STEM教育現代化視域下高中物理實驗轉型

摘" 要：為了在高中物理實驗教學中貫徹落實《中國教育現代化2035》，分別從理念升華、裝備升級和實踐創新三個方面，探討當下高中物理實驗教學的臺階式發展路徑，利用數字化手段改進傳統實驗缺陷，構建指向現代化、集成化的STEM實驗教學新模式。同時，以三個高中物理實驗項目為例，組織學生利用現代信息技術進行創新設計，試圖解決現代高中物理實驗中存在的教學粗放落后、發展不均衡等問題。

關鍵詞：教育現代化；STEM教育；高中物理實驗；現代化教育；Phyphox

文章編號：1671-489X（2025）07-0-05

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.07.

0" 引言

2023年12月，聯合國教科文組織在上海設立了STEM教育中心，這是中國首個聯合國科教文組織一類中心。這一舉措不僅展示了國際社會對中國STEM教育發展的認可，也為國內各級教育機構的發展提供了新的契機。為積極響應中共中央、國務院印發的《中國教育現代化2035》中“加快信息時代教育變革”的要求，2024年7月，中國教育發展戰略學會科學與工程教育專業委員會發布《STEM教育2035行動計劃》。

但是，高中物理STEM教育以實踐類實驗教學項目為主，在信息時代教育變革背景下，當下實驗項目教學存在三個方面的問題：城鄉實驗教學差距大，鄉鎮高中缺少數字化傳感器、精確的現代物理實驗裝備等硬件設施，且鄉鎮教師實驗技能不高、培訓困難；物理實驗課程應試化，由于裝備和時間有限，教師常常略過許多重要的演示實驗；實驗質量不高，由于傳統實驗測量器材精度非常有限，教師常常以粗放型興趣活動代替嚴謹的科學探究與交流、科學思維與創新。

針對目前存在的問題，本文從理念升華、裝備升級和實踐創新三個方面，探討當下高中物理實驗教學的臺階式發展路徑。

1" 理念升華：從傳統教育到現代化STEM教育

傳統教育的特征以間接學習為主，即教師傳授知識，學生并沒有相應的經驗基礎。這種教育雖然能夠快速大規模普及基礎教育，但其質量不高，且在面對危機和挑戰時缺乏應對能力，例如：在條件落后地區，傳統物理實驗教學只能采用視頻展示的方式，缺少師生交互和實踐操作，導致教育質量較低，難以滿足當前教育發展的需求。要在現代視域下實現粗放型教育向高質量教育的轉變，應當從根本上改變傳統的課堂教學理念[1]。

現代化教育要求調整高中階段教育的實施方式，在課程類型、教育服務等方面增強多樣性[2]，加強對學生的個性化指導，從根本上提升高中教育質量。近年來如火如荼的STEM教育，便是行之有效的課程方式之一，能夠在課程內容、教學方式、人才培育等方面滿足高中教育現代化的多樣需求。STEM教育理念的主要特征為：倡導學科融合、以解決現實生活中的問題為目標、運用工程技術、結果明確和方案多樣等[3]。結合《中國教育現代化2035》注重全面發展、注重面向人人、注重因材施教、注重融合發展、注重共建共享等理念[4]，STEM教育理念在高中教學中應體現為以下幾點。

1）杜絕生拼硬湊型地學科融合，應以某一學科為支托，但不以該學科為界限，例如：以物理學科教學目標為出發點，使用信息技術工具獲得最優化的解決方案；2）以高質量的項目式學習活動為驅動，鼓勵學生通過學習和實踐后解決問題，例如：基于高中物理教材內容，提出相關問題，以適應學生的認知發展需求；3）基于學生的最近發展區，引入現代工程技術，鼓勵創新，培養具有現代化技能的創新型人才，例如：使用數字化實驗裝備、智能手機等創新手段，讓學生嘗試解決與高中物理課本知識同步的相關問題；4）開展師生互動、學生交流活動，例如：使用智能手機、學習平板等設備實現實時互動交流、優化學習方案。

2" 裝備升級：從傳統實驗室到現代化實驗室

2.1" 從傳統實驗室到數字化實驗室

高中物理實驗是符合STEM教育理念的完美項目，在具體教學中，裝備升級是現代化人才技能培養的基本需求。當下物理實驗裝備的發展呈現數字化趨勢，各縣市區高中現均已建有數字化實驗室，傳統實驗教學正向數字化實驗教學轉變。數字化實驗的核心是利用各類靈敏的傳感器測量、記錄數據，再利用計算機系統對數據進行可視化處理。相較于傳統實驗裝備，數字化實驗裝備的優點是靈敏、精度高、可視化，更能滿足信息技術時代下對技能型人才和現代化創新人才的培養需要。

