陳彥龍
[摘? ?要]實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理教學(xué)的主要內(nèi)容之一,也是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)習(xí)興趣、科學(xué)態(tài)度和精神、學(xué)科核心素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。新課程標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的重要性,要求教師最大限度地利用實(shí)驗(yàn)來(lái)提高物理教學(xué)的質(zhì)量和效率。對(duì)高中學(xué)校而言,建設(shè)力、熱、聲、光等相關(guān)實(shí)體實(shí)驗(yàn)室成本較高,管理實(shí)驗(yàn)室的難度較大,且學(xué)生實(shí)驗(yàn)也會(huì)不斷消耗實(shí)驗(yàn)材料,因此學(xué)校壓力較大。對(duì)此,基于網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和開(kāi)放遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室是高中學(xué)校的有利選擇。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室可以滿足學(xué)生的實(shí)驗(yàn)需求,且建設(shè)成本低、管理難度小,能有效解決教學(xué)資源短缺和消耗過(guò)大的問(wèn)題。文章分析并探討在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開(kāi)展遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的可行性和具體策略,為使學(xué)生獲得良好的物理學(xué)習(xí)效果提供一些思路。
[關(guān)鍵詞]高中物理;實(shí)驗(yàn)教學(xué);遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)
[中圖分類號(hào)]? ? G633.7? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058(2022)03-0025-03
新冠肺炎疫情影響了我國(guó)的社會(huì)生產(chǎn)和人民的生活,并對(duì)我國(guó)西部落后地區(qū)的教育產(chǎn)生了一定的沖擊,最明顯的就是新冠肺炎疫情背景下線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以開(kāi)展,缺少實(shí)驗(yàn)條件。基于此,本文探索在新冠肺炎疫情背景下,高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開(kāi)展遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的可行性和具體策略。
一、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)概述
遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)是遠(yuǎn)程教育的重要組成部分。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)所用的實(shí)驗(yàn)室通常包括兩種形式,一種是以網(wǎng)絡(luò)虛擬技術(shù)為基礎(chǔ)的虛擬實(shí)驗(yàn)室,另一種是可以遠(yuǎn)程控制的實(shí)驗(yàn)室。兩種形式的實(shí)驗(yàn)室都依賴網(wǎng)絡(luò),學(xué)生可以通過(guò)計(jì)算機(jī)或移動(dòng)終端進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室能夠有效解決學(xué)校教學(xué)資源短缺和消耗過(guò)大的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)資源共享,使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不受時(shí)間和空間的限制。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)是互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)資源的補(bǔ)充,也是現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展方向之一,能夠給學(xué)生、教師帶來(lái)全新的體驗(yàn)。它對(duì)現(xiàn)代教育產(chǎn)生了重大的影響。本文探討的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)是指用戶通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程訪問(wèn)實(shí)驗(yàn)室中連接實(shí)驗(yàn)設(shè)備的計(jì)算機(jī),以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室中眾多設(shè)備的調(diào)節(jié)和控制,通過(guò)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)的攝像機(jī)等設(shè)備獲取真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。簡(jiǎn)而言之,遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)就是人在異地通過(guò)計(jì)算機(jī)和攝像機(jī)完成一場(chǎng)真實(shí)的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均為真實(shí)的。但遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)同樣存在不可忽視的缺點(diǎn),那就是操作無(wú)實(shí)感,目前的技術(shù)條件還沒(méi)有辦法讓學(xué)生進(jìn)行有實(shí)感的實(shí)驗(yàn)操作。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于人為操作導(dǎo)致的誤差和錯(cuò)誤難以完全體現(xiàn)。因此,遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力、觀察能力、問(wèn)題分析能力有一定的限制。
二、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)對(duì)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用和價(jià)值
(一)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)知識(shí)、技能的作用
