信息技術(shù)助力科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)
——以“運(yùn)動和力”主題為例

侯小英 浙江省湖州市吳興區(qū)教學(xué)研究與培訓(xùn)中心

邵苑 浙江省湖州市第四中學(xué)教育集團(tuán)

● 問題的提出

在科學(xué)教學(xué)中，某些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象速度過快或者太過微小，學(xué)生難以觀察。傳統(tǒng)的處理方式多是通過觀看課本圖片、教師預(yù)設(shè)答案來試圖達(dá)成學(xué)生的“理解”，這造成許多學(xué)生缺乏真實(shí)體驗(yàn)而被攔在了“認(rèn)知”的門外。許多學(xué)生并不清楚如何獲取有效資源來幫助自己完善對知識的理解。刷題成為部分學(xué)生唯一的選擇，然而枯燥、乏味的講題刷題扼殺了學(xué)生學(xué)習(xí)的欲望與創(chuàng)新質(zhì)疑精神，使學(xué)生感到懼怕，甚至無感，缺乏探究的內(nèi)驅(qū)力。

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》提出要“聚焦中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)未來發(fā)展的正確價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力”，這對學(xué)生的培養(yǎng)提出了更高的時代要求。技術(shù)賦能學(xué)科教學(xué)是用更先進(jìn)的工具或信息技術(shù)手段來幫助學(xué)生獲取知識的學(xué)習(xí)方法，有助于教師在理解課程標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，整合各種學(xué)習(xí)資源，聚焦學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

例如，在初中科學(xué)“運(yùn)動和力”的教學(xué)中，由于實(shí)際運(yùn)動過程大多難以在課堂展開且不易被觀察，所以學(xué)生的學(xué)習(xí)往往停留在書面知識上，通過對模型圖像的分析被動接受對運(yùn)動規(guī)律的認(rèn)知與分析。學(xué)生缺乏親歷的感知，也缺失利用技術(shù)突破認(rèn)知障礙的學(xué)習(xí)機(jī)會，導(dǎo)致自身科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展存在一定的局限性。而通過信息技術(shù)輔助，不僅能真實(shí)還原實(shí)際情境，輔助揭示科學(xué)規(guī)律，突破教學(xué)難點(diǎn)，還可以為學(xué)生創(chuàng)設(shè)更豐富的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。下面，筆者以技術(shù)軟件助力“運(yùn)動和力”的教學(xué)為例，談一談信息技術(shù)在初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要作用，以實(shí)現(xiàn)建構(gòu)科學(xué)思維，延伸科學(xué)課堂，提升學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的目標(biāo)。

● 信息技術(shù)助力實(shí)驗(yàn)教學(xué)的運(yùn)用思路

信息技術(shù)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)記錄與分析計(jì)算功能為科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了強(qiáng)大助力，以技術(shù)之能打破學(xué)生學(xué)習(xí)中的思維壁壘。

①基于“真問題”展開“真探究”，利用視頻或動畫處理技術(shù)分析處理不易觀察的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，還原實(shí)驗(yàn)過程，建立“可視化”思維。

②利用數(shù)字信息處理技術(shù)，獲得分析圖像與數(shù)據(jù)表格，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行由定性到定量的數(shù)據(jù)分析，輔助建構(gòu)“模型化”思維。

③從技術(shù)展現(xiàn)出的信息數(shù)據(jù)中尋找認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生對不同觀點(diǎn)、結(jié)論進(jìn)行質(zhì)疑和批判，培養(yǎng)“批判性”思維。

④通過技術(shù)銜接，在學(xué)習(xí)中拓展應(yīng)用邊界，由課內(nèi)延伸到課外，發(fā)展“創(chuàng)新性”思維，在思維建構(gòu)過程中，不斷提升科學(xué)素養(yǎng)。

● 信息技術(shù)在“運(yùn)動和力”實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

1.逐幀動畫，建立可視化思維

在運(yùn)動和力的教學(xué)中，蹦極、斜拋等復(fù)雜運(yùn)動問題由于較難展現(xiàn)過程中物體運(yùn)動方向和速度的瞬時變化情況，成為學(xué)生學(xué)習(xí)中的一大困擾。在傳統(tǒng)課堂中，教師借助暫停來體現(xiàn)逐幀動畫效果以期給予學(xué)生連貫的真實(shí)感受，但往往存在著操作不便捷、實(shí)際效果不連貫等問題。而通過相機(jī)的慢動作拍攝，即可記錄下完整的運(yùn)動過程，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的降速演示，而且通過相機(jī)的連拍功能與Photoshop的圖層疊加技術(shù)，也可實(shí)現(xiàn)照片的合成，達(dá)成“頻閃”的效果，以用于后期教學(xué)中的分析。另外，教師還可以利用視頻處理軟件，通過調(diào)節(jié)動畫的幀率間隔，實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動物體每一瞬間的追蹤和放大。再加上濾鏡效果，不僅可以達(dá)成“頻閃技術(shù)”效果，而且能動態(tài)展示頻閃的形成過程。這樣，從“慢鏡頭”中直觀地呈現(xiàn)物體的變化情況，使實(shí)驗(yàn)過程由動態(tài)走向靜態(tài)，由靜態(tài)走向微格，有效突破視覺局限的認(rèn)知障礙，幫助學(xué)生建立“可視化”思維。

