基于計(jì)算機(jī)建模的中學(xué)物理教學(xué)

李凌云　李秀彬　張維軍

基于計(jì)算機(jī)的建模學(xué)習(xí)是促進(jìn)學(xué)生科學(xué)概念轉(zhuǎn)變的重要途徑?；趯W(xué)生浮力前概念的探查，本文從學(xué)習(xí)者分析、教學(xué)目標(biāo)的設(shè)計(jì)、教學(xué)策略、教學(xué)評(píng)價(jià)、教學(xué)過程五個(gè)方面闡述了基于計(jì)算機(jī)建模教學(xué)的初中物理浮力的教學(xué)設(shè)計(jì)。

建模學(xué)習(xí) 概念轉(zhuǎn)變 浮力 教學(xué)設(shè)計(jì)

兒童由于受到日常生活經(jīng)驗(yàn)、事物表面特征、知識(shí)與文化背景、同伴文化等影響，容易形成與科學(xué)理解相悖的前概念，人們稱之為迷思概念。根據(jù)認(rèn)知心理學(xué)的研究，概念轉(zhuǎn)變的心理模型建構(gòu)過程包含四個(gè)階段的循環(huán)：激活原有心理模型中迷思概念；對(duì)模型中的元素產(chǎn)生不滿（產(chǎn)生認(rèn)知沖突）；創(chuàng)建新模型，學(xué)生審查和修改該模型的元素，或重建新模型；使用新模型?；谟?jì)算機(jī)的建模教學(xué)具有創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突情境、促進(jìn)學(xué)生及時(shí)反饋與遷移等作用，通過模型建構(gòu)、模型評(píng)價(jià)、模型修改，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)概念的理解與鞏固。

由于受到迷思概念的影響，初中學(xué)生對(duì)浮力知識(shí)的學(xué)習(xí)困難較多。在浮力教學(xué)之前，教師采用紙筆測(cè)試、訪談等方式對(duì)初二學(xué)生的浮力前概念進(jìn)行了探查。在浮力教學(xué)中，采用實(shí)驗(yàn)、多媒體課件創(chuàng)設(shè)了學(xué)習(xí)情境，讓學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突。最后采用支持對(duì)話與協(xié)作、促進(jìn)及時(shí)反饋的策略，設(shè)計(jì)了兩課時(shí)的基于計(jì)算機(jī)建模教學(xué)的練習(xí)課。

一、學(xué)習(xí)者分析

學(xué)習(xí)者分析的目的是為了了解學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)準(zhǔn)備情況，為學(xué)習(xí)目標(biāo)的闡明、教學(xué)策略的選用、教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，從而使教學(xué)真正促進(jìn)學(xué)習(xí)者智力和能力的發(fā)展。

初二學(xué)生有著強(qiáng)烈的好奇心，喜歡體驗(yàn)和感受新的東西，對(duì)問題有自己的看法，喜歡發(fā)表自己的見解。他們的邏輯思維逐漸發(fā)展，可以進(jìn)行部分知識(shí)的自學(xué)，對(duì)新知識(shí)有判斷的能力。在學(xué)習(xí)浮力概念之前，他們已經(jīng)學(xué)習(xí)過了重力、二力平衡、牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律等相關(guān)概念。在前期進(jìn)行的前概念的探查中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)物體漂浮、懸浮的原因，浮力大小的比較等均存在不同程度的迷思概念。此外，學(xué)習(xí)者已經(jīng)在課外進(jìn)行了EJS軟件的學(xué)習(xí)，掌握了模型建構(gòu)的步驟，已經(jīng)能利用該軟件創(chuàng)建簡(jiǎn)單的模型和模擬動(dòng)畫，已經(jīng)具備了進(jìn)行建模學(xué)習(xí)的初步能力。

二、教學(xué)目標(biāo)的設(shè)計(jì)

根據(jù)新課標(biāo)的要求，我們將這節(jié)浮力練習(xí)課的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)為：

