物理是一门以实验为基础的自然学科，实践性很强初中物理有多难，实验教学是培养学生核心学科素养的重要路径。《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称《课程标准》）指出，要充分发挥实验在物理教学中的重要作用，需要合理开发实验教学所需的课程资源。物理实验视频是录制人员利用摄像机或手机等设备记录整个实验过程，利用动画或视频处理技术模拟整个实验过程和实验现象，并可在计算机多媒体上播放的视频。目前实验视频通常采用标准模板和程序进行开发，整体性、系统性强，但难以体现具体实验的个性化特点。为了开发出更符合教学需要的实验视频，需要对实验进行分类分析，根据每类实验的特点、价值和难点，开发出能凸显其教育价值的实验视频。作者将中学物理实验分为体验实验、观察实验、操作实验、测量实验、探究实验、生产性实验六大类。在分析各类型实验特点的基础上，针对不同类型实验的个体特点提出了发展策略：观察实验借助信息技术实现现象和原理的可视化；操作实验演示实验操作，提供系统的方法指导；测量实验加强系统设计，以结构化的方式呈现实验中的普遍测量原理；探究实验注重探究能力的培养；生产性实验优化改进设计，渗透工程技术思想。针对不同类型实验的共同特点，提出了发展策略：设置合适的引导性问题，深入挖掘实验的教育价值；做好交互设计，使实验视频更贴合教学；根据实验分类提供视频检索路径，使实验视频更贴合教学与学习。
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1. 实验分类及描述
通常实验分为教师演示实验、学生动手实验、延伸实验三类，这种分类不利于凸显实验的特点，也不利于学生把握实验的本质特征。以人教版教材八年级物理卷（2012版）、八年级卷（2012版）、九年级卷（2013版）为例，对157个初中物理实验进行系统梳理，从能力角度将实验分为体验实验、观察实验、操作实验、测量实验、探索实验、生产性实验。
1. 体验实验
体验，顾名思义，就是用自己的“身体”亲身去实验。体验实验要求学生的感觉器官实际参与到实验过程中，对实验结果有直接的感受。体验既是实验过程，又是实验结果；既是实验方法，又是实验目标。例如，一个学生敲桌子，另一个学生把耳朵贴在桌子上，听从桌子上传来的敲击声。通过亲身体验，了解到固体可以传递声音；将空饮料罐压入盛满水的烧杯中，手可以感受到浮力，建立对浮力的直观认识；将酒精擦在手背上，酒精的蒸发使手背感到凉初中物理有多难，从而建立蒸发吸热的认识。
2.观察实验
观察性实验是指学生通过观察实验现象和结果，进行分析、总结，从而理解物理概念和规律，培养模型构建、科学推理、科学论证、质疑创新等思维能力。例如，学生把碎纸片放在鼓面，敲击鼓面，观察碎纸片的运动情况，分析声音产生的条件；观察光在空气中、水中、玻璃中、不均匀的糖水中以及两种介质中的传播路径，形成对光沿直线传播规律的科学认识。
3. 操作实验
操作性实验以操作为手段，旨在培养学生的操作能力和实验技能，进而培养学生规范、严谨的科学态度。例如，电压表的使用练习、电流表的使用练习、弹簧测力计的使用练习都是常见的操作性实验。需要注意的是，有些实验，如用尺子测长度、用秒表测时间、用温度计测水温等，也从教学目标的角度指向仪器的正确使用。这类实验也可以归类为操作性实验。
4. 测量实验
测量实验以应用实验器具为手段，以物理性质的定量表达为目的，主要目的是规范使用测量工具测量基本物理量，使学生提高测量技能，学习测量中蕴含的科学思维方法。测量实验以操作性实验为主，学生需要明确实验原理，确定所要测量的物理量，如测量物体运动的平均速度、测量凸透镜的焦距、用天平测量液体的质量等。
5.探索性实验
