EJS建模軟件在中學(xué)物理探究式教學(xué)中的應(yīng)用研究

郭欣悅，賀相春，張?bào)闾m

(1.西北師范大學(xué) 傳媒學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.西北師范大學(xué) 教育技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

EJS建模軟件在中學(xué)物理探究式教學(xué)中的應(yīng)用研究

郭欣悅1，賀相春2，張?bào)闾m2

(1.西北師范大學(xué) 傳媒學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.西北師范大學(xué) 教育技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

EJS是一種基于現(xiàn)代教學(xué)思想的新型教學(xué)軟件，其特點(diǎn)是創(chuàng)作過(guò)程簡(jiǎn)單、自動(dòng)生成代碼，界面友好，使學(xué)生可以利用特定的可視化模型來(lái)學(xué)習(xí)具體、抽象的概念，并在自己探究、理解、證明的基礎(chǔ)上記憶，最終達(dá)到靈活運(yùn)用、解決問(wèn)題的目的。該文以中學(xué)物理教學(xué)為例介紹該軟件的使用方法及基于EJS支持下的探究式教學(xué)的設(shè)計(jì)和學(xué)生開(kāi)展探究的關(guān)鍵點(diǎn)，并進(jìn)行實(shí)證了分析和反思。基于EJS支持的物理探究式教學(xué)可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題解決能力，提高學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)成績(jī)。

EJS建模軟件；物理教學(xué)；探究式學(xué)習(xí)

我國(guó)基礎(chǔ)教育改革提倡在傳授知識(shí)、技能的同時(shí)，更加注重能力的培養(yǎng)和學(xué)習(xí)方式的變革，使學(xué)生具有獨(dú)立獲取知識(shí)、應(yīng)用知識(shí)、解決問(wèn)題的能力，而探究是形成這些能力的比較好的方式。如今，技術(shù)環(huán)境正發(fā)生著顯著變化。Web技術(shù)正向支持社會(huì)計(jì)算、社群演化及關(guān)注人類自身的方向發(fā)展；數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、云計(jì)算等支持軟件設(shè)施基礎(chǔ)架構(gòu)正迅猛發(fā)展；以移動(dòng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)所驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)學(xué)習(xí)和普適學(xué)習(xí)正日益成為創(chuàng)建新型學(xué)習(xí)環(huán)境的驅(qū)動(dòng)力量。其中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、移動(dòng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)等在解決教育問(wèn)題和促進(jìn)教育改革方面已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。在這些技術(shù)支持下所構(gòu)建的智慧教室、1:1數(shù)字學(xué)習(xí)環(huán)境、虛擬實(shí)驗(yàn)室、遠(yuǎn)程交互平臺(tái)等可提供反映真實(shí)的、豐富多彩的、隱含問(wèn)題、跨越時(shí)空的情境，帶來(lái)了信息傳遞的富媒體化，也帶來(lái)了學(xué)生交互方式和學(xué)習(xí)方式的變化。用這樣的情境誘發(fā)和支持實(shí)踐、協(xié)作的探究學(xué)習(xí)活動(dòng)，將會(huì)促進(jìn)學(xué)生21世紀(jì)技能的發(fā)展。

借助虛擬仿真環(huán)境和建模工具的支持探究便是其中的一種方式，使學(xué)習(xí)者在與模型的交互過(guò)程中可以根據(jù)假設(shè)改變變量和模型結(jié)構(gòu)，構(gòu)建自己想要的模擬，建立有關(guān)現(xiàn)實(shí)情境或理論系統(tǒng)的心智模型，并在交互中對(duì)這種心智模型做出有效的檢驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的理解和掌握[1]。通過(guò)這些建模軟件呈現(xiàn)虛擬真實(shí)的環(huán)境，學(xué)生可以在建立假設(shè)的基礎(chǔ)上不斷調(diào)整參數(shù)、改變結(jié)構(gòu)，從而多角度地感知問(wèn)題，并對(duì)問(wèn)題形成逐漸清晰的認(rèn)識(shí)，不斷尋找解決思路。這些建模軟件的多媒體模擬功能可以將物體根據(jù)參數(shù)的改變而不斷變化，形象直觀地呈現(xiàn)大與小、快與慢、動(dòng)與靜的變化等，使學(xué)生對(duì)原本感覺(jué)深?yuàn)W、抽象的物理問(wèn)題找到有效的解決路徑?；诮＼浖奶骄窟^(guò)程不斷調(diào)動(dòng)學(xué)生視、聽(tīng)、觸等感官，使學(xué)生全方位的體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、提出假設(shè)、檢驗(yàn)假設(shè)的過(guò)程，充分做到思維和行為的參與，從而提升學(xué)生的問(wèn)題解決能力，發(fā)展學(xué)生的高級(jí)思維。

