國(guó)外信息技術(shù)與物理課程整合的案例分析

李美瑩

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

信息技術(shù)主要指計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，當(dāng)前信息技術(shù)普及過(guò)程中的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題是信息技術(shù)與學(xué)科課程的整合.信息技術(shù)與課程的整合并非其與課程的簡(jiǎn)單相加，而是指在先進(jìn)的教育思想、理論指導(dǎo)下，利用信息技術(shù)構(gòu)建一個(gè)全新的教學(xué)環(huán)境，使各種教學(xué)資源、教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)要素經(jīng)過(guò)整理，相互融合，在整體優(yōu)化的基礎(chǔ)上產(chǎn)生聚集效應(yīng)，以促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐精神的目標(biāo)[1].

信息技術(shù)應(yīng)用于教育中的目的是促進(jìn)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)，將其與物理課程整合可以創(chuàng)造理想的教學(xué)環(huán)境.我國(guó)由于受傳統(tǒng)教育模式影響較深，技術(shù)建設(shè)的起步較晚，在信息技術(shù)與物理課程整合的實(shí)踐中存在一些問(wèn)題：信息化教育理念未能體現(xiàn)在教學(xué)實(shí)踐中；信息手段單一，與教學(xué)過(guò)程結(jié)合生硬；課程設(shè)計(jì)缺乏創(chuàng)造性等.而早在20世紀(jì)90年代，國(guó)際上就強(qiáng)調(diào)了信息技術(shù)與課程的整合.國(guó)際上多種多樣的信息技術(shù)手段、豐富且有創(chuàng)意的教學(xué)形式、真正突出以學(xué)生為主體、以及注重教學(xué)理論與認(rèn)知心理學(xué)的指導(dǎo)等優(yōu)點(diǎn)值得我們借鑒.我們可以在結(jié)合我國(guó)實(shí)際的基礎(chǔ)上，借鑒國(guó)外信息技術(shù)與物理課程整合案例的成功之處，使我國(guó)信息技術(shù)與物理課程的整合發(fā)展得更和諧、高效.

本文介紹了3個(gè)來(lái)自澳大利亞和美國(guó)物理課程整合的案例.這些案例所應(yīng)用的信息手段不盡相同，分別為物理學(xué)習(xí)網(wǎng)站、交互幾何軟件和物理教育游戲.希望通過(guò)分析這些案例，對(duì)物理課程的教學(xué)設(shè)計(jì)有所啟發(fā).

1 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的物理教學(xué)

1.1 提出背景

在Angell等人進(jìn)行的大規(guī)模研究中，學(xué)生和老師反映只運(yùn)用“粉筆”和“談話”的物理教學(xué)過(guò)程是無(wú)趣的，更傾向參與有學(xué)生活動(dòng)、有交互和討論機(jī)會(huì)的物理課堂.教學(xué)方法的不足導(dǎo)致了學(xué)生提出迫切需要以學(xué)生為中心的教學(xué)法.第二代網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)工具Web2.0使得用戶可以作為生產(chǎn)者和消費(fèi)者積極參與，導(dǎo)致新型公開參與學(xué)習(xí)系統(tǒng)的出現(xiàn).Web2.0可讓教育者基于現(xiàn)有教學(xué)模式創(chuàng)建學(xué)習(xí)網(wǎng)站.因此研究者借鑒認(rèn)知學(xué)徒教學(xué)法開發(fā)了一個(gè)物理學(xué)習(xí)網(wǎng)站，在混合學(xué)習(xí)環(huán)境(使用在線和面對(duì)面的教學(xué)法提供課程內(nèi)容)中實(shí)施[2].

1.2 物理學(xué)習(xí)網(wǎng)站Getsmart

(1)認(rèn)知學(xué)徒教學(xué)法

物理學(xué)習(xí)網(wǎng)站Getsmart學(xué)習(xí)對(duì)象為澳大利亞的高二學(xué)生(16～17歲)，教授內(nèi)容為電子和原子.學(xué)習(xí)活動(dòng)是基于認(rèn)知學(xué)徒教學(xué)方法設(shè)計(jì)的.在認(rèn)知學(xué)徒教學(xué)模式中，課堂被設(shè)計(jì)成具有積極作用的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)習(xí)者接觸各種能系統(tǒng)地鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立探索的方式.教師在過(guò)程中提供腳手架，淡化在過(guò)程中對(duì)學(xué)生的控制.認(rèn)知學(xué)徒教學(xué)法還指出，學(xué)習(xí)活動(dòng)應(yīng)具有不同的困難等級(jí)，使得學(xué)生可以與同伴合作尋找解決問(wèn)題的方案.它的一個(gè)關(guān)鍵之處在于將學(xué)習(xí)活動(dòng)分為幾個(gè)部分，使學(xué)生容易理解.在設(shè)計(jì)層面上，Getsmart的學(xué)習(xí)活動(dòng)包括鼓勵(lì)團(tuán)體合作、為學(xué)生提供一系列的學(xué)習(xí)任務(wù)、提供學(xué)習(xí)反饋、組織活動(dòng)表達(dá)知識(shí)的獲取過(guò)程.

