Xiaozhi Teach Physics Experiment Coach

误区① 实验=走过场：演示实验老师做，
        学生实验按"标准步骤"做，
        学员没真正"探究"。

误区② 实验=记数据：学员只关心"数据对不对"，
        不会分析数据、不会找规律。

误区③ 实验=验证：实验只是为了"验证"已知规律，
        没让学员"发现"规律。

                ┌──────────────────────────┐
                │ ① 实验目标                │
                │  验证/探究/测量           │
                └────────────┬─────────────┘
                             ↓
                ┌──────────────────────────┐
                │ ② 实验设计                │
                │  变量控制/器材/步骤       │
                └────────────┬─────────────┘
                             ↓
                ┌──────────────────────────┐
                │ ③ 实验实施                │
                │  操作/观察/记录           │
                └────────────┬─────────────┘
                             ↓
                ┌──────────────────────────┐
                │ ④ 数据处理                │
                │  表格/图像/误差           │
                └────────────┬─────────────┘
                             ↓
                ┌──────────────────────────┐
                │ ⑤ 结论归纳                │
                │  规律/讨论/反思           │
                └────────────┬─────────────┘
                             ↓
                ┌──────────────────────────┐
                │ ⑥ 实验报告                │
                │  结构/规范/深度           │
                └────────────┬─────────────┘
                             ↓
                ┌──────────────────────────┐
                │ ⑦ 学员实验档案            │
                │  → 学员档案              │
                └────────────┬─────────────┘
                             ↓
                ┌──────────────────────────┐
                │ ⑧ 写回 student-analyzer   │
                │  实验能力维度             │
                └──────────────────────────┘

┌──────────┬────────────────────────┬──────────────┐
│ 类型      │ 描述                    │ 目的          │
├──────────┼────────────────────────┼──────────────┤
│ 验证性    │ 验证已知规律            │ 加深理解      │
│ 探究性    │ 探究未知规律            │ 培养能力      │
│ 测量性    │ 测量物理量              │ 学会方法      │
└──────────┴────────────────────────┴──────────────┘

■ A 层（需补基础）
  · 同样做探究，但给到"半成品"支架：
    表格已画好表头、变量已列出、步骤给前两步让学生补后面
  · 器材连接先由老师检查一遍再通电/加热
  · 侧重：读数准确、记录完整

■ B 层（达标）
  · 给出探究问题和器材，步骤由学生自己排
  · 表格自己设计，老师只检查"变量控制对不对"
  · 侧重：控制变量、数据处理

■ C 层（可拓展）
  · 只给探究问题，器材自选、方案自定
  · 追加一问："你这个方案有什么系统误差？怎么改进？"
  · 侧重：方案评价与改进

■ 验证性
  · 规律已经讲过，实验是为了"证实"
  · 适用：规律本身超出学生可探究范围，或课时实在不够
  · 风险：学生知道答案，容易"凑数据"

■ 探究性
  · 规律还没讲，实验是为了"发现"
  · 适用：课标列为"探究"的实验（探究影响滑动摩擦力的因素、
    探究浮力的大小、探究电流与电压/电阻的关系……）
  · 这类实验**不能**因为学生基础弱就改成验证

■ 教学建议
  · 课标写"探究"的，就按探究上；基础弱的班级用 A 层支架，而不是改成验证
  · 课标写"测量/练习使用"的（测密度、伏安法测电阻），本身是测量性实验
  · 同一个课题可以先探究后验证：先做出结论，再用另一组器材复核
  · 常见教学失误：把"基础弱"当成"只做验证"的理由——
    学生越弱，越需要亲手发现一次，只是需要更多支架

① 实验目的
  · 验证/探究/测量什么

② 实验原理
  · 用什么物理规律

③ 实验器材
  · 选什么器材

④ 实验步骤
  · 怎么操作

┌──────────┬────────────────────────┐
│ 变量      │ 描述                    │
├──────────┼────────────────────────┤
│ 自变量    │ 主动改变的量            │
│ 因变量    │ 随自变量变化的量        │
│ 控制变量  │ 保持不变的量            │
└──────────┴────────────────────────┘

■ 变量控制
  · 一次只改变一个变量
  · 其他保持不变

■ 多次测量
  · 减少偶然误差
  · 数据更可靠

■ 范围合理
  · 数据要覆盖到能看出规律的区间（至少 5-6 组）
  · 不超电表量程、不超测力计量程、不超温度上限

■ 安全第一
  · 每个实验先定 safetyLevel（三档见 shared/lab-safety.md）
  · "高"档一律改演示；"中"档必须老师全程在场并逐组检查装置

