利用信息技术助力高中理科实验教学的措施探究

朱文瑜

高中物理、化学、生物课程中均安排了大量的实验，实验教学的质量对整体教学效果有着举足轻重的影响。目前，新课程改革持续进行，在要求中更加突出了实验教学，鼓励合理使用信息技术融入实验教学。

一、 信息技术在高中实验教学中应用的普遍优势

(一)有利于激发学生学习兴趣

在理科课堂教学上，部分教师从头到尾独自空讲，讲概念、讲实验、讲结论，这是教学中最忌讳的。教师只是表面陈述有关实验的步骤和方法，费时费力，学生也难以理解，缺乏听课趣味。如果利用信息技术建立教学所需的情境和任务，让理科实验课堂更加形象具体，会更有效激发出学生的学习兴趣。

(二)将难演示的知识形象化

理科很多实验是研究微观世界的，很多概念理论具有很强的抽象性，学生受到自身的知识结构和认知特点等诸多因素的影响，难以理解知识。对许多因受条件影响无法呈现或呈现效果不明显的实验，通过信息技术，用图像、视频、模拟动画等形式表达出来，帮助学生理解，完成对教学重、难点的突破。

二、 运用信息技术助力实验教学的一些创新实践

(一)改进微视频，增强理科实验效果

在理科教学中，有一块内容是不可或缺和值得重视的，那就是实验。实验是有效彰显学科特性的重要载体，实验是培养学生科学思维的重要方法和手段。通常情况，为了得到“一刹那，一瞬间”的现象，教师花费大量的时间和精力做好了烦琐的实验准备工作，但学生可能因为自身所处的观察角度或位置的不同，观看的效果不够理想，教学预期没有实现，造成一些知识点的缺失。

以高中化学《铁氢氧化物》的实验为例：在FeSO溶液中缓慢滴加NaOH溶液，生成白色絮状沉淀再转变成灰绿色，几分钟后产生红褐色物质。纯理论角度上，学生在实验中能观察到反应生成白色絮状沉淀(即氢氧化亚铁)，后迅速被溶液中的氧气氧化，生成了红褐色的氢氧化铁，这个实验现象是相当重要的。但在现实的学生实验操作上，刚反应生成的白色絮状沉淀只能存在短暂的几秒钟，之后白色迅速变成灰绿色，如果学生在做实验过程中不注意或不留心，将会观察不到此重要现象，造成知识点的缺失。这里教师就可以先行制作此实验，并整段录制下来。计算机上或手机打开视频编辑软件对此实验微视频生成氢氧化亚铁的时间轴片段做分割切断，然后对其时间轴片段中的关键步骤做放慢特效，甚至关键帧静帧处理，将“瞬间现象”变成“慢速现象”甚至是“静止现象”。教师同步配音解说白色絮状沉淀是如何产生的，反应生成什么物质。让学生在慢放、回放、暂停中实现对实验现象全面多方位的观察，加深记忆和理解，一举突破本课重点。运用相同技术也可用在高中物理经典的《牛顿管》实验，快速倒立长约1米的真空玻璃管，可以观察到在管中的羽毛和小铜片下落速度几乎一致，由此来说明当物体只受重力作用时，物体下落快慢是一样的。在教学课堂上，讲台下学生人数众多，声音嘈杂，各自座位不同，学生的视觉角度也不同。物体下落时间非常短暂，学生将会难以辨别两个物体下落的快慢，根本无法观察到两物体同时落地。而通过视频编辑软件可以实现对视频的可控性，对视频片段进行回放、慢动作，甚至定格镜头，经测试，至少约比原始视频放慢100倍，才能让学生清楚地观察到两个小物体在玻璃管内同时落地的现象，形成了对学生多重感官刺激，引导学生积极观察，使学生更充分体验到实验现象。以上实验不是只看视频不做，而是在真实实验之前或之后播放，通过微视频强化对真实实验的理解。

(二)制作思维导图，理解大单元实验体系

高中理科课程的各章各节看似互相独立，互不相干，但其实很多章节包括实验在内，之间也是相辅相成，有着多样的内在联系，组合在一起才能构建成完整系统的实验知识体系。思维导图就是通过概念框和流程图的形式，将知识联系起来，形成稳固的知识结构。随着技术的发展，教师和高中生可以运用一定的技术手段在课堂上构建体系，可以运用思维导图如GitMind或WPS等软件将各章各节中分散的基本概念、实验原理、操作步骤、规划设计和注意点之间的联系，用最直观的形式将各层级关系表现，颜色丰富、图文并茂地构建出系统的知识结构。

