物理線上實驗教學模式的探索

陳勝平 黃志高 陳宗榮

摘? ?要：本文基于疫情帶來的對教學模式的變革，就線上教學中物理實驗教學模式未來的變革提出方案設想，以期改變傳統線下教學的弊端，讓學生不管在設計實驗還是操作實驗方面都能擁有更大的自主性，獲得更完善的認知體驗。

關鍵詞：線上教學;實驗教學;自主實驗

突如其來的新型冠狀疫情深刻地改變了當代教育模式，在“新冠”背景下的課程多依賴線上教學，學生的學習效果在這種背景下不僅受到課程教學的影響，更取決于其自學能力。疫情終將結束，但這種新的教育模式帶來的思考有助于引導對中學教學改革的探索。

對于物理學科而言，相較于其他內容，在疫情中物理實驗探究部分往往會受到“線上教學”+“自學”模式的影響，或導致無法直接觀察到教師對實驗的演示，或無法親身參與實驗過程，而無法產生良好的學習效果。在這次疫情中，學生離開學校實驗室提供的完備實驗條件與教師的引導示范，往往就無法完成相關實驗要求，暴露出來的是傳統物理實驗教學對學生自主實驗操作以及實驗設計能力培養的不足。在傳統的學校教育中，學生往往只能根據教科書已有的實驗按部就班地進行實驗，缺乏自主設計實驗的能力，同時，進行實驗的時候往往由教師在旁邊“保駕護航”，缺乏自主進行實驗并去犯錯之后克服困難的機會。本文結合中學物理實驗特點與目前中外高校已有的改革成果，借鑒于高校“慕課資源+仿真實驗+設計研究+趣味演示”的居家實驗方案[ 1 ]，以疫情下的線上物理教學變革趨勢為根據，對疫情之后中學物理線上實驗教學改革方向進行探索。

1? 中外高校對疫情下物理實驗教學的改革

美國高校在疫情中采取的物理實驗課程教學主要有以下五個方面[ 2 ]：（1） 觀看實驗教學視頻+數據處理;（2） 讓學生做仿真模擬;（3） 基于智能手機的實驗;（4） 讓學生在家做探索課題;（5） 利用已有的遠程實驗。可以看出來，這種新的實驗教學模式充分利用了線上教學的優勢，但也需要學生擁有較高的自主學習能力才可以保證較好的教學效果。

結合國內教學特點，不少高校都借助這次疫情的機會，對物理教學改革作出了探索[ 3 ]，如東南大學將在線課程+在線直播+宅家實驗+虛擬仿真的形式相結合。東北大學強調將物理實驗帶進生活，同時融入思政元素。這些探索取得的積極成果值得中學物理實驗教學改革時借鑒。但是，中學物理實驗教學有其特點，如中學實驗往往更貼近生活，中學生也更依賴于直接經驗去探索實驗。所以，中學物理實驗可以借鑒于高校物理實驗，但必須要結合自身的特點。

2? 方案的制作背景

2.1? 疫情下線上教學為主的教學模式的優勢及其限制

這次疫情中，線上教學模式獲得了廣泛的重視，在線下教學無法順利展開的情況下，大多數學校與教師選擇了線上開展教學工作。線上教學絕不是線下教學單純的替代品。就物理實驗教學而言，借助于線上資源，學生可以對物理實驗有更多的理論了解，借助仿真實驗平臺，學生可以體驗到一些在實驗室中所不能完成的實驗。因此，有理由相信，在這次疫情結束之后會有更多的教育者在實驗教學的過程中進行線上資源利用的探索。

疫情下的物理實驗教學模式也有其不足，例如，無法演示實驗，無法讓學生動手操作實驗，這無疑極大地阻礙了中學生對實驗直接經驗的獲取，而且線上教學也極為強調學生的自主能力，對教師的引導方式提出了更高的要求。

2.2? 近幾年線上教育資源的快速發展提供了客觀條件

得益于互聯網的高速發展，雖然目前并沒有如高校慕課般完整的中學共享課程平臺建設，但學生在教師的引導下足以通過網絡來獲取所需物理實驗的理論知識。同時，在教師的教導下學習仿真平臺的實驗，通過對仿真平臺的使用，達到對實驗操作的一定認識。

