看美國如何利用虛擬實驗引導(dǎo)學(xué)生“做中學(xué)”

周少娜　包雷

摘 要：因材施教從古到今都受到很高的推崇，其主要針對受教育者的個別差異實施不同的教學(xué)策略。但是，在教育實踐中真正貫徹因材施教原則的卻很少。本研究以筆者的訪美經(jīng)歷，介紹了美國以虛擬實驗平臺為載體因材施教的教學(xué)案例。借助虛擬實驗的可視化和及時反饋功能，學(xué)生根據(jù)自己的知識水平、個性特點和接受能力，個性化地執(zhí)行學(xué)習(xí)任務(wù)，自主建構(gòu)對知識的正確理解，體現(xiàn)真正的做中學(xué)。

關(guān)鍵詞：因材施教；虛擬實驗；及時反饋；個性化任務(wù)；做中學(xué)

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）1-0071-4

對于傳統(tǒng)教學(xué)模式，特別是大班教學(xué)的環(huán)境，因材施教存在種種困難。然而，筆者在美國俄亥俄州立大學(xué)訪學(xué)期間，有幸參與了學(xué)校關(guān)于物理教育的教育研究項目——“學(xué)生對圓周運動向心力的理解和運用的教學(xué)研究”，親身體會和參與了美國教育如何利用常用的虛擬實驗有效地進行因材施教。

1 因材施教的內(nèi)涵與困境

因材施教的理念在我國淵源已久，可追溯至孔子。史載：“孔子因子路固執(zhí)而驕，故授之以敬而慎，以冉有膽小而怯，則教之以見義勇為（《論語·先進篇》提到：子路問：“聞斯行諸？”子曰：“有父兄在，如之何其聞斯行之？”冉有問：“聞斯行諸？”子曰：“聞斯行之?！贬屃x是：子路和冉有都問孔子“聽到一件事，就要去做嗎？”孔子對子路說：“你爸爸和哥哥在，怎能聽到什么就去做！”而孔子又鼓勵冉有聽到了就要做）?！彪m然孔子沒有直接提出因材施教的概念，但他卻是我國第一個主張和施行因材施教的教育家。首先，孔子根據(jù)學(xué)生的智力水平，把學(xué)生大致分為“上智”“中人”“下愚”（《論語·陽貨》），并對于不同智力水平的學(xué)生授予他們與智力水平相符的知識；另外，針對學(xué)生的個性特點進行教育，在《論語·顏淵》篇中記載樊遲、司馬牛、仲弓、顏淵均曾向孔子問“仁”，孔子給出了4種不同的回答：樊遲魯鈍，孔子對他只講愛仁；司馬?！岸嘌远辍?，孔子就告誡說話謹慎；仲弓不夠謙恭，孔子教導(dǎo)他忠恕之道；顏淵已有很高的德行，孔子用“仁”的最高標(biāo)準(zhǔn)要求他視、聽、言、行，一舉一動都要合乎禮的規(guī)范[1]。

因材施教的當(dāng)代意義與古代基本相同，即“因?qū)W生之材而施教”，“教學(xué)要照顧個別差異”[2]。一般而言，因材施教的“材”指學(xué)生，就是根據(jù)學(xué)生的個別差異采取不同的教育方式和教育要求[3]，使每個學(xué)生在原有基礎(chǔ)上獲得最佳發(fā)展。國家教育咨詢委員會委員、中國教育學(xué)會會長顧明遠認為，因材施教應(yīng)當(dāng)順應(yīng)孩子成長的天性，在充分了解孩子的需要、想法、特點的基礎(chǔ)上因勢利導(dǎo)[4]。在現(xiàn)代教育中，“材”也被理解為“才能”，即學(xué)生的智能。美國哈佛大學(xué)心理學(xué)教授加德納 1983 年提出一種關(guān)于智能及其性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的新理論，并指出人類至少有8種智能[5]。不同的學(xué)生之間存在個體差異，包括能力、思維、興趣、性格和氣質(zhì)等方面的差異，這些差異直接或間接影響學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格、內(nèi)部動機、認知方式[6]。多年來，因材施教被認為是應(yīng)對教學(xué)中個體差異的有效方法。

