物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，實踐性很強初中物理有多難，實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生核心學(xué)科素養(yǎng)的重要路徑。《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）指出，要充分發(fā)揮實驗在物理教學(xué)中的重要作用，需要合理開發(fā)實驗教學(xué)所需的課程資源。物理實驗視頻是錄制人員利用攝像機或手機等設(shè)備記錄整個實驗過程，利用動畫或視頻處理技術(shù)模擬整個實驗過程和實驗現(xiàn)象，并可在計算機多媒體上播放的視頻。目前實驗視頻通常采用標(biāo)準(zhǔn)模板和程序進(jìn)行開發(fā)，整體性、系統(tǒng)性強，但難以體現(xiàn)具體實驗的個性化特點。為了開發(fā)出更符合教學(xué)需要的實驗視頻，需要對實驗進(jìn)行分類分析，根據(jù)每類實驗的特點、價值和難點，開發(fā)出能凸顯其教育價值的實驗視頻。作者將中學(xué)物理實驗分為體驗實驗、觀察實驗、操作實驗、測量實驗、探究實驗、生產(chǎn)性實驗六大類。在分析各類型實驗特點的基礎(chǔ)上，針對不同類型實驗的個體特點提出了發(fā)展策略：觀察實驗借助信息技術(shù)實現(xiàn)現(xiàn)象和原理的可視化；操作實驗演示實驗操作，提供系統(tǒng)的方法指導(dǎo)；測量實驗加強系統(tǒng)設(shè)計，以結(jié)構(gòu)化的方式呈現(xiàn)實驗中的普遍測量原理；探究實驗注重探究能力的培養(yǎng)；生產(chǎn)性實驗優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計，滲透工程技術(shù)思想。針對不同類型實驗的共同特點，提出了發(fā)展策略：設(shè)置合適的引導(dǎo)性問題，深入挖掘?qū)嶒灥慕逃齼r值；做好交互設(shè)計，使實驗視頻更貼合教學(xué)；根據(jù)實驗分類提供視頻檢索路徑，使實驗視頻更貼合教學(xué)與學(xué)習(xí)。
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1. 實驗分類及描述
通常實驗分為教師演示實驗、學(xué)生動手實驗、延伸實驗三類，這種分類不利于凸顯實驗的特點，也不利于學(xué)生把握實驗的本質(zhì)特征。以人教版教材八年級物理卷（2012版）、八年級卷（2012版）、九年級卷（2013版）為例，對157個初中物理實驗進(jìn)行系統(tǒng)梳理，從能力角度將實驗分為體驗實驗、觀察實驗、操作實驗、測量實驗、探索實驗、生產(chǎn)性實驗。
1. 體驗實驗
體驗，顧名思義，就是用自己的“身體”親身去實驗。體驗實驗要求學(xué)生的感覺器官實際參與到實驗過程中，對實驗結(jié)果有直接的感受。體驗既是實驗過程，又是實驗結(jié)果；既是實驗方法，又是實驗?zāi)繕?biāo)。例如，一個學(xué)生敲桌子，另一個學(xué)生把耳朵貼在桌子上，聽從桌子上傳來的敲擊聲。通過親身體驗，了解到固體可以傳遞聲音；將空飲料罐壓入盛滿水的燒杯中，手可以感受到浮力，建立對浮力的直觀認(rèn)識；將酒精擦在手背上，酒精的蒸發(fā)使手背感到?jīng)?strong>初中物理有多難，從而建立蒸發(fā)吸熱的認(rèn)識。
2.觀察實驗
觀察性實驗是指學(xué)生通過觀察實驗現(xiàn)象和結(jié)果，進(jìn)行分析、總結(jié)，從而理解物理概念和規(guī)律，培養(yǎng)模型構(gòu)建、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等思維能力。例如，學(xué)生把碎紙片放在鼓面，敲擊鼓面，觀察碎紙片的運動情況，分析聲音產(chǎn)生的條件；觀察光在空氣中、水中、玻璃中、不均勻的糖水中以及兩種介質(zhì)中的傳播路徑，形成對光沿直線傳播規(guī)律的科學(xué)認(rèn)識。
3. 操作實驗
