數智時代物理實驗教學新探索

江愛國： 浙江省岱山中學正高級教師、特級教師，浙江省基礎教育課程專業指導委員會委員、浙江省浙派名師培養對象。他深入探索教學與技術融合之道，積極推進基于智慧課堂的精準教學。近幾年，先后主持“智能化教學系統融入學科教學實施研究”“基于數智系統的物理實驗教學改進研究”等省級課題項目。強調將數字技術與物理實驗教學深度融合，提高教學精準性和互動性。重視創新和實踐，倡導利用數智系統和移動實驗室等工具，拓展教學時空，增強學生的實驗探究和科學思維能力。主張合理運用智慧學習平臺和個性化教學資源，提升學生的學習自主性和數據素養，促進教育教學數字化轉型。

高中物理是以實驗為基礎的學科。實驗教學是重要的教學內容，在物理學科核心素養的培育中具有舉足輕重的地位，是培養創新人才的重要途徑。《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標”）提出要創新實驗方式，重視數字實驗，研究數字實驗系統的應用。教育部等十八部門聯合發布的《關于加強新時代中小學科學教育工作的意見》指出，要加強探究實驗室、數字實驗室等新型教學空間建設，探索利用人工智能、虛擬現實等數字化手段賦能實驗教學；加強真實問題驅動下的跨學科項目式學習，強化學科實踐，培養深度思維。在大數據時代背景下，教師基于智慧課堂開展高中物理實驗教學，能有效提高實驗教學質量。以建立基于數智系統的教學體系作為主要目標，建設智慧學習平臺、數字化實驗資源庫、移動實驗室，實現物理實驗教學閉環，能有效改進實驗教學：既能提高實驗教學的精準性，又能提升師生的數字素養。

一、傳統之缺：條件受限影響實驗教學效果

受實驗器材、實驗場地、教學進度、教師理念等多方面因素的限制，傳統模式下高中物理實驗教學存在弊端，造成實驗功效不斷降低，甚至出現“探究退化為驗證，驗證退化為體驗，體驗退化為觀賞，觀賞退化為說題”的怪象，影響了實驗價值的充分實現。

（一）實驗方案選擇缺乏多樣性

對于物理原理的證明，往往可以提供多種實驗方案。現行主流教材也提供了多種參考案例，但不少教師只憑經驗教學，在缺乏對學情精準了解的情況下統一選擇某一案例進行教學設計，造成學生體會不到不同設計方案所蘊含的不同思想，束縛了學生思維發展。

（二）實驗現場診斷交互性不強

受實驗設計方案、軟硬件、時空等因素影響，會出現實驗與預期不一致的現象。同時，由于學生的操作可能不規范，加之缺乏視頻捕獲工具及交互性工具，教師無法用現場視頻片段演示等手段及時精準診斷。例如，在學生分組探究“靜電屏蔽規律”時，大多數組能發現金屬筒內絲箔未張開，從而得出金屬筒內部不帶電的結論。但是，個別組發現內部絲箔張開了，實驗沒有成功。如果教室內有智慧交互系統，教師可以現場拍照，并馬上將現象投射到全體學生面前，發動學生交流析疑。

（三）實驗效果評估精準度不高

一些學生在實驗中，記錄數據不夠嚴謹，遇到異常數據刻意規避，不深入探究。因為缺乏實驗數據處理環節，缺少成果展示及交流評議平臺，教師無法精準評估實驗教學效果。

此外，還存在其他問題，如缺乏實驗資源利用的開放性、實驗與習題教學的融合性、課外生活情境實驗的拓展性等。

二、數智之光：數字化改進實驗教學恰逢其時

（一）數智系統應用引發教學新變革

數智系統指集成數據分析、人工智能、物聯網等多種信息技術的智能系統，由數據智能終端系統搭建，主要以連接、計算、協同、數據與智能為核心能力組成要素，注重數據的智能化分析與處理及數據應用，在數字化基礎上實現決策自優化、執行自動化與自我學習提升。隨著互聯網、大數據技術、人工智能（AI）的廣泛應用，教育工具和方法也在不斷更新。交互式電子書包、虛擬實驗仿真系統、視頻圖像處理軟件等都已成為常見的教學工具。“知乎直答”“文心一言”“Kimi”等AI聊天機器人的應用，更是將教學互動提升到了一個新的層次，使得教學環境變得更加豐富多彩，同時也為學生提供了更加個性化的學習體驗。