2.2" 從數字化實驗室到集成化實驗室

數字化實驗室裝備價格非常昂貴，以較為流行的朗威DIS數字化實驗室裝備為例，僅一套測量力的實驗裝備價格就在萬元以上，令普通鄉鎮高中望而生畏。同時，數字化實驗室必須基于傳感器、采集器、計算機三類硬件，并在電腦中安裝驅動，需要較多的額外準備時間。此外，實驗時教師只能將學生帶入配有較多電腦的數字化實驗室，或教師攜帶一份設備在教室做展示實驗，實驗開展非常不便。

縱觀現代化科技發展歷程，站在物理實驗教學裝備發展的角度，不難看到數字化實驗室的“后浪”——融合多種傳感器的現代智能手機。我們應該取其精華：靈敏的數字化傳感器和可視化界面；去其糟粕：改良外形，使其集成化、微型化、可移動化。2018年起出產的大部分國產手機，均已配有加速度傳感器、力傳感器、光傳感器、紅外線傳感器等28種獨立的現代數字化傳感器[5]，對于更高要求的實驗，還可以外接其他傳感器設備。同時，結合Phyphox等可視化軟件，即可構建“指尖上的集成實驗室”，完美替代笨重的數字化實驗室裝備。通過同屏軟件，還可以與線上課程、遠程教育完美兼容，推進鄉鎮物理實驗教學的開展。各個階段物理實驗室裝備對比情況如表1所示。

3" 實踐創新：STEM教育現代化視域下高中

物理實驗案例

以STEM教育理念為指導，以現代化集成實驗室裝備為工具，引導學生思考傳統實驗的局限性和數字化實驗裝備的技術優勢，讓學生使用手機等現代化設備自主設計改進方案，獲得更加科學可靠的實驗數據，在事實基礎上作出嚴謹分析。

案例1：測量重力加速度

【傳統實驗缺陷】傳統自由落體法中，紙帶與打點計時器存在無法避免的摩擦；測量紙帶的過程存在偶然誤差；若使用單擺法，其屬于小角度近似結果，不夠精確；若考慮角度修正，使用量角器測量擺角時又會出現較大誤差。

【數字實驗裝備】使用光電門替代打點計時器，雖然解決了紙帶摩擦問題并提高了精度，但每次實驗只能獲得一個平均數據，較為單一煩瑣。同時，對線上教育和遠程教育而言，學生端既無光電門這一裝備，也難以觀測教師端的實驗數據。

【集成實驗過程】準備具有加速度傳感器的智能手機、安裝Phyphox軟件，打開“加速度（不含g）”測量模塊，與授課端屏幕同步（便于學生直接觀測數據生成過程）。做好保護措施，開啟測量模式，將手機從某一高度釋放（無需嚴格要求初速度為0），即可獲得加速度隨時間變化的數據圖（圖1）。學生經分析可知，第一個明顯坡度的數據為下落過程中的加速度，手動選取數據得到重力加速度約為9.79 m/s2。

【教學經驗總結】從傳統實驗出發，層層遞進，引導學生逐步熟悉、掌握Phyphox這一現代技術，并培養他們的創新思維，思考如何打破常規地利用Phyphox代替傳統粗糙的實驗器材。通過實驗：1）學生能夠在完整的數據中發現問題，并獨立思考解答，例如：所有學生都發現了后半部分數據波動，并能馬上解釋這是由于手機落入緩沖裝置時顛簸導致的。2）精準實驗的誤差能夠激發學生強烈的學習動機，此時再由教師提出有效問題可以達到最佳教學效果，例如：教師讓學生仔細觀察下落階段（圖2），取兩點數據可以發現下落過程中加速度在減小。學生可能思考后仍感到困惑，此時教師再介紹手機所受空氣阻力會隨速度增加，學生便會恍然大悟、印象深刻。甚至部分學生還會進一步發散思維，主動提出利用圖2中加速度變化的斜率來探究該過程空氣阻力與加速度可能的關系式，并在課后開展相關課題研究。

案例2：研究超重和失重現象

【傳統實驗缺陷】傳統實驗局限于定性觀察，例如：觀察有孔礦泉水瓶下落過程中是否仍有水噴出；觀察視頻中電梯上升或下降過程中體重計的示數變化等。但觀察期間都無法進行定量計算研究，不符合高中生的認知發展。

【數字實驗裝備】使用壓力傳感器可以定量顯示電梯升降過程中壓力隨時間的變化情況，但在實際操作過程中需要將采集、處理數據的計算機放入電梯中，操作明顯不便。

【集成實驗過程】使用手機代替繁重的壓力傳感器和計算機系列裝備，讓手機集傳感器、采集器、計算機于一體。將手機固定放置在電梯內，開啟“加速度（不含g）”模塊中的“z軸線性加速度”測量模塊，使用錄屏功能或與電梯外直播屏幕同步（建議遠程授課時使用錄屏功能，教師要做好準備，雖然電梯內已覆蓋信號，但直播效果不佳），開啟測量模式，讓電梯上升或下降并記錄數據。教師先給學生呈現數據圖（圖3），再讓學生回答電梯是在上升還是下降（數據圖以豎直向上為正方向），并取任一點數據來計算手機所受的支持力。