以物理學(xué)科為例，第一個(gè)用于物理教學(xué)的計(jì)算機(jī)建模系統(tǒng)是DMS，其后出現(xiàn)了Stella、Modellus、Matlab、NetLogo、EJS(Easy Java Simulations)等建模軟件[2]。本文將重點(diǎn)介紹EJS物理建模軟件的功能及在物理探究式教學(xué)中的應(yīng)用。

一、EJS的特點(diǎn)及應(yīng)用簡(jiǎn)介

(一)EJS的特點(diǎn)

EJS是一款可以在任何系統(tǒng)下的Java環(huán)境運(yùn)行的交互型模擬軟件。作為一種創(chuàng)建動(dòng)態(tài)的、交互的科學(xué)模擬過(guò)程的開(kāi)源工具軟件，具有創(chuàng)作過(guò)程簡(jiǎn)單、自動(dòng)生成運(yùn)行代碼和界面友好等特點(diǎn)，對(duì)于編程基礎(chǔ)較弱的用戶也可以輕松地進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)[3]。EJS具有豐富的圖形繪制功能和所見(jiàn)即所得的操作界面。各種專用的工具箱、支架式的幫助、大量可以直接利用或修改移植的模型庫(kù)可以幫助教師快速構(gòu)建仿真實(shí)驗(yàn)。同時(shí)構(gòu)建的仿真實(shí)驗(yàn)可以直接嵌入網(wǎng)頁(yè)，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，支持基于網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)。EJS具有良好的用戶界面，強(qiáng)大的交互功能和超文本結(jié)構(gòu)，而且操作簡(jiǎn)便。教師可通過(guò)超鏈接、嵌入、內(nèi)部調(diào)用等方式將圖像、動(dòng)畫、聲音、數(shù)字化電影、網(wǎng)頁(yè)、應(yīng)用程序等有效整合，形成一體化的仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，呈現(xiàn)富媒化的表征[4]。EJS易用性、可移植性強(qiáng)。EJS采用流行的軟件界面設(shè)計(jì)風(fēng)格，易于用戶接受，提供按鈕和熱交互對(duì)象的功能，便于進(jìn)行程序流程的控制。同時(shí)EJS制作的仿真實(shí)驗(yàn)最終以.jar文件方式發(fā)布，可完全脫離EJS軟件平臺(tái)，在任何具有Java環(huán)境的操作系統(tǒng)上運(yùn)行。

(二)EJS應(yīng)用簡(jiǎn)介

EJS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。其設(shè)計(jì)目的是協(xié)助已經(jīng)具有科學(xué)仿真的數(shù)學(xué)模型構(gòu)想，但卻缺乏專業(yè)程序背景的學(xué)科教師和學(xué)生，能夠非常簡(jiǎn)單地產(chǎn)生教學(xué)動(dòng)畫，進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)[5]。

EJS的交互界面由四部分組成。第一部分是控制區(qū)，由上到下一次是“新建”“打開(kāi)工作區(qū)文件”“打開(kāi)EJS網(wǎng)絡(luò)庫(kù)”“保存”“另存為”“搜索”“運(yùn)行動(dòng)畫”“在線翻譯介紹”“打包為jar文件”“EJS軟件設(shè)置”“關(guān)于”。第二部分是設(shè)計(jì)區(qū)：第一選項(xiàng)為“介紹說(shuō)明”主要是對(duì)模型的介紹和說(shuō)明；第二選項(xiàng)為“模型”，是對(duì)模型參數(shù)的設(shè)計(jì)和參數(shù)關(guān)系，以及函數(shù)的設(shè)置；第三選項(xiàng)問(wèn)“顯示界面”，是對(duì)可視化界面的編輯，是面向?qū)ο蟮囊环N編輯模式。第三部分是主功能區(qū)，是對(duì)第二部分的一個(gè)補(bǔ)充，是第二部分的一個(gè)延伸，是具體設(shè)計(jì)的功能區(qū)。第四部分是執(zhí)行結(jié)果，是在運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)實(shí)時(shí)信息的一個(gè)監(jiān)控，如果運(yùn)行出錯(cuò)，會(huì)在此處顯示調(diào)試信息，編程者可以此查找出錯(cuò)位置。