操作性實驗以操作為手段，旨在培養(yǎng)學(xué)生的操作能力和實驗技能，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生規(guī)范、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。例如，電壓表的使用練習(xí)、電流表的使用練習(xí)、彈簧測力計的使用練習(xí)都是常見的操作性實驗。需要注意的是，有些實驗，如用尺子測長度、用秒表測時間、用溫度計測水溫等，也從教學(xué)目標(biāo)的角度指向儀器的正確使用。這類實驗也可以歸類為操作性實驗。
4. 測量實驗
測量實驗以應(yīng)用實驗器具為手段，以物理性質(zhì)的定量表達(dá)為目的，主要目的是規(guī)范使用測量工具測量基本物理量，使學(xué)生提高測量技能，學(xué)習(xí)測量中蘊含的科學(xué)思維方法。測量實驗以操作性實驗為主，學(xué)生需要明確實驗原理，確定所要測量的物理量，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(zhì)量等。
5.探索性實驗
探究性實驗是學(xué)生在掌握基本實驗技能的基礎(chǔ)上，經(jīng)過提出問題、猜測假設(shè)、設(shè)計方案、進(jìn)行實驗、收集證據(jù)、分析證據(jù)、得出結(jié)論，并能科學(xué)評價和恰當(dāng)呈現(xiàn)探究過程和結(jié)果的綜合活動。研究問題一般涉及研究對象的特性、影響某一特性的因素以及與其他對象的關(guān)系，如探究固體熔化時的溫度變化規(guī)律、探究水沸騰時的溫度變化特性、探究光的反射規(guī)律等。
（六）生產(chǎn)實驗
生產(chǎn)性實驗是指學(xué)生針對應(yīng)用物理問題創(chuàng)造性地構(gòu)思實驗方案，運用所學(xué)知識、技能和方法制作有形作品的過程。例如，課程標(biāo)準(zhǔn)和教材中提到制作能夠體現(xiàn)物理本質(zhì)的模型、簡單的測量工具和簡單的儀器，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、用橡皮泥制作可以承載重物的船、讓線圈轉(zhuǎn)動（自制小型電動機）、自制太陽能熱水器等實驗。
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2. 特點分析
在開發(fā)實驗視頻時，需要注意不同類型實驗的特點，考慮實驗教學(xué)的具體難點以及不同實驗在落實核心素養(yǎng)培養(yǎng)要求方面的教育價值與教學(xué)目標(biāo)，有針對性地組織能夠有效輔助課堂實驗教學(xué)的視頻資源。
1. 數(shù)量分布
初中物理各類實驗統(tǒng)計情況如下：157個初中物理實驗中，觀察類實驗86個，占55%，是初中物理實驗教學(xué)最主要的形式；課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生做的實驗分為操作類實驗、測量類實驗、探究類實驗，這三類實驗共計56個，占36%。實驗視頻設(shè)計時要考慮教學(xué)情景和教學(xué)要求，注重觀察、操作、測量、探究類實驗資源的設(shè)計。
2.教學(xué)難點分析
實驗在物理教學(xué)中占有重要地位,不可或缺,但在實踐中也存在不少問題和困難,這些問題和困難中哪些可以通過數(shù)字化手段得到解決,是我們在開發(fā)實驗視頻資源時需要重點關(guān)注的。
在體驗式實驗中，學(xué)生在真實、簡便、直觀的實驗情境中獲得最直接的體驗，從而實現(xiàn)對相關(guān)知識的理解和認(rèn)知。學(xué)生參與體驗式實驗不需要專門的實驗儀器，操作難度相對較低。體驗式實驗中最重要的目標(biāo)和變量是學(xué)生的直觀感受，但并非可量化、不可替代、不可評估。對于體驗式實驗，從應(yīng)用角度來看，實驗視頻對增強學(xué)生體驗的作用相對較弱，常規(guī)的體驗式實驗不需要開發(fā)相應(yīng)的實驗視頻。
在觀察性實驗中，學(xué)生的實驗行為更多的是對實驗過程和結(jié)果的觀察、分析、處理和提煉。觀察性實驗教學(xué)的主要難點在于有些實驗現(xiàn)象不明顯、不清晰或可視性較低，有些實驗現(xiàn)象或結(jié)果難以記錄、保存和再現(xiàn)，從可觀察到的實驗現(xiàn)象到其背后的實驗原理的理解存在較大的落差。根據(jù)觀察性實驗的教學(xué)要求和教學(xué)難點，在開發(fā)實驗視頻時應(yīng)充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢，實現(xiàn)實驗現(xiàn)象、實驗過程、實驗原理的可視化。