2.3? 傳統物理實驗教學存在著不足

一直以來，傳統教學模式下物理實驗教學的不足與漏洞就廣為教育者所探討，在這次疫情考驗下，傳統物理實驗教學的不足更是暴露無遺：學生缺乏親身動手做實驗的充足經驗，在疫情環境下，如果要讓學生居家自主進行一個實驗，往往會遇到各種困難;缺乏實驗設計能力，學生大多只能完成教科書中給定的實驗，而因為家中實驗條件不足，學生難以完成很多書中的實驗，這時就考驗到了學生實驗設計能力與教師啟發學生設計實驗的教學引導能力。

本方案著重利用線上教學的優勢，啟發引導學生進行實驗設計，居家進行實驗操作，獲得實驗的直接體驗，以期能對物理實驗教學改革帶來新的思考。

3? 線上物理實驗教學方案

第一階段：利用線上資源及在線教學，自學實驗理論。

進行實驗探索的基礎是具有一定的實驗理論。在這一階段里，學生課前通過教師推薦的慕課資源可以全面地了解到各方面的相關實驗理論，上課過程中可以更快地理解教師對實驗理論的講解，提高教學效率。

在這一階段中，需要注意的是，教師要有選擇地推薦給學生合適的課程資源，既要能夠滿足教學需要，也不能超出學生的認知層次，同時還要注意慕課資源要適量，不能給學生增加負擔。

此外，因為線上教學互動性的缺乏，教師在課上對實驗理論的講解要能夠深入淺出，課后要及時與學生溝通，了解學情，以便下一步的教學安排。

第二階段：演示實驗階段

學生對實驗的直接觀察是其探索物理實驗的有效途徑。因為線上教學的限制，在這一階段教師往往需要借助慕課讓學生直觀了解實驗步驟，上課過程中可以借助仿真工具對實驗進行再次講解。

不過，中學生因為認知限制，往往無法通過仿真實驗獲得較好的學習體驗與感受，所以一些簡單實驗，特別是初中的簡單實驗，教師應盡量地嘗試借助各種條件完成實物實驗演示以讓學生獲得對實驗的完整認知，同時提高其對物理探索的興趣。

第三階段 啟發物理實驗設計階段

因為條件的限制，很多教材中的實驗學生無法在家中自己動手進行，但這也同時是啟發學生對實驗進行自主設計的機遇。線下教學時，在實驗條件充分的情況下，教師往往忽視對學生自主實驗設計能力的培養，而這次新冠疫情讓很多教師意識到了教材特別是高中教材中的實驗偏離生活的問題，同時認識到了啟發學生自主設計實驗的必要性。

中學生因為能力不足等原因，往往無法完全自主設計出一個可行性實驗，需要教師進行必要的引導。這里以“驗證力的平行四邊形法則實驗為例”，在教材中，這個實驗需要用到彈簧測力計測出拉力的大小，那么在家中是不是無法進行這個實驗呢。其實09年的山東高考卷就提供了一個思路：

實驗器材：三條相同的橡皮筋和若干小重物，以及刻度尺、三角板、鉛筆、細繩、白紙、釘子

實驗操作：將兩條橡皮筋的一端分別掛在墻上的兩個釘子A、B上，另一端與第三條橡皮筋連接，結點為O，將第三條橡皮筋的另一端通過細繩掛一重物.不斷改變重物質量，但不能過大，測量出橡皮筋的原長以及懸掛重物后橡皮筋的長度，記錄懸掛重物后結點O的位置。

利用胡克定律測出各力的大小和方向，做出各力的圖示，在誤差可允許范圍內探究力的平行四邊形法則。

進行這個實驗之前，學生已經學習過胡克定律，具備進行實驗設計的理論基礎。進行這個實驗時要注意橡皮筋要處在彈性誤差之內。不可避免的是，這個實驗相比于教科書中的實驗誤差將會更大，但是它不但能啟發學生對物理實驗設計的思路，其應用的轉換法思想更是能打開學生探索實驗的新思路。

相較于高中物理實驗，初中的很多實驗不需要專門的實驗器材也可以在家中進行，如探究動能的影響因素實驗，探究壓強影響因素實驗，但還是有部分實驗是需要彈簧測力計、壓強計等專門實驗器材。這里以探究液體壓強的因素實驗為例，在教科書中的實驗需要壓強計來測定液體的壓強，而學生在家不具備使用壓強計的實驗條件，這時候就需要啟發學生自主去設計實驗，如引導學生思考用一個水瓶以及鐵釘如何進行這個實驗：可以在瓶中裝滿水之后再用鐵釘在瓶的不同高度處打出小孔，觀察水柱的射程，以此來探究液體壓強與液體深度的關系。