但是由于種種原因，在我國的教育實踐中真正貫徹因材施教原則的教師卻很少[7]。其中，不可回避的原因之一是大班授課制仍然是學(xué)校教學(xué)的基本形式。對一個班級來說，集體授課既要照顧個體差異，又要面向全部學(xué)生，應(yīng)該如何因材施教，究竟以什么水平的學(xué)生為中心，確實是許多教師需要面對的問題[6]。因此，在現(xiàn)實教學(xué)中，教師往往是根據(jù)多年累積的教學(xué)經(jīng)驗，以中等水平的學(xué)生為主要對象，使教學(xué)內(nèi)容和進度適合中等學(xué)生的知識水平和接受能力。再根據(jù)課堂反饋調(diào)整教學(xué)策略，盡可能地兼顧更多學(xué)生。然而，由于社會的發(fā)展和環(huán)境的變遷，即便是有經(jīng)驗的教師，也會面臨新一屆學(xué)生與往屆學(xué)生之間的差異問題。而缺乏經(jīng)驗的新教師，在把握學(xué)生水平和個別差異的問題上更顯得不足。因材施教很多時候成為一句口號，可望而不可即。

2 虛擬實驗成為因材施教載體的優(yōu)勢

2.1 虛擬實驗體現(xiàn)教學(xué)重難點

在普通課堂的演示實驗中，由于受到常規(guī)實驗儀器本身的限制，有些實驗無法達到應(yīng)有的效果。虛擬實驗可以通過計算機技術(shù)仿真模擬一些重要的、在現(xiàn)實實驗環(huán)境下難以完成的實驗[8-10]。特別是對于重難點的理解，需要學(xué)生擁有豐富的空間想象力，或者輔助動態(tài)變化的實驗過程得以理解。虛擬實驗可以在視覺上詳細而具體地反映知識的本質(zhì)，逼真地模擬實際的環(huán)境，幫助學(xué)生更好地突破知識的重、難點，發(fā)展思維能力，最終使學(xué)生建立科學(xué)的認識論和方法論。

2.2 可視化與實時反饋功能

可視化是實現(xiàn)科學(xué)探究第一要素——“觀察”的關(guān)鍵。只有經(jīng)過認真觀察思考，才可以發(fā)現(xiàn)問題。虛擬實驗?zāi)軌驅(qū)嶒灴梢暬?，并實時反饋給學(xué)生，讓學(xué)生第一時間獲得信息以便判斷自己的猜想或者自己對實驗的操作行為是否正確，以便幫助學(xué)生清楚地認識自己對知識的認知。

本文以“圓周運動向心力”為例，介紹筆者訪美期間參與的關(guān)于“學(xué)生對圓周運動向心力的理解和運用的教學(xué)研究”項目，其虛擬實驗平臺如圖1所示：該平臺是本文作者之一，美國俄亥俄州立大學(xué)包雷教授所開發(fā)[11-12]，主要任務(wù)是讓學(xué)生施加合外力給物體（小球），使小球?qū)崿F(xiàn)勻速圓周運動。平臺的主界面是小球運動的區(qū)域，通過輔助外界方向控制器（圖2）人為地施加一外力給小球，讓小球在規(guī)定的范圍內(nèi)運動。左邊窗口的菜單欄是各種條件的控制器，可以調(diào)節(jié)小球的初始狀態(tài)、運用環(huán)境和對其施力的大小。

該虛擬實驗平臺實現(xiàn)圓周運動向心力教學(xué)的主要功能有以下兩個方面：（1）知識運用考查：檢驗學(xué)生是否能夠?qū)⒆约簩ο蛐牧Φ睦斫膺\用于實際任務(wù)中；（2）概念轉(zhuǎn)變：假設(shè)學(xué)生懂得知識，但是運用出錯，該平臺將學(xué)生的錯誤實時反饋出來，以供學(xué)生糾正錯誤，建構(gòu)對知識的真正理解。這兩點是得益于虛擬實驗平臺的可視化和實時反饋功能，讓學(xué)生能觀察到自己每一個操作的對錯，在認知沖突中不斷探索，努力去完成任務(wù)，從而使學(xué)生對知識建構(gòu)和正確運用有一個全新的理解，體現(xiàn)的是杜威提出的“做中學(xué)”的思想。

