人教社金新喜：高中物理教科书中数字化实验的正确打开方式
摘要：为落实课程标准的要求，新编人教版高中物理教科书设计了一些利用数字化实验器材完成的实验活动。教科书依据教学实际，在保证数字化实验的科学性、发挥其优点的同时，模糊数字化实验器材和传统实验器材的边界，聚焦实验的功能，旨在贴近生活、激发学生的学习兴趣，培养学生的科学探究能力。
关键词：物理教科书；数字化实验；实验器材；教材编排
物理学是一门以实验为基础的科学。中学物理实验是在中学物理教学中利用实验器材观察物理现象、采集实验数据，探究物理规律的过程。它不仅是物理教学的手段，而且是物理教学的重要内容。为落实中学物理课程标准的理念和要求，中学物理物教科书常设计大量的实践活动，将实验作为教科书内容的一部分。长期以来，如何做好规定实验、创新实验设计一直是中学物理教学领域的研究热点。近年来，信息技术的飞速发展给中学物理教学带来了巨大的变化，新技术的开发应用带来了新的教学手段，催生了新的教学方式和实验形态。新编人教版高中物理教科书设计了一些采用数字化实验器材完成的活动。该如何看待这类实验活动，用好这部分内容呢？
一、正确看待数字化实验
在信息化浪潮之下，中学物理课堂上出现了大量形式多样的数字化手段。不少学者将这类现象称为“物理实验教学中的信息化”，也有学者将之称为信息技术与物理教学的整合，并论述了其优势和不足。对广大教师而言，往往泛用数字化实验称呼它。在这种背景下，教师对所谓的数字化实验也有不同的认识。一种认为，与传统实验相比（也有称之为常规实验），数字化实验精度高，数据处理便捷，有利于提高课堂教学效率。既然人类已进入信息化时代，掌握信息化工具已经成为基本素养，应该提高数字化实验的比重，逐步淘汰传统实验。另一种观点认为，数字化实验过于现代化，不能贴近学生的生活，有“弄虚作假”之感，会破坏学生对物理现象本质的探究且因操作简便不利于培养学生的实验操作能力。对这种分歧的讨论不是笔者这里论述的主要问题，不过却可以反映出广大教师对数字化实验的内涵并未达成共识。
该如何看待数字化实验呢？自我国开设物理课程以来，就非常强调实验的作用。1904年，奏定中学堂章程就要求，“其物理当先讲物理总纲，次及力学、音学、热学、光学……凡教理化者，在本诸实验，得真确之知识，使适于日用生计及实业之用”。1923年颁布的《高级中学第二组必修的物理学课程纲要》专门在文件后附了44个实验的名称。新中国成立后，在教育部历次颁布的教学大纲（后期称为课程标准）均提出要重视实验，并且往往还特别列出“必做实验”。然而，综观这些文件，在论及实验器材时，从未区分哪些是传统器材，反而一直倡导创造性地选择使用实验器材，使用身边的器材完成实验。
美国是较早开展数字化手段辅助教学的国家，研究者也未发现与中文数字化实验对等的实验类别称谓。在他们看来，实验就是实验，使用传统仪器和使用传感器等数字化实验仪器所做的实验是等价的。他们认为，一旦在某个实验的材料清单中发现传感器或者探针，该实验即可被归为数字化实验。也就是说，从物理实验的本意来说，并无区分的必要。如果一定要界定数字化实验，那么所谓数字化实验实质是实验器材的数字化、实验手段的数字化，是指利用数字化器材获取实验数据，利用数字化手段分析实验数据的实验。其本质仍是实验，仅仅是器材选取的差异。笔者认为，在中学物理实验中，凡是采用了数字化手段记录、处理真实的物理现象的实践活动，均可称之为数字化实验。例如，利用计算机处理实验数据，或使用手机、数码相机、话筒等器材采集加速度信号、视频信号等并进行分析研究的活动，都可称之为数字化实验。基于这个标准，那些为了讲解的需要，采用动画、软件等模拟仿真物理现象的可称之为采用数字化手段的教学，不能称之为数字化实验。目前，有些厂商提供了软硬件集成的数字化实验系统（也称数字化实验平台），包括传感器、数据采集器、计算机以及与之配套的实验器材及相关数据处理软件等。采用这种实验系统完成的物理实验，当然更可以称之为数字化实验了。
二、教材中数字化实验的设计构想