2.數(shù)據(jù)分析，建構(gòu)模型化思維

輔助學(xué)生實(shí)現(xiàn)思維方式由定性走向定量，獲得模型建構(gòu)的能力，是科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中重要的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

教師可利用信息技術(shù)首先對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行客觀記錄，并針對視頻中的主體進(jìn)行定格追蹤、圖像分析，即可促成學(xué)生的定性歸納；接著通過信息技術(shù)軟件的數(shù)據(jù)處理功能，將獲取的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，自建模型圖像，促成數(shù)據(jù)到規(guī)律的思維轉(zhuǎn)化，將信息技術(shù)與科學(xué)、數(shù)感深度融合，幫助學(xué)生在數(shù)據(jù)分析中獲取“模型化”思維。

例如，在“實(shí)心球投擲”運(yùn)動研究一課中，筆者以Tracker軟件輔助開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動，促成學(xué)生“模型化”思維建構(gòu)。具體實(shí)施過程如下。

（1）定性分析，歸納運(yùn)動規(guī)律

請一位學(xué)生實(shí)地投擲實(shí)心球，并以視頻方式進(jìn)行記錄。接著將視頻導(dǎo)入Tracker軟件并進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)分析，獲取如圖1所示的圖形分析。圖形從上往下依次為Y軸運(yùn)行位移、Y軸速度和X軸速度，通過橫向、縱向的兩兩對比，學(xué)生獲得了以下發(fā)現(xiàn)：

圖1

①在豎直方向上，在實(shí)心球先上升后下降的運(yùn)動軌跡中，Y軸速度經(jīng)歷了“加速—減速—加速”的變化過程。

②在水平方向上，在實(shí)心球先上升后下降的運(yùn)動軌跡中，X軸速度經(jīng)歷了“先增大后減小”的變化過程。

③在第9s時，物體達(dá)到最高點(diǎn)，此時球體在豎直方向上的速度為0，水平方向速度達(dá)到最大值。

通過讀圖析圖過程，學(xué)生學(xué)會從圖像中提取信息并進(jìn)行定性分析，初步獲得圖像模型理解能力，提升科學(xué)思維。

（2）定量分析，建構(gòu)數(shù)字模型

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》的目標(biāo)中提到，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中不僅需要獲取模型理解的能力，更應(yīng)有模型建構(gòu)的能力。同樣，通過Tracker軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和動態(tài)分析功能可以輕松幫助學(xué)生獲取數(shù)據(jù)，輔助其開展“數(shù)字化”模型建構(gòu)，找尋物體的變化規(guī)律。

例如，在“實(shí)心球投擲運(yùn)動”案例中，學(xué)生完成圖1的圖樣分析后，通過切換“圖形視圖”為“表格視圖”，添加“X軸距離、Y軸距離、X軸速度、Y軸速度”四個變量，選取16個數(shù)據(jù)樣本，形成數(shù)據(jù)表格（如圖2）。

圖2

學(xué)生需要結(jié)合數(shù)據(jù)繪制出各個物理量的變化圖像，通過對比、分析、測算等方式建構(gòu)模型。學(xué)生對其的建模和分析討論結(jié)果如下：

①當(dāng)實(shí)心球拋出后，X軸位移的拋物線方程為SX=0.0013*t^2-0.23*t+1.2，即在記入空阻的情況下，X軸方向并非做勻速直線運(yùn)動（非線性關(guān)系）。

②當(dāng)實(shí)心球拋出后，Y軸位移的拋物線方程為SY=0.0045*t^2+0.16*t+1.07。

③該學(xué)生最遠(yuǎn)拋擲距離為6.14m，最高高度達(dá)到2.51m。

基于初中生的數(shù)學(xué)水平和科學(xué)課程教學(xué)要求，教師對學(xué)生數(shù)據(jù)分析的要求僅限于二次及以下函數(shù)關(guān)系的推理進(jìn)而得到規(guī)律。實(shí)際上，該運(yùn)動過程中涉及的速度變化和加速度變化也是學(xué)生關(guān)注的點(diǎn)，因此，教師可借助Tracker中的數(shù)據(jù)工具，現(xiàn)場擬合數(shù)據(jù)圖線得出相關(guān)的規(guī)律方程。通過速度與加速度的擬合方程，拓寬學(xué)生的眼界，為今后的研究和學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