實踐性實驗教學(xué)的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的實驗操作能力，包括選擇合適的實驗儀器、規(guī)范的操作方法和正確的讀數(shù)方法。實踐性實驗在教學(xué)中的困難主要體現(xiàn)在學(xué)生對實驗儀器不熟悉、參考資料不夠、缺乏專業(yè)的指導(dǎo)老師，導(dǎo)致學(xué)生不知道如何操作。實驗視頻的開發(fā)需要注重實驗操作的規(guī)范化。
測量實驗、探究實驗、生產(chǎn)性實驗都是綜合性實驗活動，需要學(xué)生在掌握觀察、操作等基本實驗技能的基礎(chǔ)上開展。實驗過程中，學(xué)生需要觀察現(xiàn)象和過程，進(jìn)行規(guī)范操作，對研究問題進(jìn)行理論分析，在分析的基礎(chǔ)上設(shè)計方案，完成實驗操作，經(jīng)歷現(xiàn)象觀察、數(shù)據(jù)分析與處理的過程。制作綜合實驗視頻，不僅要注重實驗現(xiàn)象的展示和規(guī)范操作的演示，還要通過分析過程加強對學(xué)生的引導(dǎo)和啟發(fā)。
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3. 研發(fā)戰(zhàn)略
1. 根據(jù)不同類型實驗的個體特點設(shè)計視頻
1. 觀察性實驗：利用信息技術(shù)將現(xiàn)象和原理可視化
針對一些觀察性實驗現(xiàn)象不明顯或可視性差的問題，開發(fā)者在設(shè)計實驗視頻時，可以采用慢錄快放、快錄慢放、放大（以小見大）、定格（以靜制動）等技術(shù)手段，將一些難以觀察記錄的現(xiàn)象呈現(xiàn)出來，真正實現(xiàn)實驗現(xiàn)象的可視化。例如液體擴(kuò)散實驗，硫酸銅與水之間的擴(kuò)散現(xiàn)象需要30天才能完成，這在課堂教學(xué)中是很難實現(xiàn)的。可以利用延時攝影，以幾十秒10萬次的速度播放30天內(nèi)記錄的實驗過程，實現(xiàn)長期實驗過程的可視化。
很多觀察實驗的教學(xué)目標(biāo)是對觀察到的實驗現(xiàn)象進(jìn)行分析、處理和提煉，實現(xiàn)相關(guān)物理概念或規(guī)律的建構(gòu)。觀察現(xiàn)象是手段，理解現(xiàn)象背后的原理是目的，從觀察現(xiàn)象到理解原理存在一個認(rèn)知梯度。對于此類實驗，實驗視頻設(shè)計人員可以在對現(xiàn)象的觀察基礎(chǔ)上，采用語言、動畫、文字等多種表現(xiàn)形式，生動形象地展示實驗原理，實現(xiàn)物理實驗原理的可視化。例如，在陽光的色散實驗中，陽光照射到水下平面鏡上，反射到白色的墻壁或白紙上，學(xué)生可以觀察到陽光的色散現(xiàn)象，但陽光能夠色散的原因卻無法直觀地呈現(xiàn)。在設(shè)計實驗視頻時，開發(fā)人員可以采用圖形、文字、語音等多種表現(xiàn)形式展示實驗原理（如圖1所示）。
圖 1 太陽光的散射
2. 操作性實驗：實驗操作演示、系統(tǒng)方法指導(dǎo)
為了滿足操作性實驗的教學(xué)要求，視頻開發(fā)者需要結(jié)合教學(xué)難點設(shè)計操作性實驗視頻：在內(nèi)容選取上，盡量呈現(xiàn)實驗儀器的結(jié)構(gòu)、規(guī)范的操作方法及讀圖方式、注意事項等；在拍攝過程中，盡量保證長鏡頭拍攝，避免頻繁的場景切換；在技術(shù)處理上，盡量從多個位置進(jìn)行拍攝，在全景與特寫之間適當(dāng)切換，方便學(xué)生操作時參考。例如，在使用天平測量物體的質(zhì)量時，實驗視頻中詳細(xì)介紹了天平的結(jié)構(gòu)、調(diào)平方法、測量過程、操作注意事項等。
