法的训练，存在对物理概念和物理规律的教学设计不科学、呈现的问题情境不充足的问题。此外，部分学校对实验教学不够重视，分组实验的开出率偏低，实验室数量不足，有使用价值的实验器材偏少，导致学生的学习体验不充分，学习兴趣不浓。

《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》指出，要创新实验教学形式，丰富实验教学实施形式，促进传统实验教学与现代新兴科技有机融合，切实增强实验教学的趣味性和吸引力。对于因受时空限制在现实世界中无法观察和控制的事物或现象、变化太快或太慢的过程，以及有危险性、破坏性和对环境有危害的实验，教师可用增强现实、虚拟现实等技术手段演示或呈现。

以人教版高中物理教材必修第二册“万有引力定律”为例，在2020年举行的第八届全国中小学生实验教学说课活动中，慈湖中学的教师进行了数字化教学示范。教材直接给出了实验及结论，即“英国物理学家卡文迪什通过实验测量了几个铅球之间的引力。由这一实验结果可推算引力常量G的值。国际科技数据委员会2014年的推荐值G=6.674 08 （31）×10-11  N·m2/kg2，通常取G=6.67×10-11  N·m2/kg2 ”，但教学中，鲜有教师带领学生做此实验。在这次示范教学中，教师组建了卡文迪许扭秤实验兴趣小组，开启了万有引力常量的探索之旅。教师参照教材上的卡文迪什实验示意图（如图3），选取纯度为99.9%的两个铅球m和两个玻璃球 ，将铅球固定，将玻璃球悬挂。在铅球与玻璃球间万有引力作用下，它们相互缓慢靠近，由此带动扭丝转动。教师架设摄像机，因为铅球和玻璃球间的引力非常小，将拍摄时长设定为100分钟。通过快速播放，学生可以清晰看到玻璃球带动扭丝转动的过程，体会万有引力是客观存在的。教师指导学生测算光源经反光镜反射后光点移动的加速度，得到万有引力常量的数量级大小。教师组织这类课外实践研究活动，对提高学生科学探究素养极为有利。

三、用好情境类数字资源帮助学生理解物理过程

当下，计算机软件因其具有可视化功能和处理能力，已经成为学生新的认知工具。教师应用可视化技术，能够将抽象的知识形象地表达出来，使抽象难懂的物理知识变得生动，有助于提高学生学习效果。学生课后复习并完成作业，难免遇到疑难问题。教师可以选取典型习题，设计讲解过程，提炼解题方法，编写变式题目，并将其录制成数字动画让学生反复观看，帮助学生理解物理概念和规律，掌握典型的解题方法。这样可以减少习题训练数量，根治“机械刷题”和“死记硬背”的顽疾。高中物理习题涉及动态变化问题较多，如带电粒子在电场或磁场中的运动、力学中的平衡问题、抛体运动中的最大射程等。对于这种动态问题，教师使用GeoGebra动态数学软件，可以将物理过程及变化情况清晰表达出来。GeoGebra将几何、代数、表格、图形、统计和微积分汇集在一个易于使用的软件包中，支持教师开展科学、技术、工程和数学教育（STEM）活动，助力学生学习与创新。下面以2020年高考全国理科综合Ⅰ卷第18题为例，介绍如何使用GeoGebra动态数学软件辅助物理教学。“一匀强磁场的磁感应强度大小为B，方向垂直于纸面向外，其边界如图4中虚线所示，ab为半圆，ac、bd与直径ab共线，ac间的距离等于半圆的半径。一束质量为m、电荷量为q（q>0）的粒子，在纸面内从c点垂直于ac射入磁场，这些粒子具有各种速率。不计粒子之间的相互作用。在磁场中运动时间最长的粒子，其运动时间为（    ）。”请从“A.         ;B.         ;C.         ;D.         ”四个选项中选择作答。

