基于初中物理实验分类的视频开发策略探析

物理是一门以实验为基础的自然学科，具有很强的实践性。实验教学是发展学生学科核心素养的重要路径。《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称“课标”）指出，发挥实验在物理教学中的重要作用需要合理開发实验教学所需课程资源[1]。物理实验视频是录制者用摄像机或手机等设备将实验过程全程录制下来，运用动画或视频处理技术，制作模拟整个实验过程和实验现象，并能在计算机多媒体上播放的视频[2]。目前的实验视频通常以标准的模板、程序来开发，整体性和系统性较强，但是较难体现具体实验的个性化特点。为了开发更加符合教学需要的实验视频，我们需要对实验进行归类分析，根据每类实验的特点、价值和难点，针对性开发能够凸显其育人价值的实验视频。笔者将中学物理实验分为体验类实验、观察类实验、操作类实验、测量类实验、探究类实验、制作类实验六类。在分析每类实验特点的基础上提出基于不同类型实验个性特点的开发策略：对于观察类实验，借助信息技术手段实现现象和原理的可视化；对于操作类实验，提供示范性实验操作和系统性方法指导；对于测量类实验，加强系统设计对实验中的一般性测量原理进行结构化呈现；对于探究类实验，聚焦探究能力的培养；对于制作类实验，优化改进设计，渗透工程技术思想。基于不同类型实验的共性特点提出开发策略：设置合适的引导问题，深入挖掘实验的育人价值；做好交互设计，使实验视频更加适配教学；提供基于实验分类的视频检索路径，使实验视频更加适教利学。一、实验分类及说明通常实验被分为教师演示实验、学生动手实验和拓展实验三类，这种分类不利于突出实验的特点，不利于学生把握实验的本质特征。笔者以人教版教科书物理八年级上册（2012年版）、八年级下册（2012年版）和九年级全一册（2013年版）为例，对157个初中物理实验进行了系统梳理，将实验从能力角度分为体验类实验、观察类实验、操作类实验、测量类实验、探究类实验、制作类实验。（一）体验类实验体验，顾名思义，就是用“身体”亲自去实验。体验类实验需要学生的感觉器官切实参与到实验的过程中，获得对实验结果的直接感受。体验既是实验过程，又是实验结果；既是实验方法，又是实验目标。例如，一个学生敲桌子，另一个学生耳朵贴桌，听从桌面传过来的敲击声，在亲身体验中认识固体可以传声；将空的饮料罐按入装满水的烧杯中，手能够感受到浮力，建立对浮力的直观认识；将酒精擦在手背上，酒精蒸发使手背有冰凉的感觉，从而建立蒸发吸热的认知。（二）观察类实验观察类实验指学生观察实验的现象和结果，并加以分析、归纳从而理解物理概念和规律，培养模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等思维能力。例如，学生在鼓面上放碎纸屑，敲击鼓面，观察纸屑运动情况，分析声音产生的条件；观察光在空气中的传播路径、在水中的传播路径、在玻璃中的传播路径、在不均匀糖水中的传播路径、在两种介质中的传播路径，形成对光沿直线传播规律的科学认知。（三）操作类实验操作类实验以操作为手段，以仪器的正确使用和物理程序的正确实施为目标，旨在培养学生的操作能力和实验技能，进而帮助学生养成规范、严谨的科学态度[3]。例如，练习使用电压表、练习使用电流表、练习使用弹簧测力计都是常见的操作类实验。需要说明的是，有一些实验，如用刻度尺测量长度、用停表测量时间、用温度计测量水的温度等，从教学目标的角度来说也是指向仪器的正确使用。这类实验也可归为操作类实验。（四）测量类实验测量类实验以实验器材的应用为手段，以物理属性的量化表达为目的[4]。测量类实验的主要目的为规范使用测量工具进行基本物理量的测量，使学生提高测量技能，学习测量中蕴含的科学思想方法。测量类实验建立在操作类实验的基础之上，学生需要明晰实验原理，确定待测定的物理量，如测量物体运动的平均速度、测量凸透镜的焦距、用天平测量液体的质量等。（五）探究类实验探究类实验是学生在具备基本实验技能的基础上，经历提出问题、猜想假设、设计方案、进行实验、收集证据等过程，分析证据，得出结论，并能够对探究过程与结果进行科学评估和恰当呈现的综合性活动[5]。研究问题一般涉及研究对象特点、某一特点的影响因素、与其他对象之间的关系等，如探究固体熔化时温度变化规律、探究水沸腾时温度变化特点、探究光反射时的规律等。（六）制作类实验制作类实验指学生针对应用类物理问题，创造性地构思实验方案，运用所学知识、技能和方法，制作出有形作品的过程。