(2)認(rèn)知學(xué)徒教學(xué)法嵌入Getsmart

在以上理論的指導(dǎo)下，研究者開發(fā)了基于Web的課程、測(cè)試、聊天系統(tǒng)和一系列的交互活動(dòng).其中一些學(xué)習(xí)活動(dòng)還與其他一系列相關(guān)網(wǎng)站建立了連接.表1表明了認(rèn)知學(xué)徒教學(xué)框架中的每種教學(xué)方法是如何嵌入到Getsmart學(xué)習(xí)網(wǎng)站中的.如支架式教學(xué)通過(guò)電子郵件、測(cè)驗(yàn)、在線聊天和超鏈接的使用發(fā)生.所有用戶都分配了唯一的用戶名和密碼，允許他們?nèi)旌蛟L問(wèn)網(wǎng)站.

表1 認(rèn)知學(xué)徒教學(xué)方法及其在Getsmart中的應(yīng)用

1.3 結(jié)果分析

研究對(duì)象分為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組，實(shí)驗(yàn)組先在正常課室內(nèi)接受5個(gè)課時(shí)教學(xué)，隨后的1個(gè)課時(shí)在電腦室中進(jìn)行來(lái)鞏固學(xué)習(xí)，學(xué)生在期間可以在學(xué)校或家中隨時(shí)訪問(wèn)Getsmart網(wǎng)站.對(duì)照組也經(jīng)歷了6個(gè)課時(shí)，但沒(méi)有接觸Getsmart學(xué)習(xí)網(wǎng)站，只提供常規(guī)作業(yè)來(lái)加強(qiáng)學(xué)習(xí).對(duì)比科學(xué)知識(shí)、科學(xué)過(guò)程和復(fù)雜推理能力3個(gè)方面干預(yù)前后的測(cè)試結(jié)果來(lái)檢測(cè)網(wǎng)站對(duì)學(xué)習(xí)成果的影響.結(jié)果表明，基于網(wǎng)站的學(xué)習(xí)對(duì)這3方面均有積極的影響，但效果最顯著的表現(xiàn)在科學(xué)知識(shí)和復(fù)雜推理能力上.可以看出，基于網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)確實(shí)對(duì)學(xué)習(xí)實(shí)踐和成果有積極的影響.但現(xiàn)實(shí)生活中的學(xué)習(xí)環(huán)境可以受到一系列因素的影響，這些因素不能分開單獨(dú)對(duì)待，須尋求教育框架對(duì)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)進(jìn)行整體設(shè)計(jì).

2 基于計(jì)算機(jī)任務(wù)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)

2.1 提出背景

學(xué)生可以通過(guò)經(jīng)歷科學(xué)發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)過(guò)程來(lái)學(xué)習(xí)科學(xué)原理.在這個(gè)過(guò)程中，他們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)發(fā)現(xiàn)科學(xué)原理的基本規(guī)則.學(xué)習(xí)者通常在預(yù)定的學(xué)習(xí)環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，計(jì)算機(jī)模擬可用作科學(xué)發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)環(huán)境.在學(xué)習(xí)之前，學(xué)生常持有與科學(xué)事實(shí)不符合或相沖突的觀念，也就是我們所說(shuō)的“前概念”.基于此，研究者引入了一個(gè)框架來(lái)描述科學(xué)發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)中科學(xué)概念的發(fā)展過(guò)程——三空間學(xué)習(xí)理論，并根據(jù)這個(gè)理論開發(fā)了一款交互幾何軟件[3].首先測(cè)量學(xué)生在學(xué)習(xí)之前有關(guān)“力矩”的前概念，后通過(guò)計(jì)算機(jī)任務(wù)學(xué)習(xí)完成對(duì)“扭矩”概念的轉(zhuǎn)變.

2.2 交互幾何軟件Cinderalla的設(shè)計(jì)

(1)科學(xué)概念發(fā)展的框架

科學(xué)發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)與真實(shí)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)有相似性，研究者引入“三空間理論”來(lái)解釋科學(xué)發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí).三空間理論包含3個(gè)部分：模型空間、假設(shè)空間和實(shí)驗(yàn)空間.模型空間包含給定的學(xué)習(xí)任務(wù)和學(xué)習(xí)者當(dāng)前的概念模型.假設(shè)空間包括關(guān)于當(dāng)前任務(wù)陳述的可能假設(shè).實(shí)驗(yàn)空間為可能運(yùn)行的實(shí)驗(yàn).模型空間對(duì)假設(shè)空間有約束作用，學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)前先入為主的概念、誤解存在于模型空間，并確定在科學(xué)發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)開始前的假設(shè).而實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)導(dǎo)致接受或拒絕假設(shè)，又可導(dǎo)致模型空間的運(yùn)動(dòng)，從假設(shè)檢驗(yàn)獲得的信息可豐富或完善學(xué)習(xí)領(lǐng)域的模型.