2.3 個體可控性高

虛擬實驗平臺具有個體化可控性，每一位同學(xué)都可以在虛擬實驗平臺上進行獨立的學(xué)習(xí)、探索和操作。當(dāng)教師發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)后，學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)識水平、行為習(xí)慣來控制完成任務(wù)的進度。當(dāng)學(xué)生認為該學(xué)習(xí)任務(wù)在自己的能力范圍之內(nèi)可以駕馭，并且通過短時間的任務(wù)執(zhí)行之后，系統(tǒng)也給予正確的反饋信息，學(xué)生可以較早結(jié)束和完成學(xué)習(xí)任務(wù)，或者是進行深入的個性化探究；當(dāng)學(xué)生在執(zhí)行任務(wù)時頻頻出現(xiàn)困難，可以根據(jù)系統(tǒng)的反饋信息思考問題所在，進而改變方案，重新嘗試，在多次努力下克服困難，完成任務(wù)，也可以達到學(xué)習(xí)的目的。

虛擬平臺的個性化可控性，使學(xué)生能夠根據(jù)個體差異來控制虛擬任務(wù)。只要平臺的設(shè)置合理，耗時不長，每個學(xué)生都在給定的時間內(nèi)對學(xué)習(xí)任務(wù)進行個性化的探索，達到學(xué)習(xí)效果。因此，虛擬實驗平臺可以成為實施“因材施教”的載體或媒介。

3 利用虛擬實驗引導(dǎo)學(xué)生“做中學(xué)”——美國因材施教的實證案例

下面介紹在美國利用該虛擬實驗進行因材施教的實證案例，包括教學(xué)核心任務(wù)、學(xué)習(xí)任務(wù)的流程和學(xué)生的表現(xiàn)。

關(guān)于“圓周運動向心力”教學(xué)的核心要點是要讓學(xué)生明白“做勻速圓周運動的物體所受合外力方向是時刻在變化，且始終指向圓心，因此稱之為向心力”。只有對向心力的方向掌握清楚，學(xué)生才能更好地理解“為何物體可以做勻速圓周運動？”才可以繼續(xù)去探索“向心力與什么因素有關(guān)”等問題。

由于教學(xué)以概念的形式展示什么是向心力，因此很多學(xué)生都可以將“向心力指向圓心”念得滾瓜爛熟，可以對物體的受力情況進行正確的分析，甚至可以很好地計算與向心力相關(guān)的題目。然而，學(xué)生是否對向心力真正理解，或只是單純記住了教材的定義，或僅記住教師給予的結(jié)論，沒有經(jīng)過研究或許只停留在猜測的層面。本研究項目主要針對“向心力方向”的學(xué)習(xí)要點，設(shè)計一系列的任務(wù)，增強學(xué)生對圓周運動向心力方向的理解和運用能力。

學(xué)習(xí)任務(wù)以問題探究（problem-based learning）的形式在講義中呈現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生結(jié)合問題和虛擬實驗平臺進行學(xué)習(xí)，包含幾個流程：（1）預(yù)測任務(wù)：對小球做勻速圓周運動合外力方向進行預(yù)測；（2）嘗試任務(wù)：在虛擬實驗平臺上嘗試性施力，使小球做勻速圓周運動，若失敗，分析系統(tǒng)反饋的原因；（3）個性化完成任務(wù)：根據(jù)自己的特點不斷努力直至使小球做勻速圓周運動，總結(jié)其合外力的方向；（4）反思任務(wù)：從虛擬實驗平臺的學(xué)習(xí)中收獲到什么。整個學(xué)習(xí)任務(wù)在半個小時內(nèi)可完成。

3.1 預(yù)測任務(wù)——奠定學(xué)習(xí)信心

為了獲得每一位學(xué)生對向心力方向的理解程度。首先，要求學(xué)生對以下的場景作出預(yù)測，在圖3中畫出小球做勻速圓周運動時各點的合外力方向。

當(dāng)一個小球在一個沒有摩擦的平面上以速度v沿直線運動（如圖3的A點所示），如果要讓小球繞圖3中的虛線做勻速圓周運動，整個過程應(yīng)該給小球施加什么方向的力？請畫出圖3中A、B、C、D、E、F各點施加給小球的力的方向。

本預(yù)測任務(wù)并不難，只要記住“向心力指向圓心”的學(xué)生都可以順利地畫出力的方向。如圖3是某個學(xué)生的預(yù)測圖，該學(xué)生正確畫出了各點力的方向，并標(biāo)記力是合外力或凈合力。從參加本次任務(wù)的52名美國學(xué)生來看，至少三分之二以上的學(xué)生在該任務(wù)上都給出了正確的答案。

