数智时代物理实验教学新探索

高中物理是以实验为基础的学科。实验教学是重要的教学内容，在物理学科核心素养的培育中具有举足轻重的地位，是培养创新人才的重要途径。《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“课标”）提出要创新实验方式，重视数字实验，研究数字实验系统的应用。教育部等十八部门联合发布的《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》指出，要加强探究实验室、数字实验室等新型教学空间建设，探索利用人工智能、虚拟现实等数字化手段赋能实验教学；加强真实问题驱动下的跨学科项目式学习，强化学科实践，培养深度思维。在大数据时代背景下，教师基于智慧课堂开展高中物理实验教学，能有效提高实验教学质量。以建立基于数智系统的教学体系作为主要目标，建设智慧学习平台、数字化实验资源库、移动实验室，实现物理实验教学闭环，能有效改进实验教学：既能提高实验教学的精准性，又能提升师生的数字素养。一、传统之缺：条件受限影响实验教学效果受实验器材、实验场地、教学进度、教师理念等多方面因素的限制，传统模式下高中物理实验教学存在弊端，造成实验功效不断降低，甚至出现“探究退化为验证，验证退化为体验，体验退化为观赏，观赏退化为说题”的怪象，影响了实验价值的充分实现。（一）实验方案选择缺乏多样性对于物理原理的证明，往往可以提供多种实验方案。现行主流教材也提供了多种参考案例，但不少教师只凭经验教学，在缺乏对学情精准了解的情况下统一选择某一案例进行教学设计，造成学生体会不到不同设计方案所蕴含的不同思想，束缚了学生思维发展。（二）实验现场诊断交互性不强受实验设计方案、软硬件、时空等因素影响，会出现实验与预期不一致的现象。同时，由于学生的操作可能不规范，加之缺乏视频捕获工具及交互性工具，教师无法用现场视频片段演示等手段及时精准诊断。例如，在学生分组探究“静电屏蔽规律”时，大多数组能发现金属筒内丝箔未张开，从而得出金属筒内部不带电的结论。但是，个别组发现内部丝箔张开了，实验没有成功。如果教室内有智慧交互系统，教师可以现场拍照，并马上将现象投射到全体学生面前，发动学生交流析疑。（三）实验效果评估精准度不高一些学生在实验中，记录数据不够严谨，遇到异常数据刻意规避，不深入探究。因为缺乏实验数据处理环节，缺少成果展示及交流评议平台，教师无法精准评估实验教学效果。此外，还存在其他问题，如缺乏实验资源利用的开放性、实验与习题教学的融合性、课外生活情境实验的拓展性等。二、数智之光：数字化改进实验教学恰逢其时（一）数智系统应用引发教学新变革数智系统指集成数据分析、人工智能、物联网等多种信息技术的智能系统，由数据智能终端系统搭建，主要以连接、计算、协同、数据与智能为核心能力组成要素，注重数据的智能化分析与处理及数据应用，在数字化基础上实现决策自优化、执行自动化与自我学习提升。随着互联网、大数据技术、人工智能（AI）的广泛应用，教育工具和方法也在不断更新。交互式电子书包、虚拟实验仿真系统、视频图像处理软件等都已成为常见的教学工具。“知乎直答”“文心一言”“Kimi”等AI聊天机器人的应用，更是将教学互动提升到了一个新的层次，使得教学环境变得更加丰富多彩，同时也为学生提供了更加个性化的学习体验。（二）数智系统有效促进个性化教学数智时代，学校实施个性化教学已成为必然趋势。以“数据分析—特征发现—智能干预”为特征，构建个性化的“学习—诊断—干预”闭环模式，是实现这一目标的关键。数智系统在物理实验教学中的应用是一项系统工程。它涵盖了从实验目标的确立、实验方案的优化设计，到实验现象的即时诊断，再到实验数据的处理与评估等多个层面。教师在营造数智化教学环境时，需要不断创新实验教学形式。这不仅能够实现课堂实验教学的闭环管理，提高教学效率，而且能够拓展课外实验的时间和空间，让学生在任何时间、任何地点都能进行实验学习。（三）师生数据素养需要在技术应用中提升有了数据的助力，教师可以更精准地进行教学，学生也可以根据自己的学习进度和理解程度进行个性化学习，从而提高学习效率。此外，提高师生的数据素养也是教学中不可忽视的一环。教师需要掌握如何利用数智系统进行数据分析、特征发现和智能干预，学生则需要学会如何利用这些工具自主学习。这不仅能够提升学生的数据分析能力，还能够培养他们的创新思维和问题解决能力。总之，数智系统在实验教学中的应用，不仅能够提升教学的质量和效率，而且能够为学生提供更加丰富和个性化的学习体验。