實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)情感態(tài)度與價值觀的主要途徑。信息技術(shù)與物理課程的整合催生并發(fā)展了數(shù)字化實驗，為物理教學(xué)注入了新的活力。筆者結(jié)合教學(xué)需求，設(shè)計并實施了高中數(shù)字化物理實驗校本課程，并進行了評估。

一、背景

（一）發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的需要

核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會需要的必備品格和關(guān)鍵能力，物理學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特征的品質(zhì)，主要由物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個方面構(gòu)成。要提高學(xué)生物理核心素養(yǎng)，教師需要在物理教學(xué)之中注重科學(xué)探究，尤其要注重物理實驗。在學(xué)校數(shù)字化物理實驗室的幫助下，筆者設(shè)計高中數(shù)字化物理實驗校本課程，并探索提高學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的路徑。

（二）物理教學(xué)有改進的需要

現(xiàn)階段，一些學(xué)校的物理教學(xué)還停留在搞題海戰(zhàn)術(shù)應(yīng)試的層面，物理教師很少對學(xué)生實踐能力進行訓(xùn)練，對實驗教學(xué)不夠重視，很多時候?qū)W(xué)生實驗變成教師演示實驗，將教師的演示實驗變成口頭實驗。更有甚者，不做實驗而直接進行理論講解和解題訓(xùn)練。如何除掉這些痼疾，是一項緊迫的任務(wù)。設(shè)計并實施數(shù)字化物理實驗校本課程，有望成為一條實質(zhì)性的革新路徑。物理教師開展數(shù)字化物理實驗，將信息技術(shù)與物理教學(xué)有機結(jié)合，可以豐富物理實驗的內(nèi)容、方法與手段，有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力。

（三）高中有開展數(shù)字化物理實驗的需要

數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗（Digital Information System，簡稱DIS）通過各種傳感器將學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦，可快速、準(zhǔn)確、動態(tài)地采集實驗信息。DIS實驗具有穩(wěn)定、數(shù)據(jù)讀取方便、實驗誤差小等特點，易于處理數(shù)據(jù)和繪圖，節(jié)省實驗時間。教師開展DIS實驗教學(xué)有利于學(xué)生將精力放在實驗的設(shè)計、探究的過程，以及對物理原理的理解和應(yīng)用上。教師開展數(shù)字化實驗教學(xué)，可創(chuàng)設(shè)新型學(xué)習(xí)環(huán)境，豐富探究工具，提高物理實驗教學(xué)效率，訓(xùn)練學(xué)生探究問題的思維，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，特別是創(chuàng)新能力。

二、設(shè)計

高中數(shù)字化物理實驗校本課程以高一學(xué)生為教學(xué)對象，以數(shù)字化探究實驗為主要課堂載體，故命名為“DIS探究課堂”。筆者以三維立體發(fā)展式目標(biāo)體系為導(dǎo)引（如圖1），體系化建構(gòu)四類課程內(nèi)容，打造特色課程和精品課程。

（一）課程目標(biāo)構(gòu)建

為發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)，促進教師能力發(fā)展并帶動學(xué)校課程建設(shè)，筆者創(chuàng)建了三維立體發(fā)展式目標(biāo)體系，讓學(xué)生、教師與課程交互影響。“三維”代表學(xué)生發(fā)展、教師發(fā)展、課程發(fā)展，在圖1中分別用軸、軸、軸表示。在課程實施中培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，同時推動教師專業(yè)水平的提升，進而引領(lǐng)課程建設(shè)，三者相互促進，良性發(fā)展。

課程教學(xué)的核心目標(biāo)是發(fā)展學(xué)生能力，具體目標(biāo)包括：（1）學(xué)生通過動手實踐了解各類傳感器的簡單應(yīng)用方法，增長物理知識;（2）學(xué)生獨立利用DIS設(shè)備完成課程標(biāo)準(zhǔn)要求的物理實驗，增強動手能力和科學(xué)探究能力;（3）學(xué)生按照要求設(shè)計探究實驗方案并得出實驗結(jié)論，發(fā)展自身的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。此外，還設(shè)定了教師發(fā)展和課程發(fā)展兩大目標(biāo)：一是教師通過實踐，具備獨立設(shè)計并開設(shè)一門優(yōu)質(zhì)校本課程的能力;二是通過課程的設(shè)計與開設(shè)填補本校實驗類校本課程空白，編寫校本教材。

（二）課程內(nèi)容設(shè)置

根據(jù)實驗知識、技能、能力等訓(xùn)練目的和功能的標(biāo)準(zhǔn)分類，課程內(nèi)容包括測量性實驗、驗證性實驗、探究性實驗和拓展性實驗四類。

1. 測量性實驗

學(xué)生通過各類傳感器對未知的物理量或物理常數(shù)進行測定，了解不同傳感器的功能，掌握操作方法及注意事項（見表1）。

2. 驗證性實驗

學(xué)生具備基本數(shù)字實驗技能即可針對已學(xué)物理知識或結(jié)論設(shè)計實驗，驗證所學(xué)知識的正確性，如研究勻變速直線運動、兩個互成角度力的合成規(guī)律，驗證機械能守恒定律等。