二、基于EJS支持的探究式教學(xué)的基本流程

任何學(xué)習(xí)活動(dòng)的開(kāi)展都是建立在對(duì)學(xué)習(xí)者、學(xué)習(xí)內(nèi)容等充分的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，探究教學(xué)也不例外，在對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)者和學(xué)習(xí)環(huán)境、預(yù)設(shè)的學(xué)習(xí)活動(dòng)等進(jìn)行分析后設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)活動(dòng)才能完全適應(yīng)當(dāng)前學(xué)習(xí)者，EJS支持的探究式教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)活動(dòng)組織也不例外，在這里不再贅述。EJS支持的探究式教學(xué)的基本流程如圖1所示，筆者重點(diǎn)關(guān)注EJS支持的探究任務(wù)的設(shè)計(jì)、探究過(guò)程的設(shè)計(jì)和探究學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)的設(shè)計(jì)，以及學(xué)生探究方案的設(shè)計(jì)[6][7]。

(一)基于EJS支持的探究式教學(xué)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

1.探究任務(wù)的設(shè)計(jì)

探究任務(wù)不是活動(dòng)的目標(biāo)，是為了讓學(xué)生達(dá)到預(yù)定的學(xué)習(xí)目標(biāo)，學(xué)習(xí)者需要完成的相關(guān)學(xué)習(xí)內(nèi)容、操作流程以及學(xué)習(xí)結(jié)果等。任務(wù)與傳統(tǒng)教學(xué)的特點(diǎn)和意義不同，它與學(xué)習(xí)目標(biāo)緊密聯(lián)系，具有學(xué)科性、開(kāi)放性、延伸性的特點(diǎn)，它所具備的實(shí)際意義能夠引發(fā)學(xué)生主動(dòng)探究的積極性和興趣。探究任務(wù)是技術(shù)支持下的探究學(xué)習(xí)的關(guān)鍵要素，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響探究學(xué)習(xí)活動(dòng)的效果?；贓JS的物理探究式教學(xué)的探究任務(wù)可以包括“實(shí)際物理現(xiàn)象的理想化情境設(shè)計(jì)及問(wèn)題研究”“抽象物理現(xiàn)象的具體化情境設(shè)計(jì)及問(wèn)題研究”“瞬間物理現(xiàn)象的永久化情境設(shè)計(jì)及問(wèn)題研究”等。例如，可以圍繞勻加速運(yùn)動(dòng)規(guī)律、聲波在空氣中的傳播、彈簧振子的簡(jiǎn)諧振動(dòng)、飛機(jī)扔炸彈炸船的運(yùn)動(dòng)過(guò)程等設(shè)計(jì)探究任務(wù)。

圖1 EJS支持的探究式教學(xué)的基本流程

探究任務(wù)的設(shè)計(jì)又包括主題的設(shè)計(jì)、問(wèn)題的提出和情境的設(shè)計(jì)。整個(gè)學(xué)習(xí)活動(dòng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施都要圍繞著主題來(lái)開(kāi)展，主題的設(shè)計(jì)對(duì)于技術(shù)支持下的探究學(xué)習(xí)活動(dòng)有著至關(guān)重要的作用，而問(wèn)題的提出和情境的創(chuàng)設(shè)則是探究學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，其中情境也是基于問(wèn)題創(chuàng)設(shè)的。盡管探究始于問(wèn)題，問(wèn)題激發(fā)探究，但并不是所有的問(wèn)題都能夠作為任務(wù)背景引發(fā)探究，能夠引發(fā)探究的問(wèn)題應(yīng)該具有真實(shí)性、具體性和解決的可能性的特點(diǎn)，是學(xué)習(xí)者真正感到困惑的，存在于特定、具體的情境中的，根據(jù)現(xiàn)有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)和能力水平不能獨(dú)立解決，但可以在他人或技術(shù)的幫助下獲得解決的。在問(wèn)題的基礎(chǔ)上所創(chuàng)設(shè)的情境應(yīng)該也是真實(shí)的，與學(xué)生生活實(shí)際盡可能相關(guān)的，能夠讓學(xué)生充分體驗(yàn)和感受，從而引出具有整體性的任務(wù)并引發(fā)學(xué)生的興趣。