以高中化学《配置一定物质的量浓度的溶液》的实验为例，该实验虽然整体难度不大，但很重要。该实验促使学生初步的认识容量瓶，特别训练学生对基本实验器材的操作能力和误差分析能力，了解操作规范的必要性，为后续单元章节中的多个实验奠定基础。合理运用思维导图，分层级将该实验过程中的步骤、注意点、原理、分析等元素用图的形式展现出来，详细见图1，通过思维导图对此实验的各种要素一目了然，促进知识的理解，特别是注意事项和误差分析，在后续单元章节中都会再次用到。再以高中生物知识体系里的多个实验为例，确定好思维导图的主题是生物实验的实施方法，随后延伸出一级标题：观察类、探究类、鉴定类等，其中观察类可延伸出二级标题：显微镜的使用、观察叶绿体的流动、观察洋葱细胞质壁分离、观察洋葱根尖细胞的有丝分裂等实验。二级标题又可以继续延伸出次一级标题及具体内容。鉴定类也可分出两个一级标题，具体见图2所示，这样简单明了，方便理解、巩固，各单元知识点交叉共建，加深对体系的理解。教师先用思维导图构建出研究方向的框架，再让学生自由组合，小组合作探究将思维导图补充完整，学生需要依据已经掌握的知识，在思维导图中加入自己的意见，通过团队的合作和努力，在同类知识点中不断展开拓展，查漏补缺，串联相关知识，完善初始框架。在一张或几张思维导图中，整合出多个相关的重要实验。在小组合作的过程中，教师也不能完全放手，要适时适当的或在关键节点上引导学生，保证制作的思维导图没有偏离主题。教师和学生通过合作交流的方式制作思维导图，构建出学科知识系统，不局限于书本的某一章节，以更加宏观的眼光来审视整本书甚至几册书，将一颗颗分散的“小钻石”知识点串联起来，整合成“钻石项链”，即完整的系统知识体系。通过制作思维导图探究完成具有严谨逻辑、分明层次的知识图表，培养学生自我梳理、归纳小结不同知识的能力，加深对章节体系以及大单元知识的理解，最终成果图文并茂，既高效又美观，也有助于培养学生探究能力和合作意识，启发学生对问题进行发散性思考，从而提升核心素养。

图1

图2

(三)快捷制作微课，强化实验效果

在整个学习生涯中，某些学生经常出现以下情况，上完实验课，有一个重要知识点在教师演示实验时没明白或当时以为听懂了，结果之后碰到相关知识点或习题又不会做，究其原因，是其对所上的实验概念不够清晰，实验过程模模糊糊，不甚清楚，只是眼睛看着学会了，大脑并没有真正掌握。而假如教师在网络教学资源或教室电脑上共享实验微课，那么学生可以根据自我需求，不受实验课程时间和实验器材、地点的限制，随时查看，多次重复观看，学生通过观看学习教师制作的微课，快速掌握要领、课前预习，课后复习找出不足。但是当前部分学校有关实验的微课资源相对匮乏，小部分教师由于年龄或各种客观原因，对制作微课有些许畏难的情绪，担心自己的信息技术水平不够，做不好优质的微课。

其实，这些担心能理解但都能解决。近来由于疫情反复，各级各类学校都响应号召，开展停课不停学活动，大多数学校都有直播网课，教师的信息技术素养直线提升，再加上实验自身就带有实践和趣味光环，大多数实验微课的制作完全可以不用精湛的信息技术和大量的图形动画。实验微课重要的是教师将实验过程中某些需要强化的知识点或者关键易错的实验步骤进行特别讲解和整理，或配上做实验的关键过程，或配上相关习题打包制作成微课即可。因此，教师只需要会上网课、会直播的技术，就能在校园里、家里甚至在户外，运用一些简易设备甚至手机就能随时随地地制作微课并分享。比如某些学校教室里配置了希沃一体机，教师可以直接调用右下角希沃录课按键实时录课生成文件(软件自动调用录屏及内置麦克风)。假如身边只有普通电脑，那么增加耳机麦克或USB话筒，使用简单的录屏软件也可操作，甚至可以把手机装上支架或靠在书本上稳定机身，使用手机摄像头拍摄整个实验过程。也可以在智能手机上安装“希沃白板”App，用自带的“知识胶囊”功能制作完微课，产生二维码或链接通过网络分享给学生，这样，教师就可以随时随地便捷地制作微课，分享微课。总之，教师在实验课前或课后，有针对性地将一些常见问题、难以理解的知识点、复杂的实验步骤，快捷地制作微课并分享，学生可以在课余时间或家中针对自己的薄弱环节，利用自己碎片化的时间，有选择性地自学观看相关实验微课，查漏补缺，巩固学习知识。通过鼓励学生主动学习，边看微课边与身边的教师、同学交流，也满足了学生的个性化需求。

