關于高效落實高中物理實驗教學的思考

摘" 要：文章以高中新課程改革為背景，以高中學段物理學科教學中的實驗教學為例，從改變教學理念、提高信息素養、創新育人模式三個層面展開分析，結合人教版高中物理教材內容論述了“設計思維”“數字化無線傳感器”以及“HPS教育模式”在高中物理實驗教學中的具體應用，旨在幫助任課教師高效落實高中物理實驗教學.

關鍵詞：高中物理；教學理念；育人模式；實驗教學

中圖分類號：G632""" 文獻標識碼：A""" 文章編號：1008-0333（2024）18-0071-03

收稿日期：2024-03-25

作者簡介：董超（1991.4—），男，江蘇省淮安人，研究生，中學一級教師，從事高中物理課堂教學研究.

在新課程改革大環境下，教育領域對高中物理實驗教學的意義予以高度肯定，同時鼓勵任課教師能夠借鑒先進的教學理念，努力提升自身的授課水平，并主動嘗試將多樣化的教育模式應用于學科教學之中.物理實驗教學作為物理學科教學的一個重要組成部分，學生通過參與物理實驗不僅能夠歷經探究問題→搜集證據→解釋現象→交流結論這一實驗探究過程，形成科學探究素養，還能夠在推理和論證物理公式、定理的過程中培養科學思維素養.由此可見，新教材新高考背景下，高中物理教師積極優化物理實驗教學勢在必行.

1" 改變教學理念——設計思維

1.1" 落實思路

設計思維（Design Thinking）指設計者在處理問題的過程中以設計的方式去思考.設計思維更加重視設計者在處理問題的過程中對問題的深入理解，設計思維下的高中物理實驗教學，可以將設計者對于某一問題的深入理解作為切入點，在轉變傳統實驗教學觀念的同時優化高中物理實驗教學的落實.本質上，設計思維中的設計旨在解決具體的問題，驅使著設計者開展相關工作，這樣，在高中物理實驗教學實踐中“師”與“生”均被賦予設計者的身份，直面物理實驗過程中的各個難題［1］.

1.2" 落實路徑

關于該教學理念的具體落實，國際上應用較為廣泛的設計思維模型為“EDIPT模型”，該模型的具體分支如圖1所示.

圖1展示了由斯坦福大學所提出的設計思維模型（EDIPT模型）主要涵蓋五個部分，下面以“自由落體運動”實驗教學為例分析EDIPT模型與物理實驗教學的融合方式.

“同理心”，指師生之間共同構建同理心，可以將其理解為“共情”.從教師的角度來看，教師需要在設計物理實驗教學的過程中考量學生現階段的學情，明晰課程標準對學生所提出的要求，為學生準備充足的實驗器材，分析學生是否會對某一實驗存在學習興趣，甚至反思本班級學生是否喜歡自己的引導方式、教學語言等.例如學情方面，本次實驗中學生對于勻變速直線運動的規律、打點計時器以及紙帶分析已有一定的學習基礎，換言之，學生有能力以自主體驗的方式完成本節課程的學習，但對于自由落體運動與勻變速直線運動兩個知識的整合而言還需加強引導，使學生能夠明晰前者是后者的一種特殊運動［2］.

“定義”，指學生對某一核心問題的定義.在本次實驗教學中，EDIPT模型中的定義可以是學生對于“自由落體運動內涵與實質”的定義，重力作用下物體從靜止（初速度為零）開始下落的勻加速直線運動.

“構思”，設計思維提倡教師在教學實踐中鼓勵學生思考實驗操作的方案.該階段是學生誕生一項創意的最佳階段，同時也是培養學生科學思維素養的最佳階段.在本次實驗教學中，教師可以賦予班級學生“設計者”的身份，預先將打點計時器打出的紙帶分發給班級各小組學生，鼓勵各組學生組內討論并匯報實驗方案.與此同時，教師還可以基于教材內容利用EXCEL圖表功能在投影上演示自由落體的s-t2圖像和v-t圖像，拓展各小組學生的思路［3］.

“原型”和“測試”，EDIPT模型中的原型與測試是同時進行的，其中原型是構思可視化的一個環節，而測試則指學生對原型的檢驗.由此可見，EDIPT模型中的原型和測試指向了物理實驗教學中的具體實驗過程.在本次實驗中，原型和測試指向了學生動手測量、分析數據的整個過程，經過該過程學生能夠自行總結出自由落體運動為勻加速直線運動這一實驗結論.

2" 提高信息素養——數字化無線傳感器

2.1" 落實思路

傳感器（Transducer/Sensor）指能夠用于測量并基于某一規律轉換成輸出信號的裝置或器件.應用數字化無線傳感器開展教學，不僅能夠提高實驗數據的精準性，同時還能夠幫助學生快速完成實驗操作，為學生完成更多的拓展實驗操作提供設備支撐.所以，高中物理實驗教學中應用數字化無線傳感器對于教師優化物理實驗教學的落實具有重要的意義.如型號為PS-3219的無線運動傳感器，測量距離為15～400 cm，可將其應用于測量物體的位置、速度以及物體的加速度.對于除上文所例舉的自由落體運動外的一些位移和速度實驗、加速度和力的關系或質量等拓展實驗均可適用.

2.2" 落實路徑

下面以“驗證動量守恒定律”實驗教學為例，分析數字化無線傳感器在高中物理實驗教學中的具體應用.