随着技术的不断进步，可以预见，未来的教育将更加智能化、个性化，而数智系统将在这一过程中发挥越来越重要的作用。三、数智之行：改进实验教学的关键举措（一）改进智能教学平台学校需要营造高标准的智能教学环境，建立智慧教室、智慧实验室、“智学网”精准作业系统、数字化终端实验资源库等，支持教师借助人工智能、知识图谱及大数据自动分析技术，为学生打造个性化在线学习平台。笔者所在学校为每位学生免费提供平板电脑，配置相应系统（内置丰富的实验教学工具），支持教师在讲解时随时调用资源。智慧教室具有AI课堂实录分析系统，能对教师教学行为进行智能记录，包括教学场景分析、教师提问分析、S-T教学分析、教师巡视分析。学生学习行为及其频率会被自动记录，进而实现教学环节与学生学习行为的联动与智能分析。如何建设与数字化终端匹配的实验资源库？笔者依托“之江汇”（教育广场）数字平台，建立校本实验资源库，提供与主流教材配套的优质实验教学资源，利用学生电子书包终端支持学生按专题检索内容、阅读学习，突破时空限制。资源库板块包括：（1）多元设计区，对于同一实验设计不同方案并准备对应的实验器材，针对课标要求的21个必做实验，教师逐一录制操作演示视频；（2）虚拟实验室区，包含数字化虚拟实验装置、数字化实验系统等；（3）诊断把脉区，收录实验现场视频片段，以便为学生诊断把脉；（4）生活中的物理原理区，载有情境化的小实验、生活及科技应用中的各类真实影像，以及建模后的配套习题，旨在促进实验与习题教学融合；（5）物理学史区，让学生了解物理学家在发现或探究物理规律时，是如何基于当时的条件运用实验原理和方法的；（6）题库区，包含历年高考及各地联考试卷中优秀的实验题，以及主流物理教学期刊上刊载的对实验题的评论性文章等。（二）探索基于数据的实验教学模式笔者以电子书包为载体，在教学活动中采取虚拟与现实相结合等多种方式，多维度、多层次地动态呈现教学内容，实现教与学的交互，满足课前预习、课中交互和课后拓展、辅导交流等多场景需求。笔者基于实验教学实践构建了“三维五环”数智课堂实验教学模式（如图1），以提高物理教师应用信息技术进行学情收集、学情分析、教学设计的能力，实现学情数据化和学生思维可视化、学习个性化，将数据与“学生的学”“教师的教”紧密联系，形成良性闭环。课前准备：利用“智学网”等智能教学平台，发布微课并提供多个实验设计案例，引导学生进行课前自主学习。笔者应用系统平台并借助数据分析技术，对学生课前学习情况进行全程记录统计，基于精准的数据分析，及时调整实验教学设计，达到“预习起点可视化，目标设定更合理”的效果。以“验证动量守恒”的探究为例，教材提供了两个参考案例：“研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒”（案例一）和“研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒”（案例二）。案例二装置与之前“研究平抛运动规律”实验装置相同，笔者预先基于案例二做了教学设计。在教学中，平台反馈学生对气垫导轨、光电门、橡皮泥等器材及此套装置呈现的不同碰撞场景更感兴趣，立即调整教学设计，更换学生实验装置为案例一中的装置。课中交互：学生利用平板电脑将小组协作完成的实验结果在班级内分享，交流互动，展开评价并进行思维交锋。笔者利用“希沃授课助手”及时捕获实验操作影像，零距离交互，进行实时现象分析、诊断把脉。为了引导学生分析抽象的物理过程，笔者借助虚拟仿真实验呈现问题情境，模拟演示动态过程，利用图表数字化功能，提高教学的交互性和可视化程度。引导学生在交互中收集数据，分析规律，解释现象，提高了学生建构模型、科学思维和科学探究的能力，以及基于证据得出结论的素养（如图2）。课后反馈：笔者借助平台，让学生在课后进一步分析实验数据并进行交流。教材提供的同一实验的不同参考案例也通过平台供学生操练。教师批阅以后，平台及时提供学生作业情况统计表，帮助教师根据数据解决班级共性问题，实现精准教学。为巩固实验效果，笔者要求学生借助虚拟数字化仿真实验系统进行操作。此外，根据学生自身情况，推送微课等数字实验资源，做到查缺补漏，以“学习需求分层化，自主学习循个性”为导向，用数据驱动精准教学和个性化学习。（三）建立基于数智应用的移动实验室2019年人教版物理教材中传感器实验共12个，其中3个是用手机传感器进行探究的实验。这些实例源自学生身边生活情境，它们利用手机的智能性，融情境、趣味、简便、高效为一体，给实验教学提供了新的思路和方向。