探究性实验是学生在掌握基本实验技能的基础上，经过提出问题、猜测假设、设计方案、进行实验、收集证据、分析证据、得出结论，并能科学评价和恰当呈现探究过程和结果的综合活动。研究问题一般涉及研究对象的特性、影响某一特性的因素以及与其他对象的关系，如探究固体熔化时的温度变化规律、探究水沸腾时的温度变化特性、探究光的反射规律等。
（六）生产实验
生产性实验是指学生针对应用物理问题创造性地构思实验方案，运用所学知识、技能和方法制作有形作品的过程。例如，课程标准和教材中提到制作能够体现物理本质的模型、简单的测量工具和简单的仪器，包括自制温度计、自制模型照相机、自制气压计、制作机翼模型、用橡皮泥制作可以承载重物的船、让线圈转动（自制小型电动机）、自制太阳能热水器等实验。
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2. 特点分析
在开发实验视频时，需要注意不同类型实验的特点，考虑实验教学的具体难点以及不同实验在落实核心素养培养要求方面的教育价值与教学目标，有针对性地组织能够有效辅助课堂实验教学的视频资源。
1. 数量分布
初中物理各类实验统计情况如下：157个初中物理实验中，观察类实验86个，占55%，是初中物理实验教学最主要的形式；课程标准要求学生做的实验分为操作类实验、测量类实验、探究类实验，这三类实验共计56个，占36%。实验视频设计时要考虑教学情景和教学要求，注重观察、操作、测量、探究类实验资源的设计。
2.教学难点分析
实验在物理教学中占有重要地位,不可或缺,但在实践中也存在不少问题和困难,这些问题和困难中哪些可以通过数字化手段得到解决,是我们在开发实验视频资源时需要重点关注的。
在体验式实验中，学生在真实、简便、直观的实验情境中获得最直接的体验，从而实现对相关知识的理解和认知。学生参与体验式实验不需要专门的实验仪器，操作难度相对较低。体验式实验中最重要的目标和变量是学生的直观感受，但并非可量化、不可替代、不可评估。对于体验式实验，从应用角度来看，实验视频对增强学生体验的作用相对较弱，常规的体验式实验不需要开发相应的实验视频。
在观察性实验中，学生的实验行为更多的是对实验过程和结果的观察、分析、处理和提炼。观察性实验教学的主要难点在于有些实验现象不明显、不清晰或可视性较低，有些实验现象或结果难以记录、保存和再现，从可观察到的实验现象到其背后的实验原理的理解存在较大的落差。根据观察性实验的教学要求和教学难点，在开发实验视频时应充分发挥信息技术的优势，实现实验现象、实验过程、实验原理的可视化。
实践性实验教学的主要目标是培养学生的实验操作能力，包括选择合适的实验仪器、规范的操作方法和正确的读数方法。实践性实验在教学中的困难主要体现在学生对实验仪器不熟悉、参考资料不够、缺乏专业的指导老师，导致学生不知道如何操作。实验视频的开发需要注重实验操作的规范化。
测量实验、探究实验、生产性实验都是综合性实验活动，需要学生在掌握观察、操作等基本实验技能的基础上开展。实验过程中，学生需要观察现象和过程，进行规范操作，对研究问题进行理论分析，在分析的基础上设计方案，完成实验操作，经历现象观察、数据分析与处理的过程。制作综合实验视频，不仅要注重实验现象的展示和规范操作的演示，还要通过分析过程加强对学生的引导和启发。
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3. 研发战略
1. 根据不同类型实验的个体特点设计视频
1. 观察性实验：利用信息技术将现象和原理可视化
针对一些观察性实验现象不明显或可视性差的问题，开发者在设计实验视频时，可以采用慢录快放、快录慢放、放大（以小见大）、定格（以静制动）等技术手段，将一些难以观察记录的现象呈现出来，真正实现实验现象的可视化。例如液体扩散实验，硫酸铜与水之间的扩散现象需要30天才能完成，这在课堂教学中是很难实现的。可以利用延时摄影，以几十秒10万次的速度播放30天内记录的实验过程，实现长期实验过程的可视化。