（二）數智系統有效促進個性化教學

數智時代，學校實施個性化教學已成為必然趨勢。以“數據分析—特征發現—智能干預”為特征，構建個性化的“學習—診斷—干預”閉環模式，是實現這一目標的關鍵。數智系統在物理實驗教學中的應用是一項系統工程。它涵蓋了從實驗目標的確立、實驗方案的優化設計，到實驗現象的即時診斷，再到實驗數據的處理與評估等多個層面。教師在營造數智化教學環境時，需要不斷創新實驗教學形式。這不僅能夠實現課堂實驗教學的閉環管理，提高教學效率，而且能夠拓展課外實驗的時間和空間，讓學生在任何時間、任何地點都能進行實驗學習。

（三）師生數據素養需要在技術應用中提升

有了數據的助力，教師可以更精準地進行教學，學生也可以根據自己的學習進度和理解程度進行個性化學習，從而提高學習效率。此外，提高師生的數據素養也是教學中不可忽視的一環。教師需要掌握如何利用數智系統進行數據分析、特征發現和智能干預，學生則需要學會如何利用這些工具自主學習。這不僅能夠提升學生的數據分析能力，還能夠培養他們的創新思維和問題解決能力。總之，數智系統在實驗教學中的應用，不僅能夠提升教學的質量和效率，而且能夠為學生提供更加豐富和個性化的學習體驗。隨著技術的不斷進步，可以預見，未來的教育將更加智能化、個性化，而數智系統將在這一過程中發揮越來越重要的作用。

三、數智之行：改進實驗教學的關鍵舉措

（一）改進智能教學平臺

學校需要營造高標準的智能教學環境，建立智慧教室、智慧實驗室、“智學網”精準作業系統、數字化終端實驗資源庫等，支持教師借助人工智能、知識圖譜及大數據自動分析技術，為學生打造個性化在線學習平臺。筆者所在學校為每位學生免費提供平板電腦，配置相應系統（內置豐富的實驗教學工具），支持教師在講解時隨時調用資源。智慧教室具有AI課堂實錄分析系統，能對教師教學行為進行智能記錄，包括教學場景分析、教師提問分析、S-T教學分析、教師巡視分析。學生學習行為及其頻率會被自動記錄，進而實現教學環節與學生學習行為的聯動與智能分析。如何建設與數字化終端匹配的實驗資源庫？筆者依托“之江匯”（教育廣場）數字平臺，建立校本實驗資源庫，提供與主流教材配套的優質實驗教學資源，利用學生電子書包終端支持學生按專題檢索內容、閱讀學習，突破時空限制。資源庫板塊包括：（1）多元設計區，對于同一實驗設計不同方案并準備對應的實驗器材，針對課標要求的21個必做實驗，教師逐一錄制操作演示視頻；（2）虛擬實驗室區，包含數字化虛擬實驗裝置、數字化實驗系統等；（3）診斷把脈區，收錄實驗現場視頻片段，以便為學生診斷把脈；（4）生活中的物理原理區，載有情境化的小實驗、生活及科技應用中的各類真實影像，以及建模后的配套習題，旨在促進實驗與習題教學融合；（5）物理學史區，讓學生了解物理學家在發現或探究物理規律時，是如何基于當時的條件運用實驗原理和方法的；（6）題庫區，包含歷年高考及各地聯考試卷中優秀的實驗題，以及主流物理教學期刊上刊載的對實驗題的評論性文章等。

（二）探索基于數據的實驗教學模式

筆者以電子書包為載體，在教學活動中采取虛擬與現實相結合等多種方式，多維度、多層次地動態呈現教學內容，實現教與學的交互，滿足課前預習、課中交互和課后拓展、輔導交流等多場景需求。筆者基于實驗教學實踐構建了“三維五環”數智課堂實驗教學模式（如圖1），以提高物理教師應用信息技術進行學情收集、學情分析、教學設計的能力，實現學情數據化和學生思維可視化、學習個性化，將數據與“學生的學”“教師的教”緊密聯系，形成良性閉環。