對于操作性實驗，開發(fā)者可以按照一般的原理和方法進(jìn)行整體設(shè)計和呈現(xiàn)。初中物理8個操作性實驗中有7個涉及使用儀器直接測量，從教學(xué)目標(biāo)角度指向尺子、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理和方法很多是一致的，開發(fā)者可以系統(tǒng)地設(shè)計視頻內(nèi)容。例如：實驗開始前涉及到儀器的選擇，儀器的選擇需要考慮測量的可行性，即要選擇合適的量程和測量精度，在合適的量程下盡量選擇精度較高的測量儀器；實驗過程中，需要考慮測量儀器的切入點，如使用尺子時需要觀察零刻度線，使用天平時需要調(diào)平，使用秒表時需要重新設(shè)置，使用彈簧測力計時需要調(diào)零，使用電流表、電壓表時需要機械調(diào)零等。基于以上分析，實驗視頻的開發(fā)需要用一致性問題引導(dǎo)操作性實驗的設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生在體驗多個操作性實驗后，總結(jié)其中蘊含的思想和方法，用科學(xué)的方法指導(dǎo)學(xué)生提高實驗操作能力，避免在普通課堂上經(jīng)常出現(xiàn)的機械記憶。
3. 測量實驗：系統(tǒng)設(shè)計，在實驗中結(jié)構(gòu)化呈現(xiàn)一般測量原理
初中物理中的測量實驗在內(nèi)容要求上差異很大，涵蓋了力、熱、聲、光、電等不同的知識模塊，但從能力要求和科學(xué)方法的角度看，具有一致性和共性。因此，開發(fā)者應(yīng)系統(tǒng)地設(shè)計實驗視頻，清晰地呈現(xiàn)科學(xué)方法。初中物理13個測量實驗中有10個的特點是兩個物理量的比、乘積或差值（見表1）。用兩個物理量的測量值來表示所要測量的物理量是初中物理測量實驗的主要形式。實驗者采用這種測量形式的條件是兩個物理量必須相互對應(yīng)，對應(yīng)同一時間段、同一過程或同一研究對象。實驗視頻開發(fā)者以此為依據(jù)設(shè)計視頻，系統(tǒng)地呈現(xiàn)，可以幫助學(xué)生樹立一致的教學(xué)理念，避免只見樹木不見森林、知識點分散。
4.探究性實驗：注重探究能力的培養(yǎng)
探究性實驗不僅是為了實現(xiàn)理解物理知識和原理的教學(xué)目標(biāo)，更是為了培養(yǎng)學(xué)生的探究能力。探究能力主要包括基于現(xiàn)象提出問題的能力、有理有據(jù)的猜測和假設(shè)的能力、設(shè)計實驗方案的能力、實驗和收集證據(jù)的能力、分析和論證實驗數(shù)據(jù)的能力、評價實驗過程和結(jié)果的能力。這些探究能力的培養(yǎng)貫穿于所有探究型實驗方案之中。探究型實驗視頻的開發(fā)不僅需要注重實驗現(xiàn)象和過程的展示，還需要關(guān)注學(xué)生完成每個實驗所需要具備的探究能力，提供適應(yīng)性設(shè)計，搭建支架，幫助學(xué)生發(fā)展探究能力。例如，“探究平面鏡成像特性”實驗方案設(shè)計的關(guān)鍵是確定像的位置和大小，為什么要用半透明的薄玻璃板來代替平面鏡呢？很多學(xué)生并不清楚。以往的實驗視頻大多直接呈現(xiàn)教材中設(shè)計的實驗方案，掩蓋了實驗方案的設(shè)計過程，無法實現(xiàn)以理解為導(dǎo)向的教學(xué)和學(xué)習(xí)。為了解決這個問題，開發(fā)者可以在實驗設(shè)計階段并列呈現(xiàn)以下場景：使用平面鏡直接成像時，未點燃的蠟燭無法與圖像重疊；使用透明玻璃板成像時，未點燃的蠟燭與圖像重疊，但圖像不清晰；使用半透明玻璃板成像時，未點燃的蠟燭與圖像重疊，圖像比較清晰；使用半透明厚玻璃板成像時，圖像會出現(xiàn)重影……通過多種方案的比較，讓“用半透明薄玻璃板代替平面鏡”成為水到渠成的結(jié)果。
5. 生產(chǎn)實驗：優(yōu)化設(shè)計并融入工程技術(shù)理念
在制作性實驗中，學(xué)生需要運用所學(xué)的知識、技能和方法制作出有形的作品。制作性實驗不僅涉及物理學(xué)科的知識和原理，還涉及一些工程技術(shù)的實施。制作性實驗視頻應(yīng)能呈現(xiàn)作品的制作過程，并根據(jù)需要提出改進(jìn)、優(yōu)化作品的思路，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入思考和探索。例如在“自制溫度計”實驗中，視頻在呈現(xiàn)制作過程的基礎(chǔ)上，給出了改進(jìn)作品的思路和方向：玻璃管的粗細(xì)是否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？如何給出測得溫度的具體值？……學(xué)生圍繞這些問題進(jìn)行研究，不僅可以順利開展后續(xù)“溫度計結(jié)構(gòu)”和“攝氏溫度”的學(xué)習(xí)，還可以逐步領(lǐng)悟工程技術(shù)優(yōu)化、更新、迭代的思路。