實驗課程中，教師可選用無線智能小車、動力學軌道以及裝有數字化實驗系統軟件的平板開展.實驗教學中，教師基于碰撞模型這一研究對象，指導學生關注物理量，即應用無線智能小車測量速度.無線智能小車的內部裝置了速度傳感器，小車在運動的過程中，小車每時每刻的速度將會通過藍牙的方式同步至平板上，而后基于實驗模板學生可觀察到速度時間v-t圖像.在實驗操作中，學生僅需結合實驗方案點擊無線智能小車“開始”與“停止”按鈕即可獲得實驗圖像，如不同質量小車動碰靜的實驗方案操作中，學生點擊“開始”，使帶有同性磁鐵的兩輛智能小車有磁緩沖器的一端相對擺放，而后將兩輛小車設定一定距離，使兩輛小車完成動碰靜測試，待碰撞結束后學生點擊“停止”，觀察實驗圖像，將實驗數據記入表格之中.再如，不同質量小車對碰的實驗方案操作中，學生使兩輛小車相距一定的距離，點擊“開始”并給予兩輛小車初速度，點擊“開始”使兩輛小車完成對碰測試，待碰撞結束后學生點擊“停止”，觀察圖像記錄數據.隨后要求班級學生結合所獲得的瞬時速度計算“m1v1+m2v2”與“m1v1′+m1v1′”，驗證兩組數據是否相等，繼而獲得“動量守恒”的實驗結論［4］.

由上述實驗教學過程可知，若想將數字化無線傳感器應用于物理實驗教學中，教師需提升三方面信息素養：其一，嫻熟操作數字化無線傳感器.正如上述的無線智能小車一樣，小車的操作、小車的再裝置均需教師指導學生才能夠保證實驗操作的有序進行.其二，嫻熟的數據分析能力.當傳感器在平板電腦上輸出數據時，教師應具備一目了然的數據觀測能力，在一覽而盡圖像信息的同時指導班級學生快速記錄數據，為開展下一環節的實驗節省更多的時間.其三，嫻熟的裝置修復能力.在實驗教學中，教師應具備一定的裝置修復能力，若數字化無線傳感器出現故障，教師應能夠在較短的時間內將其功能恢復如初，為班級學生更好地開展實驗操作奠定良好的基礎.

3" 創新育人模式——HPS教育模式

3.1" 落實思路

HPS（History of Science、Philosophy of Science、Sociology of Science）指科學史、科學哲學與科學社會學.HPS教育模式最初源于19世紀的科學教育運動，是將科學教育融合于課堂教學的一種新興教學模式.如果從史料分析的角度來看，物理教材中很少向學生詳盡地介紹某一知識點的物理史，但科學界對于某一定律的研究大多經歷了較為漫長的過程，如上文所述的動量守恒定律實驗，1638年伽利略提出了動量的概念，1668年惠更斯賦予了動量的方向性……所以，HPS教育模式應用于物理實驗教學能夠在拓展學生知識視野的基礎上，幫助學生構建更為完整的知識架構.

3.2" 落實路徑

HPS教育模式被細分為四種模式，最適用于本研究的模式為融合模式，該模式的教學流程如圖2所示.

由圖2可知，HPS教育模式的融合模式主要涵蓋六個環節.關于HPS教育模式融合模型在物理實驗教學中的應用，首先，對于演示現象，教師需為學生創設物理情景，為學生演示出某一科學現象，如在“探究加速度與力、質量的關系”實驗教學中教師可手持乒乓球拍，隨機發球并在乒乓球滾向教師時用球拍輕輕擋住，此時乒乓球將會反向彈回；接著，手持網球拍，隨機發球并在網球滾向教師時用球拍狠狠地擋住，此時網球將會反向彈回，使學生通過直觀的感受觸發學生產生疑惑.其次，引出觀念環節主要指向了學生對疑惑的思考與提出觀點.在上述實驗中，學生均能夠明確物體加速度與力、質量存在關系，并提出主觀的觀點.隨后，教師應適時為學生補充歷史資料，并結合學生所提出的觀點與班級學生共同設計實驗方案，應用控制變量法通過控制小車的質量，分析加速度與力之間的關系，通過控制砝碼和小盤的質量，在力不變的情況下分析加速度與質量之間的關系.最后，教師鼓勵班級學生根據實驗方案開展實驗操作，以檢驗自己實驗操作前所提出的觀點，并為班級學生做實驗教學總結.

4" 結束語

通過上述的理論研究表明，設計思維理念下的實驗教學，教師需在秉持同理心的基礎上關注學生的構思，由此才能夠規避學生一度模仿教師實驗示范的教學現狀.關于數字化無線傳感器的教學應用，教師需重視提升自身的信息技術素養，要擁有嫻熟的信息設備操作與修復能力，以及嫻熟的線上數據觀測能力.HPS教育模式中，教師則應在傳統教學模式下盡可能多地為學生穿插物理史料，使學生更加全面地了解某一知識，如同故事講解一般，降低學生對某一新知的抵觸感.

參考文獻：［1］ 李平.學科核心素養在高中物理實驗教學中落實的有效途徑［J］.中學理科園地，2020，16（6）：17-18，20.

［2］ 朱玲娟.核心素養背景下提高高中物理演示實驗教學效率的策略研究［J］.天天愛科學（教育前沿），2020（10）：196.

［3］ 何芝華.落實物理實驗教學" 促進學生物理核心素養的提高［J］.科學咨詢（科技·管理），2019（1）：3.

［4］ 吳妙燕.學科核心素養在高中物理實驗教學中落實的有效途徑［J］.高考，2018（22）：32-33.

［責任編輯：李" 璟］