第一，學(xué)會(huì)通過比較物體浮力和重力的關(guān)系判斷物體的浮沉情況，通過比較物體密度與液體密度的關(guān)系判斷物體的浮沉情況。

第二，掌握建模學(xué)習(xí)的方法。通過計(jì)算機(jī)模型建構(gòu)軟件EJS構(gòu)建物體在液體中的浮沉情況模型。

第三，通過組內(nèi)對(duì)話與合作，完善構(gòu)建的模型，提升交流與合作學(xué)習(xí)的能力。

第四，學(xué)會(huì)模型評(píng)價(jià)。通過模型評(píng)價(jià)與分享，思維碰撞，在質(zhì)疑、反思、交流、分享中進(jìn)步。

三、教學(xué)策略的設(shè)計(jì)

本課是在浮力教學(xué)單元的后期，是一個(gè)練習(xí)課。根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，教師選擇了基于計(jì)算機(jī)的建模教學(xué)的策略。模型（models）與建模（modeling）方法在科學(xué)學(xué)習(xí)中具有重要作用。模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的一種簡(jiǎn)化再現(xiàn)[1]。模型是學(xué)生對(duì)于科學(xué)現(xiàn)象認(rèn)識(shí)的外在呈現(xiàn)。模型建構(gòu)、測(cè)試和修改的過程被稱之為建模。最早提出物理建模教學(xué)的是大衛(wèi)·赫斯頓斯，目前建模教學(xué)被廣泛運(yùn)用于物理、化學(xué)、生物等課程的教學(xué)中。建模是一種建構(gòu)主義色彩的學(xué)習(xí)方式。在模型建構(gòu)中，學(xué)習(xí)者根據(jù)先前的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，使用所給的工具探究當(dāng)前的情境，構(gòu)建對(duì)當(dāng)前情境的理解，并將自己的這種理解表達(dá)出來。正是因?yàn)榻W(xué)習(xí)的建構(gòu)性質(zhì)，使其在當(dāng)前的科學(xué)學(xué)習(xí)中備受關(guān)注。

計(jì)算機(jī)為學(xué)生進(jìn)行建模學(xué)習(xí)提供了可能?，F(xiàn)有的計(jì)算機(jī)模型建構(gòu)軟件能非常方便地為學(xué)習(xí)者創(chuàng)建動(dòng)態(tài)的、交互的科學(xué)模擬過程。EJS（Easy Java Simulation）作為一款計(jì)算機(jī)建模學(xué)習(xí)的軟件，它提供了一個(gè)簡(jiǎn)化的“模型-控制-顯示界面”模式幫助使用者創(chuàng)建模擬的步驟。通過計(jì)算機(jī)建模軟件EJS能很容易地將學(xué)習(xí)者認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的浮力概念以及相關(guān)知識(shí)可視化。

本課中的建模教學(xué)包含模型建構(gòu)、模型評(píng)價(jià)以及模型修改三個(gè)過程，學(xué)生采用自主學(xué)習(xí)、小組合作學(xué)習(xí)、案例分析、討論交流、分享與匯報(bào)等方式進(jìn)行學(xué)習(xí)。

四、教學(xué)評(píng)價(jià)的設(shè)計(jì)

教學(xué)評(píng)價(jià)能對(duì)教學(xué)實(shí)施起到監(jiān)控和調(diào)節(jié)的作用。在本課活動(dòng)中，采用多元化評(píng)價(jià)體系，評(píng)價(jià)主體不再僅僅是教師，學(xué)習(xí)者自身、小組同伴、其他組成員都是建模教學(xué)中評(píng)價(jià)的主體。評(píng)價(jià)方法包含了定量與定性評(píng)價(jià)、自我評(píng)價(jià)與他人評(píng)價(jià)、形成性評(píng)價(jià)等方式。如對(duì)于學(xué)習(xí)者構(gòu)建模型的有效性，教師參考了張寶輝等人制定的模型評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[2]，從重點(diǎn)和結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)確性、完整性以及功能性四個(gè)方面進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。此外，教師和學(xué)生還可以對(duì)模型進(jìn)行描述性評(píng)價(jià)，指出模型建構(gòu)中存在的問題。學(xué)習(xí)者自身也可以在組內(nèi)模型評(píng)價(jià)過程中，通過比較別人的模型、自身的感悟進(jìn)行自評(píng)。此外，由于評(píng)價(jià)的內(nèi)容不僅僅是模型建構(gòu)本身，還包含對(duì)模型評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)以及對(duì)于模型修改的評(píng)價(jià)。