2. 根據(jù)不同類型實驗的共同特點設(shè)計視頻
1. 設(shè)置適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)問題，深入挖掘?qū)嶒灥慕逃齼r值
筆者在采訪老師的過程中了解到，實驗教學(xué)的難度不僅體現(xiàn)在實驗的觀察與操作上，還體現(xiàn)在實驗的分析、研究問題的引導(dǎo)、實驗價值的挖掘等方面。開發(fā)人員在設(shè)計實驗視頻時，需要考慮引導(dǎo)性問題的設(shè)計，為教師實驗教學(xué)提供參考。例如，碘的升華與凝結(jié)實驗，由于人的感覺器官的限制，碘是從固態(tài)直接變成氣態(tài)，還是從固態(tài)變成液態(tài)再變成氣態(tài)？在時間短、碘量少的實驗條件下，學(xué)生很難分辨，從而產(chǎn)生疑惑，引發(fā)思考。實驗視頻給出了背景信息“水的沸點是100℃，碘的熔點是114.15℃”，并適時提出引導(dǎo)性問題“請分析碘是否可以從固態(tài)變成液態(tài)再變成氣態(tài)”。在理論分析的過程中，學(xué)生結(jié)合前面學(xué)到的熔點、沸點的知識，很容易知道碘在水浴中加熱時溫度達(dá)不到熔點，也不可能熔化成液體，所以碘只能直接從固態(tài)變成氣態(tài)。通過這樣的視頻教學(xué)留學(xué)之路，學(xué)生不僅對升華現(xiàn)象有了深刻的體驗，而且在這個過程中鍛煉了科學(xué)思維能力。
2.做好交互設(shè)計，讓實驗視頻更貼合教學(xué)
有些觀察實驗需要觀察多個實驗場景，使得實驗視頻過長，連續(xù)的視頻播放不利于學(xué)生觀察某一實驗場景。測量、探索、制作等綜合性實驗視頻通常需要呈現(xiàn)實驗原理、實驗操作、數(shù)據(jù)處理、實驗結(jié)論、實驗分析等內(nèi)容，連續(xù)的視頻播放不利于呈現(xiàn)整個實驗框架和學(xué)生的獨立思考。開發(fā)者應(yīng)做好交互設(shè)計，在視頻中展現(xiàn)實驗設(shè)計邏輯，有利于學(xué)生對實驗的整體理解和把握。例如，對于實驗視頻《聲音產(chǎn)生的條件》，課程標(biāo)準(zhǔn)要求“2.3.1通過實驗，了解聲音產(chǎn)生的條件”，學(xué)生需要綜合分析、提煉、總結(jié)生活中各種實驗現(xiàn)象，了解聲音產(chǎn)生的條件。實驗視頻呈現(xiàn)了“橡皮筋”、“鋼尺”、“音叉”、“鼓”、“喇叭”等多個場景。借助這個并行呈現(xiàn)的交互式視頻，學(xué)生可以根據(jù)自己的需要選擇要呈現(xiàn)的場景。
3.提供基于實驗分類的視頻檢索路徑，使實驗視頻更適合教學(xué)和學(xué)習(xí)
通常實驗視頻的搜索路徑為教材目錄或課程目錄，以知識模塊為線索。這種方式適應(yīng)教學(xué)進(jìn)度，但不利于用戶系統(tǒng)掌握各類型實驗的特點。在已有的搜索路徑基礎(chǔ)上，開發(fā)者可以按照實驗分類進(jìn)行搜索，同時按照初中物理知識模塊從前向后擴(kuò)展各個條目，使實驗視頻更加貼合教學(xué)與學(xué)習(xí)。
注：本文為國家新聞出版署出版技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)重點實驗室、數(shù)字教育出版技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)重點實驗室、人民教育出版社數(shù)字教育研究所計劃項目“內(nèi)容結(jié)構(gòu)化整合視角下的初中數(shù)學(xué)數(shù)字化教材設(shè)計與開發(fā)”（編號： ）和“促進(jìn)跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)的數(shù)字化教材實踐研究”（編號： ）的階段性研究成果。
（作者為人民教育數(shù)字出版有限公司學(xué)科編輯、人民教育出版社數(shù)字教育出版重點實驗室兼職研究員）
結(jié)尾