2.探究過(guò)程的設(shè)計(jì)

探究過(guò)程是學(xué)生通過(guò)探究進(jìn)行主動(dòng)知識(shí)建構(gòu)的過(guò)程。在這一過(guò)程中，學(xué)生會(huì)以個(gè)人已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)、心理結(jié)構(gòu)和信念為基礎(chǔ)來(lái)選擇信息，并從中得到推論，甚至根據(jù)這些推論來(lái)建構(gòu)自己對(duì)世界的認(rèn)知。EJS支持的探究式教學(xué)過(guò)程主要包括明確問(wèn)題或分析任務(wù)、建立假設(shè)、制定探究方案，通過(guò)實(shí)證得出結(jié)論等過(guò)程。教師需要對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組、指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究方案的設(shè)計(jì)，探究過(guò)程的實(shí)施、探究成果的匯報(bào)等。學(xué)生向教師尋求幫助，教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)和評(píng)價(jià)，整個(gè)過(guò)程的設(shè)計(jì)都具有一定的自主性和開(kāi)放性。學(xué)生通過(guò)彼此之間的交流與合作，使自己的見(jiàn)解更加深刻與完善。

3.探究評(píng)價(jià)的設(shè)計(jì)

基于EJS支持的探究學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)是探究學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它側(cè)重于對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程和學(xué)習(xí)績(jī)效的評(píng)價(jià)。探究學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是關(guān)注學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力，一般在活動(dòng)的最開(kāi)始就要明確評(píng)價(jià)方式，可以告知學(xué)生評(píng)價(jià)方式或評(píng)價(jià)內(nèi)容，使其明確活動(dòng)的預(yù)期結(jié)果和努力的方向。在EJS支持下的探究教學(xué)中，主要考慮學(xué)生探究方案的制定，探究實(shí)施中的模型定義、構(gòu)建圖形界面、建立圖形界面與模型之間關(guān)系，探究成果展示等維度的表現(xiàn)。通過(guò)評(píng)價(jià)使學(xué)生的各種能力獲得提升、思維獲得發(fā)展并能夠自主構(gòu)建知識(shí)體系，其作為一個(gè)激勵(lì)機(jī)制，是探究學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)中不可忽視的。

(二)基于EJS支持的學(xué)生探究

與傳統(tǒng)的教學(xué)方法相比，基于EJS建模軟件的中學(xué)物理探究式教學(xué)，讓學(xué)生以活動(dòng)的形式，借助EJS建模軟件、網(wǎng)絡(luò)等通過(guò)合作探究去建構(gòu)知識(shí)，讓學(xué)生不僅僅是學(xué)到了書本上的知識(shí)，更重要的是它教會(huì)了學(xué)生如何學(xué)習(xí)物理知識(shí)。利用EJS建模軟件進(jìn)行探究只需要完成四個(gè)步驟(依次是定義模型；構(gòu)建呈現(xiàn)客觀現(xiàn)象的圖形界面；建立圖形界面與模型之間的聯(lián)系；增加關(guān)于模擬的文本信息)，便能自動(dòng)產(chǎn)生代碼、編譯代碼來(lái)創(chuàng)設(shè)交互式模擬環(huán)境，從而支持學(xué)生開(kāi)展探究學(xué)習(xí)[8]。

1.定義模型

定義模型，包括定義描述系統(tǒng)所需的變量、初始化變量、描述數(shù)學(xué)方程。初學(xué)者首先閱讀信息界面的各個(gè)主題，從而了解模型設(shè)計(jì)的原理和使用方法，然后根據(jù)選取的模型，進(jìn)行構(gòu)思，定義描述系統(tǒng)的變量和數(shù)學(xué)方程。筆者以子彈大木塊模型為例，首先定義m1、v1、m2、v2等初始變量，如圖2所示。