例如，课标及教材中提到的制作出能够展示物理本质的模型、简单的测量工具和简易的仪器，包括自制温度计、自制模型照相机、自制气压计、制作机翼模型、用橡皮泥制作能够承载重物的小船、让线圈转起来（自制小电动机）、自制太阳能热水器等实验。二、特点分析开发实验视频需要关注不同类型实验的特点，考虑实验教学的具体困难及不同实验在落实核心素养培养要求方面的育人价值和教学目标，针对性组织能够切实辅助课堂实验教学的视频资源。（一）数量分布情况初中物理各类型的实验数据统计情况如下：在157个初中物理实验中，观察类实验有86个，占比55%，是初中物理实验教学中最主要的一种形式；课标中要求的学生必做实验分别归属于操作类实验、测量类实验、探究类实验中，这三类实验共56个，占比36%。设计实验视频时需要考虑教学场景和教学要求，关注观察类、操作类、测量类、探究类实验资源的设计。（二）教学难点分析实验在物理教学中占有重要地位，不可或缺，但实践起来存在诸多问题和困难，这些问题和困难有哪些能够通过数字化手段破解，则是我们开发实验视频资源需要重点关注的问题。体验类实验中，学生在真实、简单、直观的实验情境中获得最直接的感受，进而实现对相关知识的理解和认知。学生参与体验类实验不需要专门的实验仪器，操作难度较低。体验类实验中最重要的目标和变量就是学生的直观感受，但是它不可定量、不可替代、不可评价。对于体验类实验，从应用的角度来说，实验视频在增强学生体验这方面的作用较弱。常规的体验类实验不需要开发相应的实验视频。观察类实验中，学生的实验行为更多的是对实验过程和结果的观察、分析、加工与提炼。观察类实验教学主要难点是某些实验现象不明显、不清晰或可视性低，某些实验现象或结果的记录、保存、再现难度大，从可观察的实验现象到背后的实验原理理解梯度大。根据观察类实验的教学要求和教学难点，我们开发实验视频应充分发挥信息技术手段的优势，实现实验现象、实验过程和实验原理的可视化。操作类实验教学的主要目标是培养学生的实验操作能力，包括选择合适的实验仪器、规范的操作方法和正确的读数方法等。操作类实验在教学中的困难主要体现在学生对实验仪器不熟悉、参考资料不够、缺乏专业的指导人员等以致学生不知道该如何操作。开发实验视频需要重点关注实验操作的规范性。测量类实验、探究类实验、制作类实验属于需要学生在具备观察和操作等基本实验技能的基础上开展的综合性实验活动。实验过程中，学生既需要对现象和过程进行观察，又需要规范操作，还需要对研究问题进行理论分析。在分析基础上设计方案，完成实验操作，经历现象观察、数据分析和处理等过程。开发综合类实验视频，不仅需要关注实验现象的展示和规范操作的示范，而且需要分析过程加强对学生的引领和启发。三、研发策略（一）针对不同类型实验的个性特点设计视频1.观察类实验：借助信息技术手段实现现象和原理的可视化针对某些观察类实验现象不明显或可视性差的问题，开发者设计实验视频时可以利用慢录快放、快录慢放、放大（以小见大）、定格（以静制动）等技术手段，将某些不易观察、不好记录的现象呈现出来，真正实现实验现象可视化。例如，对于液体扩散实验，硫酸铜和水之间的扩散现象完整进行需要30天，在课堂教学中很难实现。可采用延时摄影的方式，将30天内录制的实验过程以10万倍速的速度在几十秒钟内播放出来，实现长周期实验过程的可视化。很多观察类实验的教学目标是依据观察到的实验现象进行分析、加工与提炼，实现对相关物理概念或规律的建构。观察现象是手段，理解现象背后的原理是目的。从观察现象到理解原理存在认知梯度，实验视频设计开发者针对这样的实验可以在现象观察的基础上利用语言、动画、文字等多重表征，形象展示实验原理，实现物理实验原理的可视化。例如，在太阳光的色散实验中，太阳光照射水下的平面镜，反射到白墙或白纸上，学生可以观察到太阳光的色散现象，但是太阳光能够发生色散现象的原因却无法直观呈现。开发者设计实验视频时可以利用图形、文字、语音等多重表征，将实验原理展示出来（如图1）。2.操作类实验：示范性实验操作和系统性方法指导为达到操作类实验的教学要求，视频开发者需要针对教学难点设计操作类实验视频：在内容选择上，要尽量呈现实验仪器的构造、规范的操作方法和读数方法及注意事项等；在拍摄过程中，尽量保证长镜头拍摄，避免频繁切换场景；在技术处理上，尽量多机位拍摄，在全景和特写之间适当切换，供学生操作时参考。