很多观察实验的教学目标是对观察到的实验现象进行分析、处理和提炼，实现相关物理概念或规律的建构。观察现象是手段，理解现象背后的原理是目的，从观察现象到理解原理存在一个认知梯度。对于此类实验，实验视频设计人员可以在对现象的观察基础上，采用语言、动画、文字等多种表现形式，生动形象地展示实验原理，实现物理实验原理的可视化。例如，在阳光的色散实验中，阳光照射到水下平面镜上，反射到白色的墙壁或白纸上，学生可以观察到阳光的色散现象，但阳光能够色散的原因却无法直观地呈现。在设计实验视频时，开发人员可以采用图形、文字、语音等多种表现形式展示实验原理（如图1所示）。
图 1 太阳光的散射
2. 操作性实验：实验操作演示、系统方法指导
为了满足操作性实验的教学要求，视频开发者需要结合教学难点设计操作性实验视频：在内容选取上，尽量呈现实验仪器的结构、规范的操作方法及读图方式、注意事项等；在拍摄过程中，尽量保证长镜头拍摄，避免频繁的场景切换；在技术处理上，尽量从多个位置进行拍摄，在全景与特写之间适当切换，方便学生操作时参考。例如，在使用天平测量物体的质量时，实验视频中详细介绍了天平的结构、调平方法、测量过程、操作注意事项等。
对于操作性实验，开发者可以按照一般的原理和方法进行整体设计和呈现。初中物理8个操作性实验中有7个涉及使用仪器直接测量，从教学目标角度指向尺子、秒表、温度计、弹簧测力计、电流表、电压表、天平等测量仪器的使用。这些测量仪器的操作原理和方法很多是一致的，开发者可以系统地设计视频内容。例如：实验开始前涉及到仪器的选择，仪器的选择需要考虑测量的可行性，即要选择合适的量程和测量精度，在合适的量程下尽量选择精度较高的测量仪器；实验过程中，需要考虑测量仪器的切入点，如使用尺子时需要观察零刻度线，使用天平时需要调平，使用秒表时需要重新设置，使用弹簧测力计时需要调零，使用电流表、电压表时需要机械调零等。基于以上分析，实验视频的开发需要用一致性问题引导操作性实验的设计，引导学生在体验多个操作性实验后，总结其中蕴含的思想和方法，用科学的方法指导学生提高实验操作能力，避免在普通课堂上经常出现的机械记忆。
3. 测量实验：系统设计，在实验中结构化呈现一般测量原理
初中物理中的测量实验在内容要求上差异很大，涵盖了力、热、声、光、电等不同的知识模块，但从能力要求和科学方法的角度看，具有一致性和共性。因此，开发者应系统地设计实验视频，清晰地呈现科学方法。初中物理13个测量实验中有10个的特点是两个物理量的比、乘积或差值（见表1）。用两个物理量的测量值来表示所要测量的物理量是初中物理测量实验的主要形式。实验者采用这种测量形式的条件是两个物理量必须相互对应，对应同一时间段、同一过程或同一研究对象。实验视频开发者以此为依据设计视频，系统地呈现，可以帮助学生树立一致的教学理念，避免只见树木不见森林、知识点分散。
4.探究性实验：注重探究能力的培养
探究性实验不仅是为了实现理解物理知识和原理的教学目标，更是为了培养学生的探究能力。探究能力主要包括基于现象提出问题的能力、有理有据的猜测和假设的能力、设计实验方案的能力、实验和收集证据的能力、分析和论证实验数据的能力、评价实验过程和结果的能力。这些探究能力的培养贯穿于所有探究型实验方案之中。探究型实验视频的开发不仅需要注重实验现象和过程的展示，还需要关注学生完成每个实验所需要具备的探究能力，提供适应性设计，搭建支架，帮助学生发展探究能力。例如，“探究平面镜成像特性”实验方案设计的关键是确定像的位置和大小，为什么要用半透明的薄玻璃板来代替平面镜呢？很多学生并不清楚。以往的实验视频大多直接呈现教材中设计的实验方案，掩盖了实验方案的设计过程，无法实现以理解为导向的教学和学习。为了解决这个问题，开发者可以在实验设计阶段并列呈现以下场景：使用平面镜直接成像时，未点燃的蜡烛无法与图像重叠；使用透明玻璃板成像时，未点燃的蜡烛与图像重叠，但图像不清晰；使用半透明玻璃板成像时，未点燃的蜡烛与图像重叠，图像比较清晰；使用半透明厚玻璃板成像时，图像会出现重影……通过多种方案的比较，让“用半透明薄玻璃板代替平面镜”成为水到渠成的结果。
