基于初中物理實驗分類的視頻開發策略探析

物理是一門以實驗為基礎的自然學科，具有很強的實踐性。實驗教學是發展學生學科核心素養的重要路徑?！读x務教育物理課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課標”）指出，發揮實驗在物理教學中的重要作用需要合理開發實驗教學所需課程資源^[1]。物理實驗視頻是錄制者用攝像機或手機等設備將實驗過程全程錄制下來，運用動畫或視頻處理技術，制作模擬整個實驗過程和實驗現象，并能在計算機多媒體上播放的視頻^[2]。目前的實驗視頻通常以標準的模板、程序來開發，整體性和系統性較強，但是較難體現具體實驗的個性化特點。為了開發更加符合教學需要的實驗視頻，我們需要對實驗進行歸類分析，根據每類實驗的特點、價值和難點，針對性開發能夠凸顯其育人價值的實驗視頻。筆者將中學物理實驗分為體驗類實驗、觀察類實驗、操作類實驗、測量類實驗、探究類實驗、制作類實驗六類。在分析每類實驗特點的基礎上提出基于不同類型實驗個性特點的開發策略：對于觀察類實驗，借助信息技術手段實現現象和原理的可視化；對于操作類實驗，提供示范性實驗操作和系統性方法指導；對于測量類實驗，加強系統設計對實驗中的一般性測量原理進行結構化呈現；對于探究類實驗，聚焦探究能力的培養；對于制作類實驗，優化改進設計，滲透工程技術思想?；诓煌愋蛯嶒灥墓残蕴攸c提出開發策略：設置合適的引導問題，深入挖掘實驗的育人價值；做好交互設計，使實驗視頻更加適配教學；提供基于實驗分類的視頻檢索路徑，使實驗視頻更加適教利學。

一、實驗分類及說明

通常實驗被分為教師演示實驗、學生動手實驗和拓展實驗三類，這種分類不利于突出實驗的特點，不利于學生把握實驗的本質特征。筆者以人教版教科書物理八年級上冊（2012年版）、八年級下冊（2012年版）和九年級全一冊（2013年版）為例，對157個初中物理實驗進行了系統梳理，將實驗從能力角度分為體驗類實驗、觀察類實驗、操作類實驗、測量類實驗、探究類實驗、制作類實驗。

（一）體驗類實驗

體驗，顧名思義，就是用“身體”親自去實驗。體驗類實驗需要學生的感覺器官切實參與到實驗的過程中，獲得對實驗結果的直接感受。體驗既是實驗過程，又是實驗結果；既是實驗方法，又是實驗目標。例如，一個學生敲桌子，另一個學生耳朵貼桌，聽從桌面傳過來的敲擊聲，在親身體驗中認識固體可以傳聲；將空的飲料罐按入裝滿水的燒杯中，手能夠感受到浮力，建立對浮力的直觀認識；將酒精擦在手背上，酒精蒸發使手背有冰涼的感覺，從而建立蒸發吸熱的認知。

（二）觀察類實驗

觀察類實驗指學生觀察實驗的現象和結果，并加以分析、歸納從而理解物理概念和規律，培養模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等思維能力。例如，學生在鼓面上放碎紙屑，敲擊鼓面，觀察紙屑運動情況，分析聲音產生的條件；觀察光在空氣中的傳播路徑、在水中的傳播路徑、在玻璃中的傳播路徑、在不均勻糖水中的傳播路徑、在兩種介質中的傳播路徑，形成對光沿直線傳播規律的科學認知。

（三）操作類實驗

操作類實驗以操作為手段，以儀器的正確使用和物理程序的正確實施為目標，旨在培養學生的操作能力和實驗技能，進而幫助學生養成規范、嚴謹的科學態度^[3]。例如，練習使用電壓表、練習使用電流表、練習使用彈簧測力計都是常見的操作類實驗。需要說明的是，有一些實驗，如用刻度尺測量長度、用停表測量時間、用溫度計測量水的溫度等，從教學目標的角度來說也是指向儀器的正確使用。這類實驗也可歸為操作類實驗。

（四）測量類實驗

測量類實驗以實驗器材的應用為手段，以物理屬性的量化表達為目的^[4]。測量類實驗的主要目的為規范使用測量工具進行基本物理量的測量，使學生提高測量技能，學習測量中蘊含的科學思想方法。測量類實驗建立在操作類實驗的基礎之上，學生需要明晰實驗原理，確定待測定的物理量，如測量物體運動的平均速度、測量凸透鏡的焦距、用天平測量液體的質量等。