① 器材账
   需要的套数 = ⌈班额 classSize ÷ 每组人数⌉ + 1~2 套备用
   每组人数取 2-4 人（经验值）：
     · 班额 ≤ 30 → 每组 2 人，约 15 套
     · 班额 31-45 → 每组 3 人，约 11-15 套
     · 班额 46-60 → 每组 4 人，约 12-15 套
     · 班额 > 60 → 优先轮换制，不建议一次全班分组
   器材不够的三条退路（按优先级）：
     轮换制 → 拼组并分配角色 → 降级为演示+全班数据处理（下策）

② 时间账（初中一节课 periodMinutes 默认 45 分钟；高中按 classProfile 里本校的课时长度，各段按比例调整）
   复习与明目的 5 + 讲操作与安全 5 + 分发检查 5 +
   动手记录 18 + 数据处理 7 + 归还小结 5 = 45
   分发与归还合计 10 分钟是硬开销，排课时不能不算
   一节课装不下时：把数据处理挪到下一课时或课后作业，
   不要压缩"动手记录"的 18 分钟

③ 角色账（每组人人有事做）
   操作员 / 读数员 / 记录员 / 计时员 / 复核员
   3 人组：操作 + 读数记录 + 复核计时
   中途至少轮换一次角色，避免总是同一个人动手

■ 老师操作
  · 边做边讲
  · 关键步骤强调

■ 学员观察
  · 学员看现象
  · 学员听讲解
  · 学员记录

■ 老师引导
  · 学员预测
  · 学员描述
  · 学员总结

■ 学员操作
  · 学员亲自做
  · 学员合作
  · 老师巡回指导

■ 老师角色
  · 监督安全
  · 答疑解惑
  · 引导探究

■ 时间分配（经验值，见 §5.4 的时间账）
  · 讲解与安全提示约 10 分钟
  · 学生动手与记录约 18 分钟
  · 数据处理与小结约 7 分钟
  · 器材分发与归还约 10 分钟（硬开销，不能不算）
  · 时间不够时优先压缩数据处理（可挪到课后），
    不压缩学生动手

■ 安全（按 safetyLevel 分档执行）
  · 低：老师巡视即可
  · 中：课前讲安全要点 + 老师全程在场 + 每组第一次操作前老师确认装置
  · 高：只作演示，学生保持安全距离；或改用视频/仿真（要敞口使用、灌装或转移水银的只看课本插图或视频）
  · 水银温度计打破：学生离开那个房间、开窗通风，不碰不扫，由老师按学校规定收集封存（shared/lab-safety.md 第一节第 4 条）

■ 规范
  · 操作规范：接线先断开开关、天平先调平、量筒平视读数
  · 记录规范：表头写量与单位、当场记录、不涂改原始数据
  · 报告规范：结论带前提条件

■ 节约
  · 不浪费器材，用后归位
  · 破损当场报备，不隐瞒

■ 合作
  · 每组按角色分工，中途轮换
  · 不允许一人做、其他人抄

┌──────────┬────────────────────────┐
│ 形式      │ 描述                    │
├──────────┼────────────────────────┤
│ 表格      │ 整理数据                │
│ 图像      │ 画散点图/拟合曲线        │
│ 计算      │ 平均值/误差              │
└──────────┴────────────────────────┘

┌──────────┬────────────────────────┐
│ 误差      │ 描述                    │
├──────────┼────────────────────────┤
│ 系统误差  · 仪器/方法引入           │
│ 偶然误差  · 测量读数/操作引入       │
│ 错误      · 操作失误/记录错误       │
└──────────┴────────────────────────┘

■ 多次测量
  · 减少偶然误差
  · 取平均值

■ 改进器材
  · 减少系统误差
  · 用更精密的仪器

■ 严格操作
  · 减少错误
  · 规范步骤

① 数据分析
  · 找规律
  · 数学表达

② 物理意义
  · 规律怎么理解
  · 适用范围

③ 反思讨论
  · 实验有误差吗？
  · 哪些因素没考虑？
  · 如何改进？

1. 实验目的
2. 实验原理
3. 实验器材
4. 实验步骤
5. 数据记录
6. 数据分析
7. 实验结论
8. 反思讨论

┌──────────┬────────────────────────┬──────────────┐
│ 段落      │ 看什么                  │ 权重（经验值）│
├──────────┼────────────────────────┼──────────────┤
│ 实验目的  │ 探究什么、测量什么，写清楚│ 5%           │
│ 实验原理  │ 用了哪条规律、哪种方法   │ 10%          │
│ 实验器材  │ 型号与量程写全           │ 并入步骤      │
│ 实验步骤  │ 可复现，控制变量交代清楚  │ 10%          │
│ 数据记录  │ 表头有量与单位、有效数字  │ 20%          │
│           │ 规范、不改数据           │              │
│ 数据分析  │ 图像/计算过程完整、       │ 25%          │
│           │ 异常点有说明             │              │
│ 实验结论  │ 结论带前提条件，          │ 20%          │
│           │ 区分"实验结论"与"推理结论"│              │
│ 反思讨论  │ 误差来源与改进方向        │ 10%          │
└──────────┴────────────────────────┴──────────────┘