5. 生产实验：优化设计并融入工程技术理念
在制作性实验中，学生需要运用所学的知识、技能和方法制作出有形的作品。制作性实验不仅涉及物理学科的知识和原理，还涉及一些工程技术的实施。制作性实验视频应能呈现作品的制作过程，并根据需要提出改进、优化作品的思路，引导学生进行深入思考和探索。例如在“自制温度计”实验中，视频在呈现制作过程的基础上，给出了改进作品的思路和方向：玻璃管的粗细是否影响温度计的测温效果？瓶子的大小是否影响温度计的测温效果？如何给出测得温度的具体值？……学生围绕这些问题进行研究，不仅可以顺利开展后续“温度计结构”和“摄氏温度”的学习，还可以逐步领悟工程技术优化、更新、迭代的思路。
2. 根据不同类型实验的共同特点设计视频
1. 设置适当的引导问题，深入挖掘实验的教育价值
笔者在采访老师的过程中了解到，实验教学的难度不仅体现在实验的观察与操作上，还体现在实验的分析、研究问题的引导、实验价值的挖掘等方面。开发人员在设计实验视频时，需要考虑引导性问题的设计，为教师实验教学提供参考。例如，碘的升华与凝结实验，由于人的感觉器官的限制，碘是从固态直接变成气态，还是从固态变成液态再变成气态？在时间短、碘量少的实验条件下，学生很难分辨，从而产生疑惑，引发思考。实验视频给出了背景信息“水的沸点是100℃，碘的熔点是114.15℃”，并适时提出引导性问题“请分析碘是否可以从固态变成液态再变成气态”。在理论分析的过程中，学生结合前面学到的熔点、沸点的知识，很容易知道碘在水浴中加热时温度达不到熔点，也不可能熔化成液体，所以碘只能直接从固态变成气态。通过这样的视频教学留学之路，学生不仅对升华现象有了深刻的体验，而且在这个过程中锻炼了科学思维能力。
2.做好交互设计，让实验视频更贴合教学
有些观察实验需要观察多个实验场景，使得实验视频过长，连续的视频播放不利于学生观察某一实验场景。测量、探索、制作等综合性实验视频通常需要呈现实验原理、实验操作、数据处理、实验结论、实验分析等内容，连续的视频播放不利于呈现整个实验框架和学生的独立思考。开发者应做好交互设计，在视频中展现实验设计逻辑，有利于学生对实验的整体理解和把握。例如，对于实验视频《声音产生的条件》，课程标准要求“2.3.1通过实验，了解声音产生的条件”，学生需要综合分析、提炼、总结生活中各种实验现象，了解声音产生的条件。实验视频呈现了“橡皮筋”、“钢尺”、“音叉”、“鼓”、“喇叭”等多个场景。借助这个并行呈现的交互式视频，学生可以根据自己的需要选择要呈现的场景。
3.提供基于实验分类的视频检索路径，使实验视频更适合教学和学习
通常实验视频的搜索路径为教材目录或课程目录，以知识模块为线索。这种方式适应教学进度，但不利于用户系统掌握各类型实验的特点。在已有的搜索路径基础上，开发者可以按照实验分类进行搜索，同时按照初中物理知识模块从前向后扩展各个条目，使实验视频更加贴合教学与学习。
注：本文为国家新闻出版署出版技术与标准重点实验室、数字教育出版技术与标准重点实验室、人民教育出版社数字教育研究所计划项目“内容结构化整合视角下的初中数学数字化教材设计与开发”（编号： ）和“促进跨学科主题学习的数字化教材实践研究”（编号： ）的阶段性研究成果。
（作者为人民教育数字出版有限公司学科编辑、人民教育出版社数字教育出版重点实验室兼职研究员）
结尾