其實設計能在生活中探索書上的物理知識的實驗并不難，很多創新實驗題都會提出一些思路方法，但是教師在講授這些題目時，往往只是傳授解題方法而忽略了讓學生自己去親身進行這些實驗，打開思路。這次疫情想必會讓教學者更多地思考傳統教學方法的不足。

第四階段：學生動手做實驗。

獲得直接經驗是中學生實驗探索的最有效途徑。

在學生進行實驗設計后，教師對實驗操作中的難點以及注意點進行必要的講解，可以布置非強制性的作業，讓學生進行實驗并拍攝視頻，每次留給學生進行實驗作業的時間宜長不宜短，讓學生有充足的時間去犯錯與嘗試，在學生進行實驗的過程中，教師要鼓勵學生提問并對其困難進行引導解決。

在學校中，學生能夠在教師的引導下不犯過多錯誤地將實驗順利地進行。如上述的液體壓強的實驗，如果先扎孔再裝滿水是觀測不到明顯現象的，同時，該實驗如果拿來探究液體壓強與密度的關系，現象也是較為不明顯的。在學校中，因為課程時間的原因，教師或者在演示實驗時只會講大體的實驗操作步驟，又或者在學生進行操作之前就將易錯點告訴學生，因此，在傳統的學校教育中，學生是很少有犯錯的機會的。但是，居家進行實驗，教師在講解實驗步驟后，剩下的實驗過程完全交由學生自主進行探索。在這個過程中，學生不可避免地會犯大量錯誤，遇到大量挫折。毫無疑問的是，經歷過這些錯誤與挫折之后，學生才能感受到真正物理實驗的魅力所在，物理實驗從來不是一帆風順，讓學生居家自主地進行動手實驗，學生將能夠得到真正的成長。

第五階段：師生分享交流。

居家實驗極大地強調了學生學習的自主性，然而學生的自主探索不可避免地會遇到各種阻礙與困惑，如果不得以解決，將會影響到學生學習的積極性與下一階段的學習效果。所以，教師需要利用課后時間了解學生在實驗中遇到的困難并予以解決。

在學生提交完作業之后，教師可組織分享會，讓學生充分展示其實驗成果，滿足學生成就感，激發學生進一步探索動機的同時，鼓勵學生間相互學習;教師也可以鼓勵學生分享其實驗操作中遇到的困難或者其失敗的實驗經歷，師生共同探討失敗的原因與解決方法，在此過程中，可以培養學生在科學探索中克服困難的精神與不斷進步的信心。

4? 此方案實施過程中應注意的一些問題

（1）雖然居家實驗大部分的實驗探索過程由學生自主進行，但教師的必要引導必不可少。教師要注意實驗的難點，并在學生進行實驗之前講解。

（2）居家實驗要基于學生已有物理知識基礎。而且因為以學生自主探索為主，所以不能對學生提出過高要求，甚至往往要放低要求，給與學生容錯空間。

（3）實驗任務要適量，要結合教學進程，做到將物理知識與居家實驗二者的有機融合。

5? 啟發與思考

新冠疫情下的物理實驗教學受到非常大的挑戰，但是也不失為改良物理實驗教學的機會。我們應該培養的是學生的綜合實驗能力，包括對學生實驗設計，實驗操作，科學精神的培養，而不應將其看做教學任務。疫情終會過去，但是其帶來的對教學改革的思考與實踐仍有著極大價值。

參考文獻：

[1]唐艷妮.李雪琴，趙云芳，等.疫情中的大學物理實驗線上教學探索[J].物理實驗，2020，40（5）：31-35.

[2]樂永康.新冠肺炎疫情下美國物理實驗教學及中美情況對比[J].物理與工程，2020（4）.

[3]教育部高等學校大學物理課程教學指導委員會，教育部高等學校物理學類專業教學指導委員會，教育部高等學校天文學類專業教學指導委員會等.關于新冠肺炎疫情防控期間物理類課程線上教學的調查報告[J].物理與工程，2020（2）.