例如，用托盘天平测量物体的质量，实验视频中详细介绍了托盘天平的构造、调平方法、测量过程及操作的注意事项等。对于操作类实验，开发者可按一般原则和方法进行整体设计和结构化呈现。初中物理8个操作类实验中的7个是使用仪器直接测量，从教学目标上来说指向刻度尺、秒表、温度计、弹簧测力计、电流表、电压表、天平等测量仪器的使用。这些测量仪器的操作原则和方法很多是一致的，开发者可以系统设计视频内容。例如：实验开始之前都涉及仪器的选择，仪器的选择需要考虑测量的可行性，也就是需要选择合适的量程和测量精度，在合适量程的情况下尽量选择更精确的测量仪器；实验过程中需要考虑测量仪器的起点，如刻度尺的使用中需要观察零刻线、天平的使用中需要先调平、秒表的使用中需要先复位、弹簧测力计的使用中需要先调零、电流表和电压表的使用中需要先机械调零等。基于以上分析，开发实验视频需要以一致性的问题统领操作性实验的设计，引导学生在经历多个操作性实验之后，归纳总结出其中蕴含的思想方法，用科学方法引领学生提升实验操作能力，避免常规课堂上经常出现的机械记忆。3.测量类实验：系统设计，对实验中的一般性测量原理结构化呈现初中物理测量类实验从内容要求来说差异很大，覆盖力、热、声、光、电等不同知识模块，但是从能力要求及科学方法的角度看具有一致性和共通性。因此，开发者宜系统设计实验视频，使科学方法明晰呈现。初中物理13个测量类实验中有10个是利用两个物理量的比值、乘积或差来表征的（见表1）。用两个物理量的测量值来表征待测物理量是初中物理测量类实验的主要形式。实验者用这种形式测量，条件是两个物理量要相互对应，对应同一段时间、同一个过程或者同一个研究对象。实验视频开发者基于此设计视频并系统呈现，可以帮助学生树立教学一致的观念，避免只见树木不见森林、细碎知识点零散分布。4.探究类实验：聚焦探究能力的培养探究类实验不仅关乎理解物理知识和原理这些教学目标的达成，而且关乎学生探究能力的培养。探究能力主要包括基于现象提出问题的能力、有根据的猜想与假设的能力、设计实验方案的能力、实验与收集证据的能力、对实验数据加以分析与论证的能力、对实验过程和结果进行评估的能力等。这些探究能力的培养渗透在各个探究类实验方案中。开发探究类实验视频不仅需要关注實验现象和过程的展示，而且需要聚焦学生完成每个实验需要具备的探究能力，提供适配设计，搭建支架，助力学生能力发展。例如，“探究平面镜成像的特点”实验方案的设计关键是确定像的位置和大小。为什么要用半透明的薄玻璃板代替平面镜？很多学生并不清楚。以往的实验视频大多直接呈现教材中设计好的实验方案，掩盖了实验方案的设计过程，不能实现指向理解的教与学[6]。为了解决这个问题，开发者可以在实验方案设计阶段并列呈现如下情境：直接用平面镜成像，未点燃的蜡烛不能与像重合；用透明的玻璃板成像，未点燃的蜡烛与像重合，但像不清楚；用半透明的玻璃板成像，未点燃的蜡烛与像重合，且像比较清楚；用半透明的厚玻璃板成像，像出现重影现象……多方案比较，使“用半透明的薄玻璃板代替平面镜”水到渠成。5.制作类实验：优化设计渗透工程技术思想制作类实验中，学生需要运用所学知识、技能和方法，制作出有形作品。制作类实验不只涉及物理学科知识和原理，还涉及一些工程技术的实现方式。制作类实验视频应能呈现作品的制作过程，根据需要呈现作品改进和优化的思路，引导学生深入思考和探索。例如，“自制温度计”实验中，在呈现制作过程的基础上，视频就给出了改进作品的思路和方向：玻璃管的粗细是否会影响温度计的测温效果？瓶子的大小是否影响温度计的测温效果？如何提供所测温度的具体数值？……学生循着这些问题进行研究，既能顺利进行后续“温度计结构”和“摄氏温度”的学习，又能逐步领会工程技术优化、更新、迭代的思想。（二）针对不同类型实验的共性特点设计视频1.设置合适的引导问题，深入挖掘实验的育人价值在与教师访谈过程中笔者了解到，实验教学的难点不只体现在实验观察和操作上，还体现在对实验的分析上、对研究问题的引导上、对实验价值的挖掘上。开发者设计实验视频，需要考虑引导问题的设计，为教师的实验教学提供参考。例如，在碘的升华和凝华实验中，由于人感觉器官的限制，碘到底是直接从固态变成气态还是从固态先变成液态再变成气态。在时间短、碘数量少的实验条件下，学生很难分辨，这会引起质疑、引发思考。实验视频给出了背景信息“水的沸点为100℃，碘的熔点为114.15℃”，并适时提出引导性问题“请分析碘有没有可能是从固态先变成液态再变成气态的”。在理论分析的过程中，学生结合