課前準備：利用“智學網”等智能教學平臺，發布微課并提供多個實驗設計案例，引導學生進行課前自主學習。筆者應用系統平臺并借助數據分析技術，對學生課前學習情況進行全程記錄統計，基于精準的數據分析，及時調整實驗教學設計，達到“預習起點可視化，目標設定更合理”的效果。以“驗證動量守恒”的探究為例，教材提供了兩個參考案例：“研究氣墊導軌上滑塊碰撞時的動量守恒”（案例一）和“研究斜槽末端小球碰撞時的動量守恒”（案例二）。案例二裝置與之前“研究平拋運動規律”實驗裝置相同，筆者預先基于案例二做了教學設計。在教學中，平臺反饋學生對氣墊導軌、光電門、橡皮泥等器材及此套裝置呈現的不同碰撞場景更感興趣，立即調整教學設計，更換學生實驗裝置為案例一中的裝置。

課中交互：學生利用平板電腦將小組協作完成的實驗結果在班級內分享，交流互動，展開評價并進行思維交鋒。筆者利用“希沃授課助手”及時捕獲實驗操作影像，零距離交互，進行實時現象分析、診斷把脈。為了引導學生分析抽象的物理過程，筆者借助虛擬仿真實驗呈現問題情境，模擬演示動態過程，利用圖表數字化功能，提高教學的交互性和可視化程度。引導學生在交互中收集數據，分析規律，解釋現象，提高了學生建構模型、科學思維和科學探究的能力，以及基于證據得出結論的素養（如圖2）。

課后反饋：筆者借助平臺，讓學生在課后進一步分析實驗數據并進行交流。教材提供的同一實驗的不同參考案例也通過平臺供學生操練。教師批閱以后，平臺及時提供學生作業情況統計表，幫助教師根據數據解決班級共性問題，實現精準教學。為鞏固實驗效果，筆者要求學生借助虛擬數字化仿真實驗系統進行操作。此外，根據學生自身情況，推送微課等數字實驗資源，做到查缺補漏，以“學習需求分層化，自主學習循個性”為導向，用數據驅動精準教學和個性化學習。

（三）建立基于數智應用的移動實驗室

2019年人教版物理教材中傳感器實驗共12個，其中3個是用手機傳感器進行探究的實驗。這些實例源自學生身邊生活情境，它們利用手機的智能性，融情境、趣味、簡便、高效為一體，給實驗教學提供了新的思路和方向。智能手機是一種集眾多強大功能為一體的智能設備，大多數智能手機至少包含12類傳感器。這些內置傳感器具有高靈敏性和數字化特點，可以方便迅速地采集現實生活或實驗室中各類物理量數據，并進行多元化的數據分析處理。這些傳感器所測量的物理量正是中學生要學習的主要內容，理論上講可以用它們做非常多高精度的物理實驗。基于智能手機傳感器開發的實驗探究App已大量上市，其中應用較多的有8類。手機物理工坊（Phyphox）是目前教師使用最廣泛的軟件之一，它充分應用了智能手機的傳感器，能即時進行實驗數據展示及實驗數據導出處理。它的藍牙模塊支持手機與其他外接傳感器開展物理實驗，具有傳統實驗難以達到的精確度和實驗效果。在Phyphox等軟件的支持下，手機變成移動數智設備，成為理想的移動實驗學習終端。

以“超重和失重”為例，2019年人教版物理教材將此內容單列成節，注重學生在學習“超重和失重”過程中的體驗和發現過程，凸顯了基于真實情境的研究方法。在教學中，筆者先設計實驗方案以實現現象可視化，即利用改裝后的藍牙傳感器電子力秤，結合手機軟件Phyphox和投屏軟件，演示下蹲起立時的超失重現象，借助手機投屏，讓學生清晰地觀察實驗數據。

筆者讓學生結合圖像（如圖3），思考以下3個問題：①蹲起經歷了幾個運動過程？②哪些階段出現超重現象，哪些階段出現失重現象？③若蹲起時經歷一段較長時間的勻變速運動，圖像有何變化？對第3問，筆者首先利用Phyphox實驗程序編輯器，將力和加速度同步對比顯示，實現實時可視化。然后，現場演示，得出結論，即“超重和失重”現象由加速度方向決定，與運動方向無關。最后，讓學生體會牛頓運動定律中力和加速度的同步性關系。筆者分析在課堂上學生對此的理解、接受效果，發現學生情緒高漲，課堂氛圍良好。利用智能手機開展物理實驗教學有效提升了學生學習物理的自我效能感。