學(xué)生做遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)與在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室做實(shí)體實(shí)驗(yàn)一樣,都能夠獲得實(shí)驗(yàn)知識(shí)和技能。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)本質(zhì)上還是實(shí)驗(yàn),對(duì)學(xué)生的相關(guān)實(shí)驗(yàn)知識(shí)和技能的要求是一致的。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)又有所不同,遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)建立在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上,學(xué)生在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)中遇到的困難和問(wèn)題,可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)尋找解決的方法和途徑,然后返回遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)做實(shí)驗(yàn)。這樣的方式不僅有利于學(xué)生高效完成實(shí)驗(yàn),而且有利于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。除此之外,學(xué)生在完成遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)前還可以通過(guò)預(yù)習(xí)、設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)等途徑來(lái)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),提高遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的成功率。在這個(gè)過(guò)程中,學(xué)生同樣能夠?qū)W到很多知識(shí)和技能。
(二)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程、方法的支持
遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)基于互聯(lián)網(wǎng)得以實(shí)現(xiàn),突顯了互聯(lián)網(wǎng)可集視頻、動(dòng)畫(huà)、音頻、圖文于一體的特點(diǎn),不僅能夠達(dá)到實(shí)體實(shí)驗(yàn)的要求,而且能夠?yàn)閷W(xué)生創(chuàng)造良好的學(xué)習(xí)環(huán)境,為學(xué)生創(chuàng)設(shè)必要的實(shí)驗(yàn)情境,滿足學(xué)生的實(shí)驗(yàn)需求。相對(duì)實(shí)體實(shí)驗(yàn)而言,遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)思路、知識(shí)水平要求更高,能夠滿足學(xué)生自主探究、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等需求。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室中可以設(shè)計(jì)系列實(shí)驗(yàn)課題,逐步增加實(shí)驗(yàn)的深度和復(fù)雜程度,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度的實(shí)驗(yàn)探究。物理實(shí)體實(shí)驗(yàn)室中,為了保證學(xué)生的安全,降低實(shí)驗(yàn)事故發(fā)生的可能性,教師往往會(huì)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作有較多的限制,對(duì)涉及高壓電源、放射性物質(zhì)等危險(xiǎn)程度較大的實(shí)驗(yàn)一般不會(huì)讓學(xué)生操作,學(xué)生想大膽嘗試往往也會(huì)被教師制止。這樣雖然能夠保證學(xué)生的安全,但也限制了學(xué)生在物理領(lǐng)域中的探索,不利于學(xué)生的成長(zhǎng)。
遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行岣呶锢韺?shí)驗(yàn)的安全性,給學(xué)生最佳保障。學(xué)生可以異地遠(yuǎn)程完成多項(xiàng)實(shí)驗(yàn),觀察到真實(shí)的物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室中,學(xué)生可以觀看其他教師、同學(xué)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)與教師、同學(xué)進(jìn)行交流,探討實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)觀察、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中遇到的問(wèn)題。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)為學(xué)生提供討論、合作學(xué)習(xí)的環(huán)境和機(jī)會(huì),有助于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和溝通交流的能力。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室一般為全天候開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)室,學(xué)生可以打破時(shí)間和空間的限制進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,在有興趣、有靈感、有疑問(wèn)時(shí)都可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這樣的實(shí)驗(yàn)室,提升了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的靈活程度,滿足了學(xué)生自主控制學(xué)習(xí)時(shí)間、時(shí)長(zhǎng)的需求,更符合未來(lái)選擇朝物理專業(yè)方向發(fā)展的高中生的需要。
(三)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度的作用
遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)雖然是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控,但與仿真實(shí)驗(yàn)不同。在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生操控的是真實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器,觀察的是真實(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,獲取的是真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這樣的實(shí)驗(yàn)方式更能夠培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。而且,遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生而言是一個(gè)比較新奇的事物,與傳統(tǒng)的物理實(shí)體實(shí)驗(yàn)不同,與全程虛擬的物理實(shí)驗(yàn)也不同。這種虛實(shí)結(jié)合的技術(shù)能夠激發(fā)學(xué)生的求知欲,讓他們對(duì)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)有較大的興趣和熱情。