在這一過(guò)程中教師可指導(dǎo)學(xué)生按照自己的猜想和假設(shè)來(lái)確定實(shí)驗(yàn)變量。但是班級(jí)眾多的猜想與假設(shè)難免出現(xiàn)重復(fù)和偏離現(xiàn)象，所以有必要引導(dǎo)學(xué)生對(duì)所有的猜想和假設(shè)進(jìn)行整合。同時(shí)，教師需對(duì)實(shí)驗(yàn)所要涉及到的物理量以及實(shí)驗(yàn)條件有充分的準(zhǔn)備，引導(dǎo)學(xué)生追溯其產(chǎn)生的根源和觀測(cè)的方法，進(jìn)而明確實(shí)驗(yàn)原理。使學(xué)生明白對(duì)怎樣產(chǎn)生相應(yīng)的條件、怎樣改變和觀測(cè)自變量以及怎樣觀測(cè)因變量進(jìn)行初步的設(shè)計(jì)。

圖2 定義模型界面

2.構(gòu)建一個(gè)能夠呈現(xiàn)客觀現(xiàn)象的圖形界面

進(jìn)入顯示界面，根據(jù)需要設(shè)置窗體內(nèi)容，首先建立窗體“Frame”，然后根據(jù)自己的需要選取“顯示界面元件”構(gòu)建物理模型。筆者仍以子彈大木塊模型為例，如圖3所示：

圖3 圖形界面構(gòu)建

學(xué)生為了完成探究任務(wù)，驗(yàn)證猜想，進(jìn)行建模。在這里教師可根據(jù)具體情況設(shè)計(jì)指導(dǎo)，不可將步驟告知學(xué)生，而應(yīng)進(jìn)行指導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行模型構(gòu)建。

3.建立圖形界面與模型之間的聯(lián)系

在模型下面，為設(shè)計(jì)的圖形界面建立函數(shù)關(guān)系和參數(shù)演化關(guān)系。筆者仍以子彈大木塊模型為例，如圖4所示。

圖4 建立圖形界面與模型之間的聯(lián)系

我們知道，實(shí)驗(yàn)表格可以簡(jiǎn)單而又明確地表達(dá)出各個(gè)實(shí)驗(yàn)物理量之間的關(guān)系。因此可以要求學(xué)生分清楚直接測(cè)量的物理量和待求物理量。

4.增加一些關(guān)于模擬的文本信息，以便于學(xué)習(xí)者理解模擬

在介紹和說(shuō)明當(dāng)中附帶一些自己的說(shuō)明，以便學(xué)習(xí)者能理解模型含義。

(三)EJS在中學(xué)物理探究式教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例

這里以“動(dòng)量守恒定律探究”為例來(lái)呈現(xiàn)基于EJS開(kāi)展探究式教學(xué)的整個(gè)過(guò)程，如表1所示。首先教師利用EJS創(chuàng)設(shè)子彈打入木塊的情境，并提出小球打入木塊這個(gè)過(guò)程機(jī)械能是否守恒以及子彈打入前后的動(dòng)量有何變化等問(wèn)題引起學(xué)生思考。學(xué)生帶著這些問(wèn)題建立假設(shè)，形成探究方案。接下來(lái)學(xué)生利用EJS設(shè)立變量v1、m1、m2，并建立三個(gè)變量之間的關(guān)系模型，然后構(gòu)建呈現(xiàn)動(dòng)量守恒定律客觀現(xiàn)象的圖形界面，在此基礎(chǔ)上不斷調(diào)整變量，建立圖形界面與模型之間的聯(lián)系，記錄數(shù)據(jù)，在分析多組數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)動(dòng)量守恒定律。

表1 基于EJS的“動(dòng)量守恒定律探究”案例

續(xù)表1

針對(duì)這一部分的內(nèi)容，教師通常采用帶領(lǐng)學(xué)生分析動(dòng)量守恒的條件，利用化一維矢量運(yùn)算等方法證明動(dòng)量守恒定律，并要求學(xué)生應(yīng)用動(dòng)量守恒定律解決碰撞、爆炸等物體相互作用的問(wèn)題。由于缺少形象的表征，學(xué)生通常在確定動(dòng)量守恒定律中的速度時(shí)違反慣性系的同一性，難以搞清楚各速度之間的關(guān)系，也容易將不同時(shí)刻的動(dòng)量相加，違反相對(duì)速度的時(shí)刻同一性?；贓JS開(kāi)展動(dòng)量守恒定律的探究，學(xué)生通過(guò)構(gòu)建呈現(xiàn)動(dòng)量守恒定律客觀現(xiàn)象的圖形界面，建立圖形界面與模型之間的聯(lián)系等過(guò)程直觀得理解什么是系統(tǒng)，什么是內(nèi)力和外力，通過(guò)不斷修改參數(shù)和觀察感受小球打入木塊時(shí)除了它們相互間的作用力外，還受到哪些力的作用，使它們彼此平衡。通過(guò)對(duì)修改參數(shù)后數(shù)據(jù)的分析，學(xué)生很容易發(fā)現(xiàn)每一時(shí)刻小球的水平速度與木塊的速度，以及速度之比與它們的質(zhì)量成反比等規(guī)律。