(四)使用智能手机，把实验融于日常生活

在很多学生心中做理科实验是具有仪式感的，需要有专业的实验室，需要有专业的器材设备，轻易无法触碰，潜意识觉得理科实验远离学生日常生活，只有上课才会用到。其实现在科技日新月异发展，很多小实验完全可以用智能手机来完成，并且准确度和科学性不逊色于专业实验器材。目前智能手机都带有光照、声音、温度、加速度等的传感器，通过应用程序调用内置的各类传感器，可以定性且定量的获取各种数据和图形统计，学生完全可以在家中使用智能手机中的应用程序，而不依据专业的实验器材就能完成课本实验。

以有关加速度的实验为例，例如安装phyphox应用程序，打开“加速度”选项，可调用手机的加速度传感器，将手机放在水平桌面上保持手机贴着桌面，沿着、轴加速平移，可以看到屏幕上、轴产生一个个波峰与波谷，手持手机脱离桌面做上下加速运动，则轴出现波峰与波谷，这些波峰波谷图形显示的就是各个方向的加速度。比如自由落体加速度的数值就可以用轴波峰的变化来体现。在地面放置保护垫或在床上垫好被子做实验(保护手机)，用双手手掌平举手机，运行加速度选项，手指迅速离开手机，手机脱离手指做自由下落，结束后观察手机屏幕轴的图形，从图3中可知，有一段数值大约是-10m/s，就是自由落体的加速度，这样无须别的实验器材，学生就可以在家里用手机做实验。使用同种功能，也可以在生活中体验地铁、公交等交通工具在行驶加速过程中加速度的数值和变化，例如我们在地铁里垂直地铁运行方向放置手机，打开软件直观观察轴的图形就可以体验地铁加速度数值变化，经过多次多站点测量，从图4得知，发现地铁启动运行过程中，其加速度并不是一直增大，而是先增加后减少再增加的过程，这与普通人的直观想象是不一样的，通过手机实验观察地铁运行加速度的数值变化，结合实际地铁速度的变化，理清加速度与速度之间的关系，在加速度变小的情况下，地铁速度依旧可以增加。灵活运用手机，甚至可以在生活中体验加速度与力量的关系。用牛皮筋将打开软件的手机绑在简易小车上(玩具车、原轨道小车均可)，用手推动小车加速前进。在小车质量不变的前提下，通过改变手掌推力，可以观察到软件图形的不同变化，得出实验结论，在不同推力下，小车加速度的变化与所受的力有关。

图3

图4

熟练运用智能手机中应用程序的各种功能，不止加速度测量，还有磁力计、力学、声学、工具、计时器等各种功能。使用phyphox应用程序中工具里的“斜面”，能测量手机的倾斜角度。如果开启发散性思维，完全可以用在物体形变的实验上，特别是对刚性物体的轻微形变，由于学生无法靠自身肉眼观察轻微形变，对刚性物体形变理解有一定的难度。将手机水平放置在水平桌上，得出向上/向下倾斜约0.3度，波纹保持相对平静，手掌用力按压桌面，屏幕显示倾斜约0.45度，图形产生波峰，手掌离开桌面，倾斜角度数值恢复，如图5所示，通过观察图形后，可得出桌面是被手掌按压，产生了轻微形变的结论。

图5

同样，化学实验、生物实验也可在智能手机上运用一些应用程序来模拟，只是目前由于手机的传感器芯片大都只支持物理相关应用程序，化学、生物实验更多的是利用应用程序模拟真实实验进行的虚拟仿真实验，安装完相关应用程序后，学生在手机屏幕里点击操作各种器材，来模拟仿真实验，程序里会显示正确操作后各种实验现象，也会智能判定操作错误导致的实验失败。

将智能手机看作一套简易的便携的数字化实验设备，教师可以启发学生使用各种设备，运用各种技术发散思维，通过日常生活实验，将实验与日常生活融合，让学生通过现象了解产生的原理。可以培养学生观察力，在认识科学本质，理解科学、技术、社会、环境的关系的基础上形成对科学和技术应有的正确态度以及责任感。

三、 结语

以上基于信息技术的几点创新实践，在理科实验教学中有着突出的辅助作用，能有效促进学生对知识的理解，培养学生的学习兴趣，调动学生的主观能动性，有助于将理科实验融于日常生活中，促进学生核心素养的发展。