教科书作为教师开展教学、学生学习的重要文本，具有非常重要的引领作用。有调查显示，对一些从未使用数字化实验的师生来说，他们不仅知道数字化实验，而且能准确地说出几种传感器的名称，这与教科书中相关内容的介绍有很大的关系。《普通高中物理课程标准（2017年版）》在“地方和学校实施本课程的建议”中提到：“要重视数字实验，创新实验方式。……建议有条件的地区为学校专门创建数字化实验室，或引进教师演示用的数字实验系统。学校要重视引导教师研究数字实验系统对传统实验的改进方法，研究数字实验系统的教学方式，促进教学手段与方式的现代化。”为配合落实课程标准中谈到的“实施建议”，中学物理教科书编者应该在教材中体现这部分内容，与用传统器材完成的实验相比，在编排这部分内容时还应突出以下原则：介绍原理，突出物理本质；发挥优点，提升学生的信息素养；模糊边界，注重器材的选择性。
其一，介绍原理，突出物理本质。物理实验首先要保证的是在实验的手段和方法上的科学性。鉴于学生并不具备相关知识基础，为消除学生对这类实验的陌生感和“虚拟、不真实”的认知误区，必须在合适的时机向学生介绍相关的原理和测量方法，如数码相机、力传感器、位移传感器、热传感器、电流电压传感器、光传感器、采集器和计算机等硬件的作用，还应适当介绍相关数据处理软件的功能，让学生知道研究是真实的物理现象，处理的是实验中采集的数据，显示的也是反映数据关系的图像。
其二，发挥优点，提升学生的信息素养。信息素养包括在遇到问题时有使用信息工具的意识，以及选择、组装、使用数字化器材的能力和用程序处理数据的能力等。这些也是实验操作能力的重要组成部分。采用传统实验器材时，只能采用人工记录实验数据，费时费力，精度也不高。数字化实验由传感器和数据采集器代替人眼读取数据，用计算机软件取代纸笔方式记录数据，可以实现数据采集的自动化。足够高的数据采样率可保证实验结果的精确度。利用数据处理软件，还可以实现复杂的数据处理，显示更丰富的数据特征，如同时显示多个实验图像、数据拟合、显示图像的斜率、横轴和纵轴的截距等，更便于探究其背后的物理意义。
其三，模糊边界，注重器材的选择性。对课标要求的实验，考虑到目前中学实验器材配备的实际和教学传统，且课程标准暂未将数字化实验做强制性要求，教材仍立足于传统实验器材进行实验设计。对某些实验，若使用数字化器材效果更好，则纳入其中，做必要的优化。考虑到各校的实验器材配置不均衡的现状，编者对需要集成的数字化实验平台支撑才能完成的活动放在指定栏目中，以示为选学内容。目前，手机、数码相机已进入学生的生活，且使用方便、功能很强，还能使物理知识贴近生活，激发学生的学习兴趣。对使用这类器材可完成的实验，或分散在正文、习题，或放在栏目中，或介绍做法，或做背景材料，有的还与传统器材融为一体进行介绍，不做刻意区分。对借助传感器获得的图像，如有利于理解概念规律，则依据需要作为插图编入正文。这样处理，既照顾各校的差异，又可模糊所谓数字化器材和传统器材的边界，便于把握探究性实验的实质。
三、教材中的数字化实验
普通高中物理必修课程由必修1、必修2 和必修3三个模块构成。选择性必修课程是学生根据个人需求与升学要求选择学习的课程，由选择性必修1、选择性必修2 和选择性必修3 三个模块构成。为落实课程标准的要求，便于师生开展科学探究，教科书在每个模块中均安排了大量的探究活动，其中一些应用数字化实验器材的活动如表1所示。
表1 应用数字化实验器材的实验活动（部分）
从表1可以看出，在2019年版高中物理新教材中每个模块均安排了一定数量的数字化实验。每个模块均安排了依据数字化实验系统（借助传感器完成）的实验。此外，大部分模块还编排有一些利用身边的器材，如手机、计算机、数码相机、话筒等器材完成的实验和介绍数据处理软件的活动。例如，在必修第一册中在第一次介绍“借助传感器与计算机测速度”实验时，教科书首先介绍了位移传感器，“用‘位移传感器’把物体运动的位移、时间转换成电信号，经过计算机的处理，可以立刻在屏幕上显示物体运动的速度，自动绘制出物体运动的v-t图像。”紧接着介绍了位移传感器测速度的原理。其目的就是让学生初步了解其原理，知道这种实验是将传感器、计算机与传统的实验仪器结合，呈现的是真实的实验结果。在其他类似实验中涉及这类问题时，也是先对相关原理做初步介绍，如必修第二册中的“用传感器和计算机描绘物体做平抛运动的轨迹”实验等。在介绍这些实验时，尤其注意突出数字化实验的优点。
