混合式教學助力數字化實驗

梁喆 李金玲

《義務教育物理課程標準（2022年版）》強調，教師應靈活運用多種教學方式，充分發揮不同教學方式獨特的育人功能。混合式教學與物理實驗“共振”，催生物理實驗學習新范式?；旌鲜浇虒W（對學生而言就是混合式學習）由何克抗教授首次引入國內^[1]?；旌鲜浇虒W是將課堂教學與課外學習融為一體的教學，它需要以數字化教育資源為保障和基礎^[2]。也有學者認為混合多種教學理論、教學方法、教學手段、教學風格、教學方式、學習環境的教學都可稱為混合式教學^[3]。物理教師依托實驗開展混合式教學可激發學生學習動力。在混合式教學助力數字化實驗中，教師應用手機物理工坊Phyphox自帶的壓強和電梯模塊，指導學生觀測大氣壓變化，讓他們在真實問題情境中重構對氣壓變化的認識，認識數字化實驗應用的意義，有利于探索物理實驗的新方式。

一、物理混合式教學亟待解決的問題

教師開展物理混合式教學應摒棄以往工廠式的集中教育方式，以學生為中心實施彈性教育，分級教學，將在線學習和傳統課堂學習有機地結合，將虛擬空間與實體體驗相結合，兼顧“因材施教”與“有教無類”，實現知識框架的優化與方法迭代的協調統一^[4]。當前的課程教學以班級授課為主，如何將混合式教學模式融合應用于現有的系統中，補齊傳統教學的短板，需要教師探索。當前物理混合式教學主要存在如下問題。

（一）陷入混合之困，需要有效落實“雙減”政策

物理混合式教學強調學生自主學習，需要保障學生有充足的時間與空間，同時對學生的自主學習能力提出了很高要求。當前，高校物理混合式教學已成常態，中小學尚處于嘗試和探索狀態。初中生的學習特點突出，如人員集中、時間固定等，但他們自主時間匱乏，自控能力較弱。信息時代，社會、學校、家長都面臨如何讓學生真實參與、積極探索、自主學習、高效學習等棘手問題。在“雙減”政策的背景下，教師探索混合式教學，可以讓學生擁有更多的自主時間和空間。

（二）難以把控混合之度，需要規范學生的手機使用行為

學生的混合式學習路徑與學習體驗相關，教師對于教學過程中線上、線下的融合比例不易把控。線上教學是必備的教學活動，教師不能簡單地將其定位為教學活動的輔助或補充。線下教學應是以線上的教學為基礎開展的深度教學，而不是復制傳統教學。準確合理把握線上線下混合式教學中混合的程度很關鍵。同時，教師需要規范學生使用智能手機、平板電腦等設備的行為。教師如何把握混合程度，基于經驗的感知，或源于學情的判斷，又或統籌思維的提升，再或考慮教學的實踐，都亟須科學界定。

（三）缺乏精細化切塊呈現，需要科學分割視頻優化數據分析

對于物理實驗教學中一些難操作或危險度高的實驗，如托里拆利實驗，很多教師會借助視頻媒體展示實驗。教師連續播放物理實驗視頻，由于速度太快，導致學生很難迅速吸收，難以明晰各個步驟的因果關系。學生缺乏足夠的基礎認知加工這一建立因果關系認識的必要步驟，難以生成物理思維的長時記憶。如托里拆利實驗，師生可以用水、透明抗壓軟管探究大氣壓強的大小，并錄制實驗過程。教師利用10米多長的管道實驗創設真實情境，激發學生探究熱情，將視頻分割切塊，漸進式呈現測量過程中的數據，并進行深度分析，讓學生對知識理解更透徹。

（四）不重視專業的完整性，需要科學應用混合式模式開展實驗教學

混合式教學應用于物理實驗，具有靈活性和變動性，需要教師開展專業的完整的物理教學實踐活動。教師以強化物理學科知識的視角，建立以實驗探究為主線的教學模式，利用線上線下融合的方式開展物理實驗教學，要兼顧線下實驗的真實情境性，呈現線上展示的數據科學性和交流互動性，留給學生自主探究實驗的時間和空間，允許學生適當張揚個性。教師應用混合式教學模式，設計專業化的物理實驗過程和完整的物理實驗操作步驟，高效互動，才能更好地因材施教。

二、物理混合式教學助力數字化實驗的策略

物理混合式教學如何助力數字化實驗？筆者基于2016年德國亞琛工業大學開發共享的手機物理工坊Phyphox（Physical Phone Experiments）探析水氣壓計的變化（魯科版教材大氣壓強），利用傳感技術對傳統實驗進行驗證?；旌鲜浇虒W助力數字化實驗策略如下。

（一）混合傳統與創新視角下促進“對比、分析與思考”