三、基于EJS支持的探究式教學(xué)效果分析

筆者與A校物理老師合作開(kāi)展基于EJS支持的探究式教學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究。選取高中二年級(jí)一班為實(shí)驗(yàn)班，二班為控制班，一班47人，二班46人，共93人參加了實(shí)驗(yàn)。選取的兩個(gè)班級(jí)物理學(xué)習(xí)成績(jī)處于該校同年級(jí)中等程度, 擔(dān)任物理課教學(xué)的老師是具有豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)秀教師。實(shí)驗(yàn)班主要采用EJS支持探究式教學(xué)，而控制班是一般的課堂教學(xué)。通過(guò)一個(gè)學(xué)期的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)班和控制班在對(duì)知識(shí)的理解、問(wèn)題解決能力、期末考試成績(jī)等方面表現(xiàn)出一定的差異性。

(一)基于EJS支持的物理探究式教學(xué)可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解

高二年級(jí)物理教學(xué)中理解功率、動(dòng)量、電流、磁場(chǎng)等概念，是正確分析解決電場(chǎng)、磁場(chǎng)、動(dòng)量守恒等相關(guān)問(wèn)題的基礎(chǔ)，這就要求學(xué)生深刻把握知識(shí)的內(nèi)涵和本質(zhì)。實(shí)驗(yàn)班教師在教學(xué)中通過(guò)利用EJS創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，學(xué)生利用EJS良好的交互功能進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中獲得感性知識(shí)，然后在教師引導(dǎo)下開(kāi)展探究活動(dòng)，將感性知識(shí)轉(zhuǎn)化為理性知識(shí)。學(xué)期末實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生對(duì)概念、定律等的理解明顯優(yōu)于控制班的學(xué)生，這說(shuō)明EJS支持的探究式教學(xué)可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。

(二)培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題解決能力

在物理教學(xué)中，很大一部分內(nèi)容要求學(xué)生在具體的物理過(guò)程情境中求解問(wèn)題或完成學(xué)習(xí)任務(wù)，這就要求為學(xué)生創(chuàng)設(shè)良好的物理過(guò)程情境，學(xué)生在情境中進(jìn)行自主探究，探索問(wèn)題解決的策略，從而培訓(xùn)學(xué)生的問(wèn)題解決能力。授課教師在實(shí)驗(yàn)班教學(xué)時(shí)，常常由學(xué)生自主創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，或由教師創(chuàng)建問(wèn)題情境，學(xué)生實(shí)際操作物理實(shí)驗(yàn)并觀察統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)結(jié)果中的規(guī)律后應(yīng)用已學(xué)習(xí)過(guò)的理論證明發(fā)現(xiàn)的規(guī)律，總結(jié)規(guī)律的使用條件和適用范圍。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生能更有意識(shí)地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并尋求問(wèn)題的解決辦法，能更好地將實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為物理模型并運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題，在問(wèn)題解決后也能更主動(dòng)地總結(jié)解決策略，表明將EJS應(yīng)用于探究教學(xué)能有效培養(yǎng)學(xué)生問(wèn)題解決能力。

(三)提高學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)成績(jī)