智能手机是一种集众多强大功能为一体的智能设备，大多数智能手机至少包含12类传感器。这些内置传感器具有高灵敏性和数字化特点，可以方便迅速地采集现实生活或实验室中各类物理量数据，并进行多元化的数据分析处理。这些传感器所测量的物理量正是中学生要学习的主要内容，理论上讲可以用它们做非常多高精度的物理实验。基于智能手机传感器开发的实验探究App已大量上市，其中应用较多的有8类。手机物理工坊（Phyphox）是目前教师使用最广泛的软件之一，它充分应用了智能手机的传感器，能即时进行实验数据展示及实验数据导出处理。它的蓝牙模块支持手机与其他外接传感器开展物理实验，具有传统实验难以达到的精确度和实验效果。在Phyphox等软件的支持下，手机变成移动数智设备，成为理想的移动实验学习终端。以“超重和失重”为例，2019年人教版物理教材将此内容单列成节，注重学生在学习“超重和失重”过程中的体验和发现过程，凸显了基于真实情境的研究方法。在教学中，笔者先设计实验方案以实现现象可视化，即利用改装后的蓝牙传感器电子力秤，结合手机软件Phyphox和投屏软件，演示下蹲起立时的超失重现象，借助手机投屏，让学生清晰地观察实验数据。笔者让学生结合图像（如图3），思考以下3个问题：①蹲起经历了几个运动过程？②哪些阶段出现超重现象，哪些阶段出现失重现象？③若蹲起时经历一段较长时间的匀变速运动，图像有何变化？对第3问，笔者首先利用Phyphox实验程序编辑器，将力和加速度同步对比显示，实现实时可视化。然后，现场演示，得出结论，即“超重和失重”现象由加速度方向决定，与运动方向无关。最后，让学生体会牛顿运动定律中力和加速度的同步性关系。笔者分析在课堂上学生对此的理解、接受效果，发现学生情绪高涨，课堂氛围良好。利用智能手机开展物理实验教学有效提升了学生学习物理的自我效能感。物理概念与规律是实验与逻辑的结晶。学生学习概念与规律，得出结论，需要实验取证、验证。学生要想高质量进行实验，必须解决案例的普遍性和数据的真实性两个问题，但由于课堂时间有限，常规实验很难同时解决这两个问题。当物理现象不易观察，或者使用传统方法采集实验数据、处理过程繁杂，实验精度不高时，实验效果往往不理想。当前，视频分析与数据处理的信息技术软件众多，如VideoPoint、Tracker、Loggerpro、PhysicsToolKit、Ecolab3.0等，其中Tracker软件具有完全免费、功能强大、操作简单的特点。它能对研究对象逐帧进行追踪定位，创建出类似于频闪照片的效果，支持用户利用其数据分析工具快速、高效获取实验数据和图像。以“机械能守恒定律”为例，以往教师多采用演绎推理的方法利用自由落体实验进行验证，得出守恒条件。其实，这不符合由特殊到一般、由浅层到深度的规律探究要求。笔者改进了实验，在课堂上利用手机拍摄自由落体运动、平抛运动、斜抛运动三段视频，直接导入Tracker软件，并借助软件展示数据处理结果，让学生观察在用钢球作为研究对象时，各类运动机械能守恒，但用塑料球做研究对象时，运动时机械能不断减少。如此探究得出守恒条件更令人信服，让学生更容易理解守恒定律的内涵。课外，笔者建立移动实验室，设计拓展性的项目式学习活动，引导学生结合真实的问题情境，对生活中常见的物理场景如投篮、碰撞、蹦极等开展自主实验探究，抽象出各种运动的本质特征，并通过智能终端进行交流互动，加深对物理概念和规律的理解。如此，既能“玩机增智”，提升实验兴趣，又能拓展实验时空，提升实验素养。（四）搭建基于智能工具应用的交互场景作为一种外源性技术手段，数智技术正在重塑实验教学的模式和形态。以“文心一言”“Kimi”等为代表的生成性AI聊天机器人，能够使用自然语言模型和机器学习与人类交流。笔者将“Kimi”等智能软件作为教学工具，为每个学生提供定制化的学习支持。在教师指导下，学生借助多种智能工具和平台，自主、便捷地获取丰富的学习资源。例如，最美物理实验之一“密立根油滴实验——电子电荷量的测定”是电磁学的重要组成部分，以该实验为背景的习题大量出现，由于高中生所学知识有限，习题的命制者对实验过程作了较大的简化，没有展示出密立根油滴实验的精髓之处——电荷是量子化的，即任何带电体的电荷量只能是e的整数倍。为弥补不足，在课外项目式学习活动中，笔者首先让学生与“文心一言”或“Kimi”对话，查询资料快捷了解实验原理与过程。个别学生甚至搜索到密立根的原始手稿数据。学生进一步与AI工具对话，检索密立根油滴虚拟仿真实验，其中“豆包”直接提供视频资料。学生快捷找到资料，观看实验过程理解实验原理。笔者对原始数