3. 探究性實驗

在未知知識和規(guī)律的情況下，學(xué)生通過設(shè)計、操作、分析，學(xué)習(xí)知識，探究規(guī)律，如探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系，加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系等。驗證性和探究性實驗課程的設(shè)計主要針對必修課程要求的實驗。筆者將這部分實驗以DIS的形式重新演繹，是對傳統(tǒng)實驗的補充和強化。主要實驗為以下7個（見表2）。

4. 拓展性實驗

拓展性實驗是以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、聯(lián)系生活實際為目標(biāo)的課外探究實驗。主要特點如下：（1）實驗主題具有開放性。主題可以是教師提出的實驗課題，也可以是學(xué)生遇到的實際問題;可以是物理學(xué)科自身研究主題，也可以是學(xué)科融合問題。（2）實驗設(shè)計具有靈活性。設(shè)計基于課堂教學(xué)，也可以靈活調(diào)整、改編或創(chuàng)新，具有一定的靈活性。（3）對實驗主體（即學(xué)生及其實驗團隊）要求較高。學(xué)生參與拓展性實驗活動，不僅要熟練掌握相關(guān)知識技能，而且要有獨立思考、合作探究等能力（見表3）。

三、實施

為構(gòu)建三向立體發(fā)展式目標(biāo)體系，筆者建設(shè)高中數(shù)字化物理實驗校本課程時將學(xué)生學(xué)習(xí)、教師研究與課程開發(fā)整合為一體，在學(xué)校的校本選修課程中開展教學(xué)實踐，每次教學(xué)（兩課時）讓學(xué)生完成實驗的設(shè)計、操作、數(shù)據(jù)處理、誤差分析等環(huán)節(jié)，形成實驗報告，最后匯總成為完整的課程資源（校本教材）。

（一）教學(xué)模式

如何實施課程？筆者根據(jù)四類實驗課程的內(nèi)容要求分別采用四種模式教學(xué)。

測量性實驗比較常見，如利用位移傳感器測量自由落體物體的位移、利用力傳感器研究物體在超重失重狀態(tài)下拉力的變化、利用光電門傳感器測量瞬時速度等。筆者通過任務(wù)鏈讓學(xué)生明確目標(biāo)，掌握實驗儀器的使用方法，讓學(xué)生通過具體操作獲得實驗數(shù)據(jù)，并得到初步的結(jié)論（如圖2）。

對于驗證性實驗，如驗證機械能守恒定律、驗證動量守恒定律等，筆者采用圖3所示的模式教學(xué)。學(xué)生根據(jù)實驗?zāi)康闹朴唽嶒灧桨福孪雽嶒灲Y(jié)論，最后用實驗數(shù)據(jù)來檢驗猜想或假設(shè)，并對實驗數(shù)據(jù)的合理性做出初步判斷。

對于探究性實驗，如探究平拋運動的特點、探究影響向心力大小的因素等，筆者采用圖4所示的模式教學(xué)。學(xué)生從實際出發(fā)，提出要探究的問題，再通過實驗測量和分析得到初步結(jié)論，最后討論實驗現(xiàn)象和結(jié)果，達成共識，探究物理規(guī)律。

開展拓展性實驗時，教師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、設(shè)計方案，并通過實驗解決問題。學(xué)生參與此類實驗需要經(jīng)歷完整的科學(xué)探究過程，包括圖5所示的七大步驟。首先學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)與物理有關(guān)的問題，對問題的答案提出假設(shè)或可能出現(xiàn)的實驗結(jié)果的預(yù)測，接著設(shè)計實驗方案，嘗試選擇實驗方法及所需要的裝置與器材，進行實驗并完成實驗數(shù)據(jù)的記錄、整理，再利用已有的物理知識對數(shù)據(jù)進行分析、討論。如果發(fā)現(xiàn)問題，學(xué)生通過研討對實驗方案進行修正，得到結(jié)論，分享心得。