教師將傳統實驗和創新實驗有機混合，可以促進學生對實驗可視化的對比、分析與思考。大氣壓非固定不變，而是隨海拔高度升高而減小的。教師直接呈現結果，學生存有疑問。筆者通過交流與調查發現，學生對上述結果并不明確——對于海拔高度差在1 km至12 km范圍內的壓強變化，學生很難去測量，也無法真實體驗。在混合式教學模式下，學生可利用信息技術，聯合伙伴協同跨越不同海拔地域，測量壓強;也可在同區域小范圍高度如1 m至100 m范圍內（相當于32層的樓高），探究其升高所引發的氣壓變化，體驗真實情境。筆者帶領學生在探究中應用水氣壓計和Phyphox手機傳感器進行研究對比，分析數據，探究大氣壓問題的，提升物理科學思維能力。筆者通過以上對比和補充，讓學生真實參與實驗探究活動，提高他們的物理學科核心素養。

（二）混合獨立與協作視角下提升“參與、體驗與獲得”

教師在物理實驗中將個體研究與協作探索有機混合，有助于提高學生物理素養。魯科版教材的“觀察與實驗”等內容介紹水氣壓計，關注學生的真實情境嘗試，真切探索體驗，真正的知識獲得。在教師的指導下，學生利用玻璃瓶、橡膠塞、細玻璃管、帶顏色的水等材料，將開口的透明吸管標記上刻度（與刻度尺聯合使用），穿過橡膠塞并插入水中，從管口向瓶內吹入少量氣體，使瓶內氣壓大于大氣壓，停止吹氣后，水沿吸管上升到瓶口以上。注意：裝置氣密性要好，要避免受熱和擠壓影響瓶內氣體壓強。水氣壓計實驗中儀器從0到92 m高度變化后的玻璃管中液面從3.7 cm到6.5 cm，高度差為2.8 cm，相當于280 Pa，而教材寫明海拔3000 m以下，大約每升高10 m，大氣壓減小100 Pa。實驗結果與教材不同。學生靜置裝置發現細管中液面下降，綜合分析后認為是漏氣所致。處理裝置氣密性難度很大。學生改善后再次實驗，效果好轉，但仍有待提升。實驗中，隨著高度增加，瓶內氣壓大于瓶外氣壓，使得玻璃管內液面上升，效果明顯。

（三）混合線上和線下視角下拓寬“分享、討論與探究”

教師開展混合式教學要以線上與線下融合配置的視角，選擇合適的時間、技術以匹配學習環境、資源和活動，讓學生形成適合自身需要的能力，達到優化教學方式的目的。學校開展混合式教學需要發揮教師的引導作用，使用適配教學方法和教學手段的技術手段，拓寬分享渠道，加深討論深度和探究程度，最大限度幫助學生在物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任等物理核心素養點上取得顯著的學習成果^[5]。在線上線下混合學習的模式下學生的學習更加高效：線下真實參與物理實驗，感受物理實驗設計的思路和探究的過程;線上利用Phyphox開源App和網站分享相關的測量數據（如圖1），共享實驗結果，共同分析歸納實驗規律?；旌鲜浇虒W讓學生在線上線下都可以針對氣壓隨高度的變化進行探討研究，構建大氣壓知識。

學生利用Phyphox這個App和互聯網，能在電腦上同步共享數據。在測量隨高度減小而壓強變化的過程中，筆者選擇本地一座32層高樓，將Phyphox和電腦通過熱點網絡連接好，點擊開始進行測量（如圖2）。隨著高度減小（從32樓降至1樓），壓強不斷增大（從992.1855 hPa升至1003.08673 hPa），轉而繼續研究隨高度變大（從1樓升至32樓），壓強不斷減小（從1003.0343 hPa降至992.09814 hPa）。在高度差約為92 m的變化中，壓強差變化約11 hPa。這些數據是基于智能手機自帶傳感器測量得到的，傳感器精度以及受其他環境因素的干擾等因素，是造成數據偏差的主要原因。未來用戶基于Phyphox可以外接傳感器，選用精度更高的外置壓強傳感器實驗。

（四）混合生活和應用視角下審辨“操作、嘗試與實踐”

筆者從生活情境切入，讓學生認識水銀氣壓計、金屬盒氣壓計等。學生通過學習大氣壓強知識后，發現校園中滅火器上的壓力表。筆者以此切入，讓學生審辨、思考物理知識與生活的聯系，感受操作、活動與實踐的樂趣，體會物理學習的本真意義。學生通過閱讀教材和搜集相關資料，明確測量氣壓的儀器叫氣壓計（見表1）?；谕欣锊鹄麑嶒炘頊y量大氣壓的儀器被稱為水銀氣壓計，該儀器測量數據準確但攜帶不便;生活常用的氣壓計是金屬盒氣壓計（無液氣壓計），該儀器攜帶方便但測量數據不夠精確。教材提到天氣變化影響大氣壓。一般來說，陰雨天大氣壓會低些，天氣晴朗、干燥時大氣壓會高些。學生通過對知識的學習，在對比生活化的應用中，更能感受物理與生活的緊密聯系。