物理概念與規律是實驗與邏輯的結晶。學生學習概念與規律，得出結論，需要實驗取證、驗證。學生要想高質量進行實驗，必須解決案例的普遍性和數據的真實性兩個問題，但由于課堂時間有限，常規實驗很難同時解決這兩個問題。當物理現象不易觀察，或者使用傳統方法采集實驗數據、處理過程繁雜，實驗精度不高時，實驗效果往往不理想。當前，視頻分析與數據處理的信息技術軟件眾多，如Video Point、Tracker、Logger pro、Physics Tool Kit、Ecolab 3.0等，其中Tracker軟件具有完全免費、功能強大、操作簡單的特點。它能對研究對象逐幀進行追蹤定位，創建出類似于頻閃照片的效果，支持用戶利用其數據分析工具快速、高效獲取實驗數據和圖像。以“機械能守恒定律”為例，以往教師多采用演繹推理的方法利用自由落體實驗進行驗證，得出守恒條件。其實，這不符合由特殊到一般、由淺層到深度的規律探究要求。筆者改進了實驗，在課堂上利用手機拍攝自由落體運動、平拋運動、斜拋運動三段視頻，直接導入Tracker軟件，并借助軟件展示數據處理結果，讓學生觀察在用鋼球作為研究對象時，各類運動機械能守恒，但用塑料球做研究對象時，運動時機械能不斷減少。如此探究得出守恒條件更令人信服，讓學生更容易理解守恒定律的內涵。

課外，筆者建立移動實驗室，設計拓展性的項目式學習活動，引導學生結合真實的問題情境，對生活中常見的物理場景如投籃、碰撞、蹦極等開展自主實驗探究，抽象出各種運動的本質特征，并通過智能終端進行交流互動，加深對物理概念和規律的理解。如此，既能“玩機增智”，提升實驗興趣，又能拓展實驗時空，提升實驗素養。

（四）搭建基于智能工具應用的交互場景

作為一種外源性技術手段，數智技術正在重塑實驗教學的模式和形態。以“文心一言”“Kimi”等為代表的生成性AI聊天機器人，能夠使用自然語言模型和機器學習與人類交流。筆者將“Kimi”等智能軟件作為教學工具，為每個學生提供定制化的學習支持。在教師指導下，學生借助多種智能工具和平臺，自主、便捷地獲取豐富的學習資源。例如，最美物理實驗之一“密立根油滴實驗——電子電荷量的測定”是電磁學的重要組成部分，以該實驗為背景的習題大量出現，由于高中生所學知識有限，習題的命制者對實驗過程作了較大的簡化，沒有展示出密立根油滴實驗的精髓之處——電荷是量子化的，即任何帶電體的電荷量只能是e的整數倍。為彌補不足，在課外項目式學習活動中，筆者首先讓學生與“文心一言”或“Kimi”對話，查詢資料快捷了解實驗原理與過程。個別學生甚至搜索到密立根的原始手稿數據。學生進一步與AI工具對話，檢索密立根油滴虛擬仿真實驗，其中“豆包”直接提供視頻資料。學生快捷找到資料，觀看實驗過程理解實驗原理。筆者對原始數據進行簡化，還原學生的數據處理過程，讓他們深刻感受物理學家在探索真知時是怎樣創造性設計實驗與分析數據的，感受思維創新的價值與魅力。

由教學空間、作業平臺、學生端系統組成的智慧學習數智系統具有個性化、開放性等特點，能支持教師開展線上線下一體化、課內課外一體化、虛擬現實一體化的全場景實驗教學。數智系統與實驗教學融合有利于教師引導學生自主學習探究問題，有利于學生深度學習，提高數據素養，提升學生基于證據得出結論的實驗探究能力與科學思維水平。數智時代，教師要促進課堂模式轉換，增強數據意識，精心設計問題，設計學習資源、學習工具、學習活動和評價方案，以此增加學生學科底蘊，提升教學水平和教育質量。

注：本文系浙江省教育廳教研室大數據精準教學項目“十四五”立項課題“基于數智系統的物理實驗教學研究”（立項編號：ZJKT202214A4536）的研究成果。

責任編輯：祝元志