此外，教科书还在不同场合，比如做一做活动、习题、课题研究等，选择身边的数字化器材，如用手机测加速度、用数码相机测速度等。在活动选材时，并不特意指明哪些是数字化实验器材，哪些是传统器材，以淡化器材之间的区别，贴近学生的生活。有些时候，还将传统器材与数字化器材结合起来使用。例如，在必修第二册的课题研究中，则使用数码相机和刻度尺完成实验探究。选用的依据一是活动需要、二是是否贴近学生的生活，而非所谓的数字化器材和传统器材。
四、用好教科书中的数字化实验
数字化实验的实施受软硬件资源的限制，目前教科书暂未做统一要求。估计以后也不会做统一要求，毕竟从实验器材这个层面对实验进行分类本无必要。在当前情况下，在处理教科书中的数字化实验时，首先应该引导学生阅读教科书中关于数字化实验的文本介绍，进行必要的讲解，帮助学生粗略了解其原理。结合软硬件条件，精选主题，做好教学设计，尤其要发挥数字化实验的优势，在完成实验的过程中兼顾实验设计能力、动手操作能力、数据分析能力的培养。
好的实验设计，可以让学生经历与科学工作者相似的研究过程，领悟科学探究方法，发展科学探究能力。使用方便的数字化器材可以为学生的实验活动提供良好的支撑，更便于将精力集中到实验方案的设计上。比如，教师可以结合教科书中的研究课题，先引导学生在阅读教科书的过程中自学，对这个实验方案进行构思“要测哪些量”，思考可能遇到的困难。选择器材，再结合课题需要和器材的准备情况，设计实验方案，最后完成实验。动手操作能力是成为合格社会劳动者必备的基本能力。在教学中教师应该让学生认识到物理知识在生产中的应用，了解现代生产技术的物理基础。熟练且合乎要求地组装、调试和操作信息技术设备是要求信息社会对现代公民具备的基本能力，在数字化实验中练习的技能可以为以后学习使用新的工具打下基础。数据处理能力是指对实验中获得的数据进行分析处理，以发现相关变化量之间关系的能力。教师可以结合活动的需要指导学生自学相关软件，如Excel、Origin、MATLAB、Tracker等，对收集的数据进行处理，发挥信息技术在处理实验数据方面的优势。
对教师来说，首先应该依据教材的内容，精通数字实验所要求的相关操作。教师要根据课堂教学的需要，适时使用数字化器材，做好演示实验。对有条件的学校，还应该让学生利用数字化实验系统完成好分组实验。对暂时没有装备数字化实验系统的学校，也应该带领学生用好身边的数字化器材，如手机、数码相机等，做一些探究性活动。当然，从学校层面，应该积极创造条件，建设数字化实验室，组织教师参与相关的研究交流活动。
在中学物理教学中，实验教学往往是较为薄弱的一环。其中有主观认识上的问题，同时也受客观条件的限制。一方面，部分中学实验室器材匮乏，现有的实验器材可视性不足、数据处理能力不强；另一方面，受课时等条件的限制，传统器材支撑下的实验模式耗时较长，且形式单一，在充分发挥学生自主探究性方面还有一定的欠缺。在这种情况下，既要重视传统实验原理、实验手段和实验方法的学习，又要贴近学生的生活，结合具体情况，创造条件灵活使用数字化实验。尤其不应误解数字化实验，以免造成传统实验和数字化实验的割裂与对立。与概念规律的编排相比，实验编排的可塑性更强。除了技术的发展、器材的更新，还有不断更新的教育理念均对教科书中实验的编写提出了更高的要求。因此，吸纳新的教育理念，开发新的实验器材，尤其是建设数字化实验室、引导学生充分利用身边的数字化器材进行自主探究，都是努力的方向。
参考文献
[1] 张德启,李新乡,等.物理实验教学研究[M].北京：科学出版社,2005:231-255.
[2] 李春密,俞晓明,郑少山,等.中学物理实验教学研究[M].北京：北京师范大学出版社,2018:228-230.
[3] 人民教育出版社课程教材研究所课程教材研究所.20世纪中国中小学课程标准·教学大纲汇编[M].北京：人民教育出版社,2001.
[4] 李鼎,冯容士.数字化实验在AP物理教材中的呈现特点及其启示[J].物理教学,2020(8):16-19.
[5] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准：2017年版[S].北京：人民教育出版社,2018:76-77.
（作者系人民教育出版社物理编辑室副主任、副编审，本刊副主编）