(四)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)對(duì)教師教學(xué)和學(xué)生自學(xué)的作用
在傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)中,一位教師需要應(yīng)對(duì)全班多個(gè)學(xué)生、多個(gè)實(shí)驗(yàn)小組,要不斷地在實(shí)驗(yàn)室中巡視,無(wú)法直接參與每一個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)全過(guò)程。這樣的實(shí)驗(yàn)方式不利于教師了解學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度,不利于教師了解學(xué)生實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)和不足,容易影響物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效率。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)榻處熖峁W(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程記錄,方便教師調(diào)取監(jiān)控影像和數(shù)據(jù),讓教師在有需要時(shí)盡可能多地了解學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況,有利于教師做出更科學(xué)、更合理、更公正的評(píng)價(jià)。學(xué)生也可以通過(guò)回顧自己實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的監(jiān)控影像來(lái)了解自己的不足,找到實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題,養(yǎng)成反思的習(xí)慣。
三、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)中的實(shí)際開(kāi)展
遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)是異地遠(yuǎn)距離操控實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)室無(wú)人值守,因此并不適合進(jìn)行操作較多的物理實(shí)驗(yàn),更適合一些將實(shí)驗(yàn)器材和儀器連接后通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)來(lái)獲取實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的物理實(shí)驗(yàn),如電學(xué)和磁學(xué)實(shí)驗(yàn)、光學(xué)實(shí)驗(yàn)、原子實(shí)驗(yàn)等。在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)中,教師和學(xué)生需要登錄遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)站,下載相關(guān)插件,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并獲取實(shí)時(shí)圖像。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室實(shí)景如圖1所示。
以“傳感器的簡(jiǎn)單應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)為例,傳感器是現(xiàn)代化自動(dòng)控制領(lǐng)域中重要的技術(shù)元件,是一種將所感受到的物理量轉(zhuǎn)化為便于測(cè)量的量的元件。常見(jiàn)的傳感器內(nèi)部有光敏電阻或熱敏電阻等結(jié)構(gòu),我們可根據(jù)光、熱等物理量的強(qiáng)度變化來(lái)控制電路中的電壓或電流變化,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其他元件的控制。在物理實(shí)驗(yàn)中,教師和學(xué)生可以通過(guò)調(diào)節(jié)傳感器所感受的物理量(力、熱、聲、光等),讓傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理,并通過(guò)監(jiān)控電壓、電流變化的方式來(lái)獲取相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),了解傳感器的實(shí)際工作過(guò)程。這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以運(yùn)用遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)開(kāi)展,無(wú)須教師將學(xué)生帶到物理實(shí)體實(shí)驗(yàn)室中,或?qū)?shí)驗(yàn)器材搬入教室進(jìn)行演示。教師和學(xué)生可以登錄遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)站,在了解本次實(shí)驗(yàn)的目的、意義、原理、儀器裝置、流程的情況下,對(duì)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)中的物理量(力、熱、聲、光等)進(jìn)行調(diào)控,通過(guò)電壓、電流測(cè)量?jī)x器了解傳感器的信號(hào)傳遞效果,從而利用真實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、影像、數(shù)據(jù)來(lái)完成本次實(shí)驗(yàn)。具體操作流程如圖2。
這樣的教學(xué)采用了在互聯(lián)網(wǎng)上操控實(shí)驗(yàn)和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的實(shí)驗(yàn)?zāi)J剑瑢?shí)現(xiàn)了校內(nèi)儀器在校際、家校間的資源共享,提高了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。