（二）教學(xué)策略

在課程實施過程中，筆者探索出四種行之有效的教學(xué)策略。（1）注重“動手做”，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷實驗探究過程。課堂上教師一定要鼓勵學(xué)生動手，讓學(xué)生真正經(jīng)歷探究過程，培養(yǎng)學(xué)生勇于探究的科學(xué)精神。（2）強調(diào)“我來做”，注重學(xué)生親身設(shè)計實驗方案。教師要引導(dǎo)學(xué)生進行實驗方案的“真設(shè)計”，避免出現(xiàn)學(xué)生按照教師設(shè)計好的實驗步驟進行“假設(shè)計”，只有這樣才能調(diào)動學(xué)生的主動性，讓學(xué)生體會科學(xué)探究的艱辛與樂趣。（3）關(guān)注誤差分析，注重實驗過程中的經(jīng)驗積累。實驗數(shù)據(jù)往往與理論值有一定差異，不必過于追求實驗數(shù)據(jù)與理論值完全一致。恰恰相反，兩者不同才是科學(xué)的魅力所在。教師引導(dǎo)學(xué)生分析數(shù)據(jù)、找出實驗數(shù)據(jù)與理論值之間產(chǎn)生差距原因更能夠體現(xiàn)科學(xué)探究的價值和批評質(zhì)疑的精神。（4）重視評估，促進實驗方案和實驗結(jié)果的修訂與完善。完成實驗并不是課程的結(jié)束。教師應(yīng)要求學(xué)生每次實驗后進行反思，就實驗方案的完善、實驗結(jié)果的修訂等進行總結(jié)交流、深入討論，幫助學(xué)生有所思、有所悟，這樣有利于學(xué)生消化相關(guān)知識并靈活應(yīng)用。

四、評估

筆者對課程教學(xué)的評估既關(guān)注過程又關(guān)注結(jié)果，力求將學(xué)習(xí)與評估融合，實現(xiàn)以評估促學(xué)習(xí)。

（一）過程性評價

開展過程性評價，旨在通過搜集學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的具體材料，全面了解學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的整體表現(xiàn)。過程性評價基于學(xué)生提交完整實驗報告開展。

（二）終結(jié)性評價

高中數(shù)字化物理實驗課程與普通物理實驗不同，具有開放、靈活、創(chuàng)新等特點。課程終結(jié)性評價，不僅關(guān)注學(xué)生對物理基礎(chǔ)知識與基本技能的學(xué)習(xí)情況，而且強調(diào)對學(xué)生“發(fā)現(xiàn)問題—提出問題—設(shè)計方案—自主探究—解決問題”等科學(xué)探究素養(yǎng)的考查。教師在學(xué)期結(jié)束前布置學(xué)生設(shè)計一個探究實驗，并利用實驗室的器材完成實驗撰寫完整的實驗報告。具體要求如下：學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識提出要探究的問題（盡量聯(lián)系生活實際），提出設(shè)計方案，再利用數(shù)字化實驗室的器材完成實驗，并在課堂上交流實驗結(jié)果和分享探究體驗，由同伴和教師共同給出評價意見。

五、成效

（一）促進學(xué)生物理核心素養(yǎng)提升

高中數(shù)字化物理實驗課程教學(xué)激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。教師通過創(chuàng)設(shè)良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生的實驗探究能力，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。在學(xué)校實施此課程一年后，筆者對參與課程學(xué)習(xí)的48個學(xué)生進行了訪談。他們非常認(rèn)同課程在培養(yǎng)科學(xué)探究能力的作用，普遍認(rèn)為動手能力得到提升、探究的意識得到加強，同時對相關(guān)的物理知識有了更深的了解，還會查找資料和做一些小實驗來驗證自己的某些猜想。如格致班的周同學(xué)想知道廣州地區(qū)的重力加速度的準(zhǔn)確數(shù)值，就向?qū)W校借來了分體式位移傳感器，利用軟件得到了自由落體的-圖像并對其進行了二次多項式擬合，最終測得具體數(shù)值，之后又嘗試用光電門測速度的方法來驗證，看兩者數(shù)據(jù)是否一致?？梢?，此課程的開設(shè)在培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)、實事求是的科學(xué)精神和自主學(xué)習(xí)的能力方面起到了很好的作用，是提高學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的有效途徑。

（二）開辟教師專業(yè)發(fā)展的新路徑

物理教師不再是定理、定律和公式的“搬運工”，不再局限于應(yīng)高考之試。今天，教師的眼界更加開闊、工作熱情更高、手段更加多樣化。參與課程實施的幾位教師不僅在本課程中使用這些儀器，而且將這些儀器用到常規(guī)教學(xué)和公開課的教學(xué)中，起到了提升教學(xué)效果的作用。教師利用數(shù)字化實驗這種新的教學(xué)手段，能夠幫助自身研究新問題，與學(xué)生共同發(fā)掘和探究物理的奧秘，讓教師培訓(xùn)走上與新型技術(shù)相結(jié)合的道路。

（三）推動數(shù)字化實驗教學(xué)課程化

通過教學(xué)實踐的積累，數(shù)字化實驗不僅僅是一節(jié)課，而成為一類課程、一種方法、一種理念。我校已將此課程列為精品課程，列入經(jīng)常開設(shè)的校本選修課程。當(dāng)然，此課程還會發(fā)展和完善。信息時代，教師需要重新思考教育教學(xué)，依托先進的技術(shù)手段促進學(xué)生學(xué)習(xí)能力和科學(xué)素養(yǎng)的提高，借助實驗課程的舞臺形成先進的教育理念。

（作者系廣東實驗中學(xué)高級教師）

責(zé)任編輯：祝元志