3.2 嘗試任務(wù)——引發(fā)認知沖突

本任務(wù)是學(xué)生嘗試性地通過方向控制器施加外力給小球，觀察是否能夠讓小球做勻速圓周運動（為了重點突破向心力方向的難點，系統(tǒng)可人為設(shè)定力的大小一定）。嘗試幾次后，描述自己完成任務(wù)的情況，并通過虛擬系統(tǒng)反饋的情況，解釋自己失敗的原因。該環(huán)節(jié)旨在讓學(xué)生對小球?qū)嵤﹦討B(tài)控制，在操作任務(wù)中體驗自己在運用知識時存在的問題，認識到理論與實踐產(chǎn)生的沖突，為調(diào)整操作策略提供線索。

由前面的預(yù)測任務(wù)可知很多學(xué)生都知道“向心力指向圓心”，然而學(xué)生在嘗試任務(wù)中“運用向心力”的環(huán)節(jié)卻出現(xiàn)各種各樣的狀況，如圖4所示，圖中箭頭表示學(xué)生對小球施力的方向。

（1）73%的學(xué)生在第一次嘗試時，初始施力點位置不準(zhǔn)確，沒有在圓周上開始施力，說明學(xué)生對勻速圓周運動合力垂直于切線且指向圓心這個概念掌握不牢固，即使自己覺得懂，也是停留在記憶層面上，而不是在應(yīng)用上。

（2）合外力沒有時刻指向圓心，部分力沿運動方向、或沿豎直方向、或指向圓內(nèi)但不向心，這些都導(dǎo)致小球不能沿著虛線做勻速圓周運動。

3.3 個性化完成任務(wù)——不斷調(diào)整策略

本系統(tǒng)界面能夠?qū)W(xué)生的行為作出實時反饋，一個方面是反饋小球的運動軌跡，另一方面是動態(tài)顯示學(xué)生對小球的施力方向。學(xué)生可以根據(jù)自己對系統(tǒng)反饋信息的理解來判斷自己的操作是否出現(xiàn)問題，進而調(diào)整自己對小球施力的方向。反應(yīng)靈敏、悟性高的學(xué)生較早地發(fā)現(xiàn)問題并及時調(diào)整策略，這樣便能夠很快完成操作任務(wù)。如圖5所示，有的學(xué)生需要多次反復(fù)執(zhí)行任務(wù)，直至發(fā)現(xiàn)問題根源所在才能作出正確的調(diào)整，這樣完成任務(wù)所需時間較長。

3.4 反思任務(wù)——重新建構(gòu)知識

在最后一個環(huán)節(jié)，給學(xué)生設(shè)置一個反思問題：“從虛擬實驗平臺的學(xué)習(xí)中你收獲到什么？”這個問題主要是讓學(xué)生對這節(jié)課的學(xué)習(xí)進行總結(jié)，讓學(xué)生回顧自己在完成任務(wù)的每一個環(huán)節(jié)，從一開始沒有正確地對小球施加指向圓心的力到最后完成任務(wù)，在運用知識的過程中重新建構(gòu)“向心力時刻指向圓心”的要點，也是讓學(xué)生體會“做中學(xué)”的樂趣和收獲。

4 總 結(jié)

因材施教從古至今都受到很高的推崇。但是，如何更好地將因材施教的原則貫穿于實際教學(xué)之中，這是值得每一位教育者思考的問題?！耙虿氖┙獭迸c“以學(xué)生為本”的出發(fā)點是一致的，本著從學(xué)生的角度出發(fā)，根據(jù)學(xué)生的個性差異實施不同的教學(xué)策略。教學(xué)策略的不同可以是教學(xué)方法的不同、教學(xué)內(nèi)容的不同、教學(xué)難度的不同抑或是教學(xué)進度的不同等。本次美國的教學(xué)研究項目以虛擬實驗平臺為載體，讓學(xué)生在執(zhí)行實驗任務(wù)的過程中建構(gòu)對“向心力時刻指向圓心”的深刻理解?？紤]到不同學(xué)生的學(xué)識水平差異、個性特性差異和接受能力的差異，讓學(xué)生進行個性化的探索和學(xué)習(xí)，踐行因材施教的原則，讓學(xué)生自主考查自己對知識的理解和運用，在虛擬實驗的可視化和實施反饋下進行概念轉(zhuǎn)變，建構(gòu)對知識的真正理解。這種教學(xué)融合了因材施教的教育原則，采用了虛擬實驗的信息技術(shù)手段，達到了“做中學(xué)”的教育目標(biāo)，也培養(yǎng)了學(xué)生的情感態(tài)度價值觀，對我國基礎(chǔ)教育具有借鑒作用。

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（欄目編輯 鄧 磊）