（五）探究類實驗

探究類實驗是學生在具備基本實驗技能的基礎上，經歷提出問題、猜想假設、設計方案、進行實驗、收集證據等過程，分析證據，得出結論，并能夠對探究過程與結果進行科學評估和恰當呈現的綜合性活動^[5]。研究問題一般涉及研究對象特點、某一特點的影響因素、與其他對象之間的關系等，如探究固體熔化時溫度變化規律、探究水沸騰時溫度變化特點、探究光反射時的規律等。

（六）制作類實驗

制作類實驗指學生針對應用類物理問題，創造性地構思實驗方案，運用所學知識、技能和方法，制作出有形作品的過程。例如，課標及教材中提到的制作出能夠展示物理本質的模型、簡單的測量工具和簡易的儀器，包括自制溫度計、自制模型照相機、自制氣壓計、制作機翼模型、用橡皮泥制作能夠承載重物的小船、讓線圈轉起來（自制小電動機）、自制太陽能熱水器等實驗。

二、特點分析

開發實驗視頻需要關注不同類型實驗的特點，考慮實驗教學的具體困難及不同實驗在落實核心素養培養要求方面的育人價值和教學目標，針對性組織能夠切實輔助課堂實驗教學的視頻資源。

（一）數量分布情況

初中物理各類型的實驗數據統計情況如下：在157個初中物理實驗中，觀察類實驗有86個，占比55%，是初中物理實驗教學中最主要的一種形式；課標中要求的學生必做實驗分別歸屬于操作類實驗、測量類實驗、探究類實驗中，這三類實驗共56個，占比36%。設計實驗視頻時需要考慮教學場景和教學要求，關注觀察類、操作類、測量類、探究類實驗資源的設計。

（二）教學難點分析

實驗在物理教學中占有重要地位，不可或缺，但實踐起來存在諸多問題和困難，這些問題和困難有哪些能夠通過數字化手段破解，則是我們開發實驗視頻資源需要重點關注的問題。

體驗類實驗中，學生在真實、簡單、直觀的實驗情境中獲得最直接的感受，進而實現對相關知識的理解和認知。學生參與體驗類實驗不需要專門的實驗儀器，操作難度較低。體驗類實驗中最重要的目標和變量就是學生的直觀感受，但是它不可定量、不可替代、不可評價。對于體驗類實驗，從應用的角度來說，實驗視頻在增強學生體驗這方面的作用較弱。常規的體驗類實驗不需要開發相應的實驗視頻。

觀察類實驗中，學生的實驗行為更多的是對實驗過程和結果的觀察、分析、加工與提煉。觀察類實驗教學主要難點是某些實驗現象不明顯、不清晰或可視性低，某些實驗現象或結果的記錄、保存、再現難度大，從可觀察的實驗現象到背后的實驗原理理解梯度大。根據觀察類實驗的教學要求和教學難點，我們開發實驗視頻應充分發揮信息技術手段的優勢，實現實驗現象、實驗過程和實驗原理的可視化。

操作類實驗教學的主要目標是培養學生的實驗操作能力，包括選擇合適的實驗儀器、規范的操作方法和正確的讀數方法等。操作類實驗在教學中的困難主要體現在學生對實驗儀器不熟悉、參考資料不夠、缺乏專業的指導人員等以致學生不知道該如何操作。開發實驗視頻需要重點關注實驗操作的規范性。

測量類實驗、探究類實驗、制作類實驗屬于需要學生在具備觀察和操作等基本實驗技能的基礎上開展的綜合性實驗活動。實驗過程中，學生既需要對現象和過程進行觀察，又需要規范操作，還需要對研究問題進行理論分析。在分析基礎上設計方案，完成實驗操作，經歷現象觀察、數據分析和處理等過程。開發綜合類實驗視頻，不僅需要關注實驗現象的展示和規范操作的示范，而且需要分析過程加強對學生的引領和啟發。

三、研發策略

（一）針對不同類型實驗的個性特點設計視頻

1.觀察類實驗：借助信息技術手段實現現象和原理的可視化

針對某些觀察類實驗現象不明顯或可視性差的問題，開發者設計實驗視頻時可以利用慢錄快放、快錄慢放、放大（以小見大）、定格（以靜制動）等技術手段，將某些不易觀察、不好記錄的現象呈現出來，真正實現實驗現象可視化。例如，對于液體擴散實驗，硫酸銅和水之間的擴散現象完整進行需要30天，在課堂教學中很難實現?？刹捎醚訒r攝影的方式，將30天內錄制的實驗過程以10萬倍速的速度在幾十秒鐘內播放出來，實現長周期實驗過程的可視化。