對(duì)控制組實(shí)驗(yàn)組的前測(cè)成績(jī)進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)組(74.85±10.14)與控制組(74.15±9.95)成績(jī)差異不顯著(t(91)=0.33，p＞0.05)。分別對(duì)比高分、中分及低分組，結(jié)果也表明兩個(gè)班級(jí)不同成績(jī)段學(xué)生前測(cè)成績(jī)不顯著(p＞0.05)(如表2所示)，兩個(gè)班級(jí)的成績(jī)起點(diǎn)一致。經(jīng)過(guò)一學(xué)期的教學(xué)實(shí)驗(yàn)后，對(duì)兩個(gè)班級(jí)的后測(cè)成績(jī)進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組(79.02±11.21)與控制組(74.78±10.94)成績(jī)差異邊緣顯著(t(91)=1.84，p=0.06)。進(jìn)一步對(duì)比高分、中分及低分組，結(jié)果也表明，兩個(gè)班級(jí)在高分組和低分組之間的后測(cè)成績(jī)差異不顯著(p＞0.05)，而對(duì)于中分組，實(shí)驗(yàn)組成績(jī)(82.24±3.13)顯著高于控制組(74.89±2.21)，(t(46)=9.41，p＜0.01)。為進(jìn)一步對(duì)比EJS對(duì)物理教學(xué)的作用，對(duì)兩個(gè)班級(jí)的前后測(cè)成績(jī)分別進(jìn)行相關(guān)樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組前后測(cè)成績(jī)差異顯著(t(46)=-5.81，p＜0.01)，后測(cè)成績(jī)顯著高于前測(cè)成績(jī)；控制組前后測(cè)成績(jī)差異不顯著(t(45)=-1.74，p＞0.05)，表明EJS支持的探究教學(xué)能顯著提高學(xué)生成績(jī)。

表2 實(shí)驗(yàn)班與控制班前后測(cè)成績(jī)分層比較

四、基于EJS支持的探究式教學(xué)的實(shí)踐體會(huì)

類似E J S建模軟件的技術(shù)可以作為“探究”“溝通交流”“成果展示“等工具，它所關(guān)注的是如何應(yīng)用，而不是技術(shù)功能本身。這些功能如何有效應(yīng)用于教學(xué)是信息技術(shù)支持教學(xué)的關(guān)鍵。

(一)EJS幫助學(xué)生發(fā)展對(duì)知識(shí)和抽象思想的理解

EJS建模軟件的可視化功能能夠幫助學(xué)生加深對(duì)知識(shí)的理解、以及知識(shí)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)基于多重表征的問(wèn)題解決過(guò)程。物理的學(xué)習(xí)活動(dòng)比其它學(xué)科的學(xué)習(xí)有更高的復(fù)雜性，物理中建模思維的重要性是不言而喻的，而EJS提供的一個(gè)可視化的模型動(dòng)畫，能很好地促進(jìn)學(xué)生理解模型，同時(shí)，EJS的簡(jiǎn)易操作也使教師更為簡(jiǎn)單的對(duì)動(dòng)畫進(jìn)行定義和設(shè)計(jì)。在EJS的支持下，學(xué)生在建立假設(shè)、不斷試誤、反復(fù)判斷的過(guò)程中利用概念推理的方法形成結(jié)論，而不是一味地利用對(duì)書本公式的記憶來(lái)解決問(wèn)題。

(二)EJS支持構(gòu)建探究的學(xué)習(xí)環(huán)境

EJS的突出功能之一便是探究環(huán)境的創(chuàng)建，允許學(xué)生圍繞探究任務(wù)中的問(wèn)題建立假設(shè)，然后通過(guò)不斷調(diào)整參數(shù)設(shè)置(如初始速度、質(zhì)量等)，觀察變化，并在給出即時(shí)反饋和驗(yàn)證的基礎(chǔ)上形成結(jié)論或建立新的假設(shè)繼續(xù)開(kāi)展探究，直到問(wèn)題得以解決。在這種活動(dòng)中，學(xué)生自由地進(jìn)行猜想-驗(yàn)證，在人機(jī)交互中充分體驗(yàn)探究的樂(lè)趣，有利于物理問(wèn)題的解決及創(chuàng)造力的培養(yǎng)[9]。

(三)EJS為建模教學(xué)提供工具與環(huán)境

建構(gòu)模型比應(yīng)用模型對(duì)于學(xué)生問(wèn)題解決能力的培養(yǎng)能夠發(fā)揮更大的效果。完成探究任務(wù)時(shí)一個(gè)解決問(wèn)題的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生首先建立起一個(gè)假設(shè)模型，并以該模型作為探究的基礎(chǔ)。探究過(guò)程的實(shí)質(zhì)是將學(xué)生的思維過(guò)程具體、可視化的過(guò)程[10]。