3.深度學(xué)習(xí)，培養(yǎng)批判性思維

學(xué)習(xí)需要不斷反思，要能對不同的觀點(diǎn)、結(jié)論和方案進(jìn)行質(zhì)疑、批判和修正，提出創(chuàng)設(shè)性的意見。信息技術(shù)軟件提供的大量數(shù)據(jù)讓學(xué)生在尋找規(guī)律時有了發(fā)現(xiàn)更多矛盾的可能。通過對這些差異性數(shù)據(jù)的分析，能激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，達(dá)成學(xué)習(xí)深度的進(jìn)階。

例如，在“實(shí)心球投擲”運(yùn)動研究中，通過交流與討論，學(xué)生尋找到了以下問題：①當(dāng)球體離手后，手對球的作用力消失，為什么X軸方向上還會做加速運(yùn)動？②在球離開手之前，手與球一同向上運(yùn)動，為什么Y軸方向上速度已開始減小？③當(dāng)球拋擲至最高點(diǎn)時，Y軸速度變?yōu)樽钚。ń鯙?），此時X軸速度反向增加。Y軸和X軸的速度在運(yùn)動過程中是否為相互影響？④根據(jù)X軸與Y軸方向的加速度時刻變化情況得知，兩軸的加速度并非為定值。在此過程中，由于速度不同，受到的空氣阻力是否時刻都在發(fā)生變化？

問題的提出是學(xué)生關(guān)注邏輯與推理、思考的過程，問題的難易反映了學(xué)生數(shù)據(jù)分析過程中的思維深度。基于這些新的研究問題，繼續(xù)開展教學(xué)能不斷完善學(xué)生知識體系，提升其科學(xué)思維。

4.拓展延伸，發(fā)展創(chuàng)新性思維

信息技術(shù)的強(qiáng)大數(shù)據(jù)分析和處理功能不僅能對現(xiàn)有各種現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，而且可基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)對未知情況進(jìn)行模擬和預(yù)測。通過各種軟件的擬合方程，既可對現(xiàn)有的運(yùn)動狀況進(jìn)行判定，又可推演運(yùn)動的發(fā)展趨勢。教師可引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行大膽有序的思考，有效突破教學(xué)時空的局限，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)造性思維的發(fā)展。

筆者曾在課堂中拋出問題：“Tracker軟件簡便易學(xué)，學(xué)會后，你會用此軟件做什么研究？”學(xué)生回答如下。

學(xué)生1：我要利用Tracker分析競賽運(yùn)動。例如400米賽跑，分析在何時加速能達(dá)到全程速度最快，幫助我國運(yùn)動員提高比賽成績。

學(xué)生2：我要利用Tracker分析蹦極、自由落體運(yùn)動中高度、速度、能量的轉(zhuǎn)換，幫助調(diào)整跳樓機(jī)等娛樂設(shè)施的運(yùn)作，規(guī)避事故的發(fā)生。

通過學(xué)生的回答，加上教師的引導(dǎo)、延伸和拓展，能夠讓學(xué)生利用信息技術(shù)做出更多實(shí)際可操作的分析，以求學(xué)科理論與生活實(shí)際應(yīng)用掛鉤，進(jìn)而拓展更多同學(xué)的思路，促進(jìn)其創(chuàng)造性思維的發(fā)展。

此外，許多軟件操作方便，簡單易學(xué)，只需要一部手機(jī)或一臺筆記本，即可隨時隨地對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行記錄和分析，降低了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)或現(xiàn)象分析的門檻，輔助學(xué)生開展科學(xué)探究。例如，在蹦極運(yùn)動中，在對能量轉(zhuǎn)化過程的分析中，由于學(xué)生對整個運(yùn)動過程中發(fā)生的變化較為陌生，不能很好地分析力與速度的變化，故而在分析能量時產(chǎn)生了一定的困擾。此時，只需在家中找出相應(yīng)替代的物體模擬蹦極過程，拍攝視頻再導(dǎo)入視頻分析軟件即可得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。有了詳實(shí)的數(shù)據(jù)支撐，學(xué)生便有了理解的支持，相關(guān)的題目也就不會成為困擾學(xué)生的難題。

● 結(jié)語

信息技術(shù)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)既可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，也可提高教師的教學(xué)效率，讓實(shí)驗(yàn)教學(xué)更生動、更高效、更常態(tài)化。常用的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件有Phyphox、Physics Lab AR、Tracker，化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件有燒杯、趣味化學(xué)實(shí)驗(yàn)、Mlabs，生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件有形色、人體探秘、生物圈等，有了這些技術(shù)支持，學(xué)生在科學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)中將會得到更多的助力。