【教學經驗總結】對于超重、失重等抽象概念，傳統實驗常粗略地讓學生定性觀察，結果通常不準確，難以令人信服。現代化教育技術為高中物理教學提供了定性到定量轉變的有力支持。以人教版《物理實驗手冊》為例，經統計，其中所有的物理演示和學生實驗均可通過智能手機、數字化傳感器等現代教學裝備與簡單的實驗設計方案采集到科學嚴謹的數據。物理作為一門自然科學，在STEM教育現代化視域下，教師應當充分利用技術手段進行實驗創新，基于數據向學生傳授知識。

案例3：觀察多普勒效應

【傳統實驗缺陷】傳統實驗常將蜂鳴器綁在長竹竿上，在學生頭頂上方大范圍地快速盤旋，讓學生感受聲音尖銳程度的變化。但學生只能通過聽覺模糊感受接收頻率的變化，這種感受的可信度較低。

【數字實驗裝備】使用音頻傳感器記錄蜂鳴器遠離和靠近過程中的接受頻率，并與計算機連接進行可視化呈現。但常有學生質疑是蜂鳴器本身聲源頻率的改變，因此，實驗設計應當讓學生“看到”聲源頻率不變這一事實。

【集成實驗過程】打開手機端Phyphox“音頻發生器”模塊，設置聲源頻率，點擊播放，即可代替不穩定的蜂鳴器。教師在授課電腦端安裝音頻接收軟件，或在另一臺靠近授課電腦的移動設備（如手機、平板，安卓或iOS系統均可）中打開Phyphox“多普勒效應”模塊，記錄聲源遠離、靠近過程中的接收頻率，以此代替學生僅靠聽覺的定性感受。兩臺裝備同時與授課端電腦同屏（圖4），左半邊為聲源手機界面，呈現頻率恒為440 Hz的聲源；右半邊為接收端平板界面，呈現變化的接收頻率。

【教學經驗總結】通過同步對比兩者的教學，可以發現后者效果顯著：學生不僅可以定性地聽到尖銳程度的變化、定量地看到接收頻率的變化，還可以對比觀察到聲源本身頻率是穩定、無變化的。最后，學生通過采集數據（圖5），觀測到聲源手機在快速遠離接收手機時頻率可降低到345 Hz，從而自行得出遠離過程中接收頻率減小的結論。可見，通過現代教育技術手段填補學生對非可視化規律的認知缺陷，將成為高中物理現代化教育的重要組成部分。

4" 結束語

本文從理念升級、裝備升級、實驗創新三個方面探討STEM教育現代化視域下高中物理實驗轉型。以三個高中物理實驗項目為例，組織學生利用現代信息技術進行創新設計，以STEM教育理念為指導，以現代化集成實驗室裝備為工具，讓學生使用手機等現代化設備自主設計改進方案，獲得更加科學可靠的實驗數據，實現了高中物理實驗教學由粗放向創新、精細、嚴謹的轉變。由于學生對智能手機非常熟悉，因此不會對手機實驗產生畏懼心理，反而會積極主動地深入探究，甚至可能會比教師還熟悉各項實驗操作。對于鄉鎮學校而言，用手機做實驗既解決了組織實驗教學難的問題，又有助于促進教育的區域平衡。同時，現代化集成實驗室的模式不僅滿足了線上和遠程物理實驗教學的需求，也為STEM教育項目活動的開展提供了基礎保障，從而推動高中物理實驗教學以更優質的方式實現普及。

5" 參考文獻

[1] 何克抗.如何實現信息技術與教育的“深度融合”[J].課程·教材·教法，2014，34（2）：58-62，67.

[2] 谷峪，李玉靜.現代化視域下高中階段教育普及發展：國際特征與我國策略：基于現代化框架下我國與發達國家的多維度比較[J].現代教育管理，2017（5）：1-8.

[3] 趙宸.中小學STEAM課程設計模型建構及案例設計[J].中國教育技術裝備，2018（18）：64-68.

[4] 中共中央、國務院印發《中國教育現代化2035》[EB/OL].（2019-02-23）[2024-06-10].https：//www.gov.cn/zhengce/2019-02/23/content_5367987.htm.

[5] 何璐，祖米熱姆·伊馬木，方偉.phyphox軟件介紹及其在物理教學中的應用[J].物理通報，2020（2）：101-104，108.