五、教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)

1.創(chuàng)設(shè)問題情境，設(shè)疑引思

教師通過創(chuàng)設(shè)問題情境，拋出一個(gè)一定體積的木塊分別浸沒在水中和酒精中的沉浮狀態(tài)這一問題，讓學(xué)生基于這一問題進(jìn)行探究。學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了EJS建模軟件以及浮力的相關(guān)知識(shí)，樂于運(yùn)用已有的知識(shí)技能去解決這一問題。

2.進(jìn)行模型建構(gòu)，自主探究

6人為一個(gè)學(xué)習(xí)小組。學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，利用建模軟件進(jìn)行自主探究。小組內(nèi)可以討論、協(xié)商。這個(gè)過程就是學(xué)生利用建模工具實(shí)現(xiàn)認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的浮力概念可視化的過程。

3.進(jìn)行模型評(píng)價(jià)，組內(nèi)交流

學(xué)生自主完成模型建構(gòu)之后，將模型上傳到ftp中。小組內(nèi)進(jìn)行模型分享與評(píng)價(jià)。組內(nèi)成員對(duì)建構(gòu)的每一個(gè)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，從不同的方面闡述自己對(duì)模型的看法。學(xué)生在小組內(nèi)分享評(píng)價(jià)結(jié)果，并做好評(píng)價(jià)與討論的記錄。在這一過程中，學(xué)生看到他人建構(gòu)的模型與自身建構(gòu)的模型不同，會(huì)引發(fā)認(rèn)知沖突，激起他們對(duì)自身持有的浮力觀念的爭(zhēng)論、辯護(hù)與質(zhì)疑。這種可能發(fā)生的認(rèn)知沖突是發(fā)生在兒童同伴群體之間，Champagne等人針對(duì)這一類型的認(rèn)知沖突，認(rèn)為“對(duì)話”是非常適合的概念轉(zhuǎn)變策略。

4.典型案例點(diǎn)評(píng)，全班分享

教師根據(jù)各組上傳的模型，挑選出典型的模型進(jìn)行全班評(píng)價(jià)。各組成員在組內(nèi)已經(jīng)進(jìn)行了模型評(píng)價(jià)，因而對(duì)于典型模型案例的分析能更加全面而具體。最后，教師進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。教師的點(diǎn)評(píng)是引入科學(xué)概念的過程，是在前面同伴間發(fā)生認(rèn)知沖突的基礎(chǔ)之上，因而教師對(duì)于模型的評(píng)價(jià)與學(xué)生同伴之間的評(píng)價(jià)進(jìn)行了類比，這個(gè)過程也是學(xué)生摒棄原有的迷思概念，進(jìn)一步理解與接受科學(xué)概念的重要環(huán)節(jié)之一。此外，教師還應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生思考建模的要點(diǎn)、建模學(xué)習(xí)的方法以及注意事項(xiàng)。

5.進(jìn)行模型修改，反思升華

每一位同學(xué)經(jīng)過組內(nèi)模型評(píng)價(jià)、全班典型案例分析之后，能對(duì)自身認(rèn)知結(jié)構(gòu)中浮力的概念形成更具體、深入的科學(xué)理解，對(duì)建模學(xué)習(xí)本身形成更多的認(rèn)識(shí)。此時(shí)，學(xué)生對(duì)原有的模型進(jìn)行修改與完善，在建模的過程中進(jìn)一步鞏固浮力知識(shí)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉儒德.建模：一種有效的建構(gòu)性學(xué)習(xí)方式[J].心理科學(xué)進(jìn)展，2003（1）.

[2] 張寶輝，張金磊，黃龍翔.計(jì)算機(jī)建模在教學(xué)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)電化教育，2013（4）.

【責(zé)任編輯 孫曉雯】