在教授“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”這一課時(shí),教師可引導(dǎo)學(xué)生利用控制變量的方法來(lái)探究質(zhì)量、力和加速度之間的關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)中,平衡摩擦?xí)r要把紙袋掛在小車上,把懸掛小盤的細(xì)繩系在小車上,輕推小車,讓小車帶動(dòng)紙帶向下運(yùn)動(dòng),直到紙帶上留下間隔相等的點(diǎn)為止。在小車質(zhì)量不變的情況下,探究力與加速度的關(guān)系時(shí),利用小盤和砝碼的總重力代替小車受到的拉力,實(shí)際小車受到的拉力要比小盤和砝碼的總重力小,這就會(huì)產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差。小盤和砝碼的總質(zhì)量越接近小車質(zhì)量,實(shí)驗(yàn)誤差就越大;小盤和砝碼的總質(zhì)量越小,實(shí)驗(yàn)誤差就越小。在短短45分鐘的時(shí)間內(nèi),教師既要求學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)操作,又要求學(xué)生準(zhǔn)確無(wú)誤地處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),這對(duì)操作能力較弱的學(xué)生而言是一種挑戰(zhàn)。課后,教師可用氣墊導(dǎo)軌代替長(zhǎng)木板,在小車上安裝力傳感器,用速度傳感器代替打點(diǎn)計(jì)時(shí)器來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),用攝像機(jī)把實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程錄制好,應(yīng)用遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)和互聯(lián)網(wǎng)把實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳送到學(xué)生終端,讓每個(gè)學(xué)生都可以在線下參與、經(jīng)歷、體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程,感受實(shí)驗(yàn)的魅力和科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)。教師還可以讓學(xué)生利用空閑時(shí)間線上進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程,這樣既加深了學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解,又培養(yǎng)了學(xué)生的發(fā)散性思維和創(chuàng)新能力。因此,教師應(yīng)隨時(shí)隨地調(diào)整線上和線下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)程,讓學(xué)生在實(shí)踐中探究、在探究中實(shí)踐,激發(fā)學(xué)生的求知欲,促進(jìn)學(xué)生全面和可持續(xù)地發(fā)展。教師還可以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中組織學(xué)生展開(kāi)交流和討論,讓學(xué)生自行完成實(shí)驗(yàn)單一變量的控制和調(diào)節(jié),獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、現(xiàn)象,引導(dǎo)學(xué)生將遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、現(xiàn)象等資料收集起來(lái),根據(jù)實(shí)驗(yàn)真實(shí)過(guò)程和結(jié)果來(lái)進(jìn)行分析。如果實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)了異?,F(xiàn)象,教師可以給學(xué)生提供機(jī)會(huì)和空間,引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)查閱資料、獨(dú)立思考、小組討論等途徑來(lái)自行分析問(wèn)題和解決問(wèn)題,最終順利完成實(shí)驗(yàn)。而且,學(xué)生在課后進(jìn)行復(fù)習(xí)時(shí),也可以登錄遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)站進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)或查看其他教師、同學(xué)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果,在反復(fù)實(shí)驗(yàn)、反復(fù)練習(xí)中快速掌握實(shí)驗(yàn)儀器的使用方法,找到影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原因。
總之,遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)是一種與傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)有較大區(qū)別的實(shí)驗(yàn)方式,它不僅能夠填補(bǔ)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足,還能夠有效提高物理實(shí)驗(yàn)的安全性,幫助學(xué)生打破時(shí)間、空間的限制。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的真實(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程、反復(fù)練習(xí)空間、師生交互平臺(tái)都有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)和成長(zhǎng),能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、動(dòng)手能力和分析總結(jié)能力,這對(duì)未來(lái)選擇朝物理專業(yè)方向發(fā)展的高中生而言十分有利。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)雖然缺少能接觸實(shí)驗(yàn)儀器、材料的真實(shí)感,但整體上的真實(shí)程度超過(guò)仿真實(shí)驗(yàn),對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)幫助更大。目前,很多中學(xué)與大學(xué)合作構(gòu)建遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室,希望可以滿足高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求,減輕學(xué)校建設(shè)和維護(hù)實(shí)驗(yàn)室的壓力,節(jié)約教育教學(xué)成本。但遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)不能完全替代傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn),只能作為教學(xué)輔助手段。
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(責(zé)任編輯? ? 李琪琦)
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