五、結(jié)束語(yǔ)

使用EJS建立物理模型進(jìn)行教學(xué)，是一種基于探究式學(xué)習(xí)的教學(xué)活動(dòng)。EJS可以給學(xué)生營(yíng)造一個(gè)主動(dòng)學(xué)習(xí)的環(huán)境，并使得學(xué)生不再只依賴教師講授或教科書來(lái)獲取知識(shí)。學(xué)生在確定問(wèn)題空間、建立假設(shè)、驗(yàn)證假設(shè)、及時(shí)反饋、形成結(jié)論的過(guò)程中主體性得到充分的發(fā)揮，探索、分析、研究、解決問(wèn)題的能力得到提升。通過(guò)該軟件的使用，學(xué)生以往依靠死記硬背的物理公式和概念，可以得到有意義的理解，依靠機(jī)械訓(xùn)練獲得的知識(shí)可以轉(zhuǎn)化成為有效的邏輯思維。而且基于EJS的物理探究式教學(xué)更傾向于小組合作學(xué)習(xí)這種方式。學(xué)生在溝通交流、沖突解決過(guò)程中合作能力得到提升[11][12]。

[1]李凌云.交互式多媒體學(xué)習(xí)環(huán)境研究現(xiàn)狀回顧與比較分析[J].電化教育研究,2009,(6):85-88.

[2]王全，母小勇.模型與建構(gòu):國(guó)際物理教育新視點(diǎn)[J].外國(guó)中小學(xué)教育,2009,(3):55-58．

[3][5]王海軍，李凌云. Ejs在高校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010,(5):93-97.

[4]戴海源. 應(yīng)用Ejs開(kāi)發(fā)中學(xué)物理力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備,2012,(17):110-112.

[6]馬發(fā)輝,李獻(xiàn)業(yè),鐘永江.初中物理虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式研究[J].中國(guó)信息技術(shù)育,2010,(9):48-50.

[7]王潤(rùn)蘭,白然,黃金輝.信息技術(shù)環(huán)境下初中物理實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)模式研究[J].中國(guó)電化教育, 2007,(3):84-88.

[8]李凌云，王海軍，陳維維.物理教學(xué)中常用計(jì)算機(jī)建模軟件的比較與分析[J].電化教育研究, 2011,(9):94-98.

[9][10][11]陳凱，陳博，周宏.基于Netlogo的化學(xué)建模教學(xué)案例評(píng)析及反思[J].中國(guó)電化教育,2010,(1):94-97.

[12]張亞娟.信息技術(shù)環(huán)境下問(wèn)題探究式教學(xué)模式的應(yīng)用與研究[D].北京：首都師范大學(xué), 2010.

郭欣悅：在讀學(xué)士，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)傳播(275205824@qq.com)。

賀相春：講師，在讀博士，研究方向?yàn)樾畔⒓夹g(shù)與教育應(yīng)用(11169457@qq.com)。

張?bào)闾m：教授，研究方向?yàn)榻虒W(xué)設(shè)計(jì)，技術(shù)支持的教師專業(yè)發(fā)展(zhangxl1963@163.com)。

2015年4月17日

責(zé)任編輯：宋靈青

The Research on the Application of EJS Model in Physics Inquiry Teaching in the High School

Guo Xinyue1, He Xiangchun2, Zhang Youlan2
(1.College of Media and Communication, Northwest Normal University, Lanzhou Gansu 730070; 2.College of Education Technology, Northwest Normal University, Lanzhou Gansu 730070)

EJS is a kind of new teaching software based on modern teaching ideas, of which the characteristics include simple creating process, automatic code generation and friendly interface, so that students can make use of a particular visual model to study concrete and abstract concepts, and memorize them on the basis of exploring, understanding and proving these concepts,consequently achieving the goal of using concepts flexibly and solving problems. Take the physics teaching in high schools as an example, and we’ll introduce the methods of using this software and make analysis and reflection according to the design of inquiry teaching under the support of EJS and the key points of students’ exploring research. The author thinks if teaching is based on physics inquiry teaching in support of EJS, it can enhance students’ understanding of knowledge, cultivate students’ problem solving ability,and improve students’ grades in relevant knowledge.

EJS Model; Physical Teaching; Inquiry Learning

G434

A

1006—9860(2015)07—0116—06