此题中的动态变化情况相对复杂，对于学生来说有一定难度。带电粒子在磁场中运动的时间是动态变化的，时长取决于运动轨迹对应圆心角的大小，圆心角越大，运动时间越长。圆心角的大小又与粒子的轨道半径有关，轨道半径不同，粒子的出射点不同。教师讲解这个问题，需要画出粒子的多个动态圆轨迹，而静态纸笔作图不能形象表达连续的动态变化过程，学生不易理解。此时，GeoGebra软件正有用武之地，教师让学生对照着解答提示，查看动态过程（如图5），有助于学生掌握解决动态变化问题的思维方法。除了GeoGebra外，教师还可以应用几何画板、GIF动图、Flash、H5等动态作图软件教学。

四、借助视频资源丰富作业形式

目前教师布置的作业大多是纸笔作业，极少有学校在课外向学生开放实验室，让学生独立或合作探究。教师应适当设计拓展性实验和实践类作业，丰富作业形式，积极创造条件，让学生充分利用校外资源开展科学探究活动，满足学生个性化的学习需求。教师要指导学生操作常用的采集数据的软件，保障课后拓展类实验和实践类作业顺利进行。常见的软件有Tracker、Phyphox等，学生可以通过智能手机和电脑终端采集并处理实验数据，得到实验结论。

师生借助Tracker软件，对导入其中的物理实验视频进行运动轨迹的追踪分析，得出物理量之间的定量关系，研究物理规律。以人教版高中物理教材选择性必修第一册为例，在学生学习“动量守恒定律”后，教师布置实践类作业，让学生拍摄关于桌球碰撞的视频，将其导入Tracker软件中，对两个小球进行定位追踪，测量碰撞前后速度和方向，提取相关数据并导入Excel表格，做数据分析，高效探究了碰撞前后两个小球的动量及其动量变化情况。

以人教版高中物理教材必修第一册为例，“超重和失重”这一节后有一道练习题：“用手机的加速度传感器测量电梯上升中由启动到停止的加速度。请描述此过程电梯的a-t图像是怎样的，再用手机实地测一下看是怎样的。”这是一道非常好的实践类作业题。学生可以使用Phyphox软件测出电梯运动过程的速度、加速度随时间变化的情况，深化对超重和失重现象本质的理解。

人教版高中物理教材中设计了很多拓展性和实践类的题目，教师可以将操作过程录制成视频，供学生参考。“自由落体运动”这一节有一道练习题，要求学生运用自由落体知识，制作一把“人的反应时间测量尺”（如图6）。学生将刻度尺的长度刻度改为时间刻度后，就可以粗略测量人的反应时间。这种改画刻度的方法可以迁移用于电学实验，例如学生给灵敏电流计串联或并联定值电阻，改装电压表或电流表。教师指导学生操作实验，体验过程，掌握研究物理问题的常用方法，培养学生的思维能力。

目前，很多软件易于操作，数据分析快捷且大致能得到物理结论，能有效支持学生实验。笔者调研发现，教师长期坚持设计课后实践类作业和拓展类作业并给予适当指导，能使学生科技创新能力显著提升。

教师基于数字化资源改进教与学，可以培养学生自主学习的能力，让学习真正发生，而要实现这些，需要丰富的数字化资源（库）作支撑。2014年，青岛教研团队创建了“青岛高中物理教研”微信公众号，持续推送多种类型的数字化资源。例如，推送与人教版高中物理教材配套的微课资源，供学生自主预习和课后复习使用;推送高考总复习区域统考试题讲解视频，引导学生自主检测并参考解答;推送拓展性知识及其讲解资料，供有特殊禀赋的学生学习。此外，还推送说课资源，供青年教师提高教学能力使用。团队开发数字化资源，始终坚守三个初衷：一是借助互联网促进教育均衡，呈现实验过程，创设问题情境，引导更多的学生沿着科学探究的路径，建构物理模型，使用数学工具，形成物理观念，掌握研究方法和理论体系;二是满足学生个性化的学习需求，让学生根据学习基础、学习能力、思维方式等自主选择学习内容和学习时间;三是不断优化物理学科教学方法，完善情境化教学模式，让学生学习物理不再艰难，让更多的学生爱上物理，激励他们努力学习，将来回报社会，争取创造更多“从0到1”的原创成果，担当科技兴国的伟大历史使命。

责任编辑：祝元志