很多觀察類實驗的教學目標是依據觀察到的實驗現象進行分析、加工與提煉，實現對相關物理概念或規律的建構。觀察現象是手段，理解現象背后的原理是目的。從觀察現象到理解原理存在認知梯度，實驗視頻設計開發者針對這樣的實驗可以在現象觀察的基礎上利用語言、動畫、文字等多重表征，形象展示實驗原理，實現物理實驗原理的可視化。例如，在太陽光的色散實驗中，太陽光照射水下的平面鏡，反射到白墻或白紙上，學生可以觀察到太陽光的色散現象，但是太陽光能夠發生色散現象的原因卻無法直觀呈現。開發者設計實驗視頻時可以利用圖形、文字、語音等多重表征，將實驗原理展示出來（如圖1）。

2.操作類實驗：示范性實驗操作和系統性方法指導

為達到操作類實驗的教學要求，視頻開發者需要針對教學難點設計操作類實驗視頻：在內容選擇上，要盡量呈現實驗儀器的構造、規范的操作方法和讀數方法及注意事項等；在拍攝過程中，盡量保證長鏡頭拍攝，避免頻繁切換場景；在技術處理上，盡量多機位拍攝，在全景和特寫之間適當切換，供學生操作時參考。例如，用托盤天平測量物體的質量，實驗視頻中詳細介紹了托盤天平的構造、調平方法、測量過程及操作的注意事項等。

對于操作類實驗，開發者可按一般原則和方法進行整體設計和結構化呈現。初中物理8個操作類實驗中的7個是使用儀器直接測量，從教學目標上來說指向刻度尺、秒表、溫度計、彈簧測力計、電流表、電壓表、天平等測量儀器的使用。這些測量儀器的操作原則和方法很多是一致的，開發者可以系統設計視頻內容。例如：實驗開始之前都涉及儀器的選擇，儀器的選擇需要考慮測量的可行性，也就是需要選擇合適的量程和測量精度，在合適量程的情況下盡量選擇更精確的測量儀器；實驗過程中需要考慮測量儀器的起點，如刻度尺的使用中需要觀察零刻線、天平的使用中需要先調平、秒表的使用中需要先復位、彈簧測力計的使用中需要先調零、電流表和電壓表的使用中需要先機械調零等?；谝陨戏治?，開發實驗視頻需要以一致性的問題統領操作性實驗的設計，引導學生在經歷多個操作性實驗之后，歸納總結出其中蘊含的思想方法，用科學方法引領學生提升實驗操作能力，避免常規課堂上經常出現的機械記憶。

3.測量類實驗：系統設計，對實驗中的一般性測量原理結構化呈現

初中物理測量類實驗從內容要求來說差異很大，覆蓋力、熱、聲、光、電等不同知識模塊，但是從能力要求及科學方法的角度看具有一致性和共通性。因此，開發者宜系統設計實驗視頻，使科學方法明晰呈現。初中物理13個測量類實驗中有10個是利用兩個物理量的比值、乘積或差來表征的（見表1）。用兩個物理量的測量值來表征待測物理量是初中物理測量類實驗的主要形式。實驗者用這種形式測量，條件是兩個物理量要相互對應，對應同一段時間、同一個過程或者同一個研究對象。實驗視頻開發者基于此設計視頻并系統呈現，可以幫助學生樹立教學一致的觀念，避免只見樹木不見森林、細碎知識點零散分布。

4.探究類實驗：聚焦探究能力的培養

探究類實驗不僅關乎理解物理知識和原理這些教學目標的達成，而且關乎學生探究能力的培養。探究能力主要包括基于現象提出問題的能力、有根據的猜想與假設的能力、設計實驗方案的能力、實驗與收集證據的能力、對實驗數據加以分析與論證的能力、對實驗過程和結果進行評估的能力等。這些探究能力的培養滲透在各個探究類實驗方案中。開發探究類實驗視頻不僅需要關注實驗現象和過程的展示，而且需要聚焦學生完成每個實驗需要具備的探究能力，提供適配設計，搭建支架，助力學生能力發展。例如，“探究平面鏡成像的特點”實驗方案的設計關鍵是確定像的位置和大小。為什么要用半透明的薄玻璃板代替平面鏡？很多學生并不清楚。以往的實驗視頻大多直接呈現教材中設計好的實驗方案，掩蓋了實驗方案的設計過程，不能實現指向理解的教與學^[6]。為了解決這個問題，開發者可以在實驗方案設計階段并列呈現如下情境：直接用平面鏡成像，未點燃的蠟燭不能與像重合；用透明的玻璃板成像，未點燃的蠟燭與像重合，但像不清楚；用半透明的玻璃板成像，未點燃的蠟燭與像重合，且像比較清楚；用半透明的厚玻璃板成像，像出現重影現象……多方案比較，使“用半透明的薄玻璃板代替平面鏡”水到渠成。