三、物理混合式教學助力數字化實驗的思考

教師開展混合式教學應以學生為中心，指導學生掌握知識并進行運用與創造;提高學生能力，培養毅力和科學精神;鼓勵學生個性化自主學習，指引學生成為終身學習者^[6]。教師將數字化實驗融入混合式教學中，能更好地發揮Phyphox的優勢，激發學生的興趣，培養學生的關鍵能力。

（一）創新作業方式開拓新范式

創新作業方式是符合當前“雙減”要求的。在紙筆作業以外，教師創新數字化實驗，并結合實驗設計物理知識、規律探究作業，能激發學生的學習動力。學生真實參與實驗的設計工作，并親歷數據的收集與處理，對物理學科知識、規律的認識會更加明晰。未來物理學科作業，應當依托物理實驗的特色屬性，展現對學生動手操作、參與體驗、團隊協作等能力^[7]，教師可以這種復合型、綜合性的新的作業范式，改進實驗教學。

（二）引入新視角合理使用手機

手機管理是中小學管理內容之一，也是管理上的難點、痛點。智能手機附帶海量信息網絡資源，教師需要客觀科學公正對待。教師利用Phyphox的開源性網站、App中的互動功能，以及智能手機自帶的傳感器，可以帶領學生及時收集處理數據，不受空間限制地開展物理實驗活動，如測量速度、壓強、磁場等，這極大改變了家長及師生對智能手機使用的態度和認識。師生和家長要以新視角看待智能手機使用問題，未來學生的學習探索是不能避開網絡和信息技術支撐的。

（三）分析實驗數據提出新方法

物理實驗數據收集后的分析非常重要，師生都應當具備從數據中總結物理規律的能力。Dislab實驗器材比較豐富，但價格較高。Phyphox的應用，解決了實驗器材難配置的問題，優化了實驗數據處理的效果。無論是收集測量結果，還是生成規律曲線，Phyphox足以支持師生開展大量有趣有用的物理實驗^[8]。師生應用Phyphox進行實驗數據分析、處理非常方便。

（四）融合混合模式嘗試新實踐

混合式學習是未來學習的主流方式，教師使學習形式、學習內容、學習力、學習者等混融共生是混合式教學的關鍵嘗試。教師應在混合式教學中針對性因材施教，優化班級授課模式，嘗試走班制、選修制，在不改變紙筆考試核心地位的前提下，注重學生素養發展，提高他們的學習能力。

混合式教學是未來學校的主流教育方式，注重以學生為中心、個性化定制、全員育人^[9]。混合式教學模式下，適應傳統課堂教學的學生能得到發展;未能跟上節奏的學生也可以通過混合式學習來加強知識儲備，如此各展其才，人人成功。物理實驗的數字化趨勢更加貼近生活，這引發師生對Phyphox等工具大膽嘗試應用?；旌鲜浇虒W的新模式和數字化實驗的新手段支持學生在測量磁場、電場、音調、響度、光強度等方面進行深入研究，甚至拓展到生物學、化學等學科進行跨學科探究。

注：本文系山東省教育科學“十三五”規劃2020年度立項課題“初中物理混合式教學生態區塊鏈研究”（課題編號：2020ZC074）的成果。

參考文獻

[1] 何克抗.從Blending Learning看教育技術理論的新發展（上）[J].電化教育研究，2004（3）：1-6.

[2] 周雨青，葉善專，朱明.物理教學中使用“混合式”教學模式的實踐與瞻望[J].中國大學教學，2010（4）：17-19.

[3] 尹慶豐，耿宜宏.基于翻轉課堂的混合式教學設計與實踐——以“交變電流”為例[J].物理教師，2021（5）：18-22.

[4][6]邁克爾·霍恩，希瑟·斯特克.混合式學習：用顛覆式創新推動教育革命[M].聶鳳華，徐鐵英，譯.北京：機械工業出版社，2017.

[5] 金羽茜.基于SPOC的初中物理混合式教學設計與應用研究[D].武漢：華中師范大學，2019.

[7] 梁喆.融合項目式與生活化的物理實驗教學[J].中小學數字化教學，2018（7）：53-55.

[8] 周祎，馬如寶.創設真情境，探究真問題——以phyphox軟件為支架的“牛頓運動定律的應用”教學設計[J].物理教學， 2019（8）：2-6.

[9] 梁喆.區塊鏈與空中課堂融合路徑探究與展望[J].中小學數字化教學，2022（4）：70-73.

（作者梁喆系山東省淄博市淄川第二中學教師;李金玲系山東省淄博市淄川區雙楊鎮趙瓦小學教師）

責任編輯：祝元志