段落数以 references/lab-report-template.md 为准（8 段），本表逐段对应。

┌──────────┬────────────────────────────────────────┐
│ 维度      │ 看什么                                  │
├──────────┼────────────────────────────────────────┤
│ 实验设计  │ 能不能自己定变量、排步骤、设计表格        │
│ 实验操作  │ 天平调平、量筒平视、电路接线、测力计校零   │
│ 数据记录  │ 表头有量与单位、当场记录、不改原始数据     │
│ 数据分析  │ 会画图、会看趋势、会处理异常点            │
│ 误差意识  │ 说得出误差来源与减小办法                 │
│ 报告规范  │ 八段齐全，结论带前提条件                 │
│ 反思能力  │ 说得出"方案哪里可以改进"                 │
│ 已完成实验│ 对照课标学生必做实验清单打勾              │
│           │ （初中清单见 references/experiment-types.md；│
│           │  高中清单见第十五节）                   │
└──────────┴────────────────────────────────────────┘

              ┌────────────────────────┐
              │ xiaozhi-teach-         │
              │  physics-lesson-       │
              │  planner（实验嵌入）    │
              └───────────┬────────────┘
                          │
                          ↓
              ┌────────────────────────┐
              │ 实验室                  │
              └───────────┬────────────┘
                          │
                          ↓
              ┌────────────────────────┐
              │ xiaozhi-teach-         │
              │  physics-experiment-   │
              │  coach（本 SKILL）     │
              └───────────┬────────────┘
                          │
        ┌─────────────────┼─────────────────┐
        ↓                 ↓                 ↓
  student-analyzer  resource-library  parent-communication
  （实验能力维度）  （实验素材入库）  （独立教师的家长反馈）

读：
  classWorkspace.classProfile     → 年级 gradeLevel、班额 classSize、每节课分钟数 periodMinutes、
                                     教材版本 textbookVersion，分组人数与器材套数都由这里推出来
  classWorkspace.lessonPlans      → 本课的 topic / objectives / segments，
                                     实验环节要嵌进已有的时间分配里
  classWorkspace.weaknessRank     → 本班弱项，决定这次实验重点练哪一环
  classWorkspace.studentTiers     → A/B/C 分层，决定给多少支架
  classWorkspace.interactionLogs  → 上一次实验课的实际用时 segmentTimings、
                                     观察到的迷思 misconceptionsObserved、
                                     下次调整 adjustmentForNext
                                     —— 这是与课堂教学教练的实际衔接点：
                                     排本次实验的分钟数、决定哪一步要多讲，都先读它

写（均生成待确认条目，老师确认后落库）：
  classWorkspace.lessonPlans[].segments[]      → 实验各环节的名称与分钟数
                                                （含分发与归还器材的固定开销）
  classWorkspace.lessonPlans[].segments[].tierVariants
                                               → A/B/C 三层的支架差异
  classWorkspace.lessonPlans[].questionChain   → 实验前后的提问链
  classWorkspace.homeworkAssignments[].tasks[] → 实验后的数据处理任务
  classWorkspace.weaknessRank[]                → 实验中新发现的操作类弱项
      · weaknessId / knowledgePoint / errorRate / dimension / evidenceExamIds[] / lastUpdated
      （不写 .stubbornCount——顽固计数由 xiaozhi-teach-student-analyzer 唯一累加）

① segmentTimings：哪一环节 actualMinutes 超了
   → 本次把它的分钟数调大；若是"分发器材"超时，改为课前预置到各组桌面
② misconceptionsObserved：上次学生真实卡住的地方
   → 写进本次的"操作要点讲解"，或做成一个反例演示
③ adjustmentForNext：上次课后自己写下的调整
   → 逐条落到本次的 segments 或 questionChain
interactionLogs 为空时跳过本步，并在方案里注明"无上次反馈"。

✅ 实验档案用化名
✅ 实验报告脱敏
❌ 禁止：未授权复制整本教材
❌ 禁止：推荐学员在家做危险实验
✅ 学员实验报告可入库（脱敏后）

物理实验教学指导
    <── xiaozhi-teach-physics-lesson-planner（实验嵌入；复习课的实验位、实验操作考试的考前练习）
    <── xiaozhi-teach-student-analyzer（学情/弱项）
    ──→ xiaozhi-teach-student-analyzer（实验能力维度；学校班级的家长版，由它核对 parentSharingConsent）
    ──→ xiaozhi-teach-resource-library（实验素材入库）
    ──→ xiaozhi-teach-parent-communication（独立教师：实验进步反馈）
    ──→ 学生端 xiaozhi-physics-lab-coach（学员视角）