5.制作類實驗：優化設計滲透工程技術思想

制作類實驗中，學生需要運用所學知識、技能和方法，制作出有形作品。制作類實驗不只涉及物理學科知識和原理，還涉及一些工程技術的實現方式。制作類實驗視頻應能呈現作品的制作過程，根據需要呈現作品改進和優化的思路，引導學生深入思考和探索。例如，“自制溫度計”實驗中，在呈現制作過程的基礎上，視頻就給出了改進作品的思路和方向：玻璃管的粗細是否會影響溫度計的測溫效果？瓶子的大小是否影響溫度計的測溫效果？如何提供所測溫度的具體數值？……學生循著這些問題進行研究，既能順利進行后續“溫度計結構”和“攝氏溫度”的學習，又能逐步領會工程技術優化、更新、迭代的思想。

（二）針對不同類型實驗的共性特點設計視頻

1.設置合適的引導問題，深入挖掘實驗的育人價值

在與教師訪談過程中筆者了解到，實驗教學的難點不只體現在實驗觀察和操作上，還體現在對實驗的分析上、對研究問題的引導上、對實驗價值的挖掘上。開發者設計實驗視頻，需要考慮引導問題的設計，為教師的實驗教學提供參考。例如，在碘的升華和凝華實驗中，由于人感覺器官的限制，碘到底是直接從固態變成氣態還是從固態先變成液態再變成氣態。在時間短、碘數量少的實驗條件下，學生很難分辨，這會引起質疑、引發思考。實驗視頻給出了背景信息“水的沸點為100 ℃，碘的熔點為114.15 ℃”，并適時提出引導性問題“請分析碘有沒有可能是從固態先變成液態再變成氣態的”。在理論分析的過程中，學生結合前面學習的熔點和沸點相關知識，很容易得知，在水浴加熱的情況下碘的溫度不可能達到熔點，不可能熔化為液體，那么碘只能是從固態直接變成氣態。學生接受這樣的視頻教學，既對升華現象有了深刻體驗，又在這個過程中鍛煉了科學思維能力。

2.做好交互設計，使實驗視頻更加適配教學環節

部分觀察類實驗需要進行多個實驗場景的觀察，導致實驗視頻過長，連續播放視頻不利于學生觀察某個實驗場景。測量類、探究類、制作類等綜合類實驗視頻通常需要呈現實驗原理、實驗操作、數據處理、實驗結論、實驗分析等環節，連續播放視頻不利于呈現整個實驗框架，不利于學生自主思考。開發者做好交互設計，在視頻中展示實驗設計邏輯，有利于學生從整體上認識和把握實驗。例如，對于實驗視頻《聲音的產生條件》，課標要求為“2.3.1通過實驗，認識聲的產生條件”。學生了解聲音的產生條件，需要對生活中各種實驗現象進行綜合分析、提煉、總結。實驗視頻呈現了“橡皮筋”“鋼尺”“音叉”“鼓”“揚聲器”多個場景。學生借助這種并列式呈現的交互視頻，可以根據需要自主選擇呈現哪個場景。

3.提供基于實驗分類的視頻檢索路徑，使實驗視頻更加適教利學

通常，實驗視頻的檢索路徑為教材目錄或課標目錄，以知識模塊為線索，這種方式適配教學進度，但是不利于用戶系統把握每種類型實驗的特點。在現有檢索路徑的基礎上，開發者可以基于實驗分類的檢索方式，同時在每個條目內部按照初中物理知識模塊從前向后的方式展開，使實驗視頻更加適教利學。

注：本文系國家新聞出版署出版業科技與標準重點實驗室、數字教育出版技術與標準重點實驗室、人教數字教育研究院規劃課題“內容結構化整合視角下的初中數學數字教材設計與開發”（編號：RJA0323001）、“數字教材助力跨學科主題學習的實踐研究”（編號：RJA0223003）的階段性研究成果。

參考文獻

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[3][4]郭曉萍，秦曉文，尹瑋，等.基于認知理論的初中物理實驗分類研究[J].物理實驗，2021（11）：55-59.

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[6] 張燕.“探究平面鏡成像特點”實驗教具的創新改進[J].中小學實驗與裝備，2023（1）：34-36.