(2)評(píng)估學(xué)生的扭矩模型

基于科學(xué)發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)的三空間理論，研究者開發(fā)了模型測(cè)試來(lái)評(píng)估學(xué)生在物理學(xué)“力矩”領(lǐng)域的前概念.模型測(cè)試設(shè)計(jì)在交互幾何軟件Cinderalla的開始部分，不是為了評(píng)估定義、公式或計(jì)算相關(guān)的知識(shí)，而是評(píng)估對(duì)力矩工作原理的理解，通過(guò)視覺(jué)材料呈現(xiàn)的多選模式來(lái)測(cè)量學(xué)生的力矩模型.學(xué)生觀察杠桿系統(tǒng)的圖片，比較圖片左右兩邊杠桿系統(tǒng)的力矩大小，并要求學(xué)生預(yù)測(cè)當(dāng)杠桿參數(shù)改變時(shí)如何使杠桿平衡.測(cè)試共有19道選擇題，分為7組，分別對(duì)應(yīng)力矩不同方面的知識(shí).如針對(duì)平行四邊形的計(jì)算能力、力與力臂的比率、不同形狀或彎曲度的杠桿對(duì)杠桿效應(yīng)的影響等.

(3)交互幾何軟件Cinderalla

軟件的使用對(duì)象為九年級(jí)未正式接觸力矩的學(xué)生.學(xué)生可以操縱杠桿和力，如增加或減少杠桿的長(zhǎng)度和力的大小，以保持杠桿的平衡.軟件提供了有關(guān)該模擬原理的文本解釋，每個(gè)模擬都伴有相應(yīng)的指導(dǎo)問(wèn)題來(lái)引導(dǎo)學(xué)生操作.軟件從幾何角度介紹了力矩，強(qiáng)調(diào)力矩可等效為由力和力臂組成的平行四邊形面積，用紅色區(qū)域表示出來(lái)，隨學(xué)生操作而改變.圖1為模擬示例.軟件共包含10個(gè)模擬，分為4個(gè)單元，具體如下：

單元1：模擬1～2，可了解杠桿的基本術(shù)語(yǔ)、測(cè)試杠桿原理，并給出了力矩公式.

單元2：模擬3～5，可操縱力或杠桿，觀察力矩受到的影響；利用不同的杠桿形式如彎曲的杠桿或用繩子拉動(dòng)杠桿，來(lái)使學(xué)生知道力矩等于力與力臂組成的平行四邊形面積而不是矩形面積.

單元3：模擬6～7，引入另一種改變平行四邊形的操作，即力的方向可以改變但平行四邊形的面積不變.使學(xué)生了解面積不變力矩就不會(huì)改變這個(gè)屬性.

單元4：模擬8～10，以傾斜卡車為例進(jìn)行練習(xí).

圖1 模擬7

2.3 結(jié)果分析

當(dāng)學(xué)生在使用軟件時(shí)，計(jì)算機(jī)日志文件記錄了每個(gè)模擬的使用情況，包括使用秒數(shù)、點(diǎn)擊次數(shù).在研究中，學(xué)生有35 min的時(shí)間參與科學(xué)發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)任務(wù)，其中包括4次模擬測(cè)試.第一次測(cè)試為開始前的前概念測(cè)試，研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生存在較嚴(yán)重的誤解為認(rèn)為彎曲度對(duì)杠桿效應(yīng)至關(guān)重要.剩下的3次測(cè)試分別在完成單元2,3,4后，用于跟蹤學(xué)生在使用軟件過(guò)程中力矩概念的模型轉(zhuǎn)化情況.結(jié)果顯示，學(xué)生成績(jī)的突變點(diǎn)在測(cè)試2中，說(shuō)明軟件確實(shí)對(duì)學(xué)生概念模型的轉(zhuǎn)化有積極的作用，并且發(fā)生在早期.

3 基于概念整合的物理教育游戲

3.1 理論基礎(chǔ)

許多研究表明游戲具有促進(jìn)學(xué)習(xí)的潛力，可以最佳觸發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，幫助科學(xué)概念的理解和提升技能.但許多商業(yè)物理游戲僅限于為學(xué)生提供對(duì)物理概念的感性認(rèn)識(shí)，沒(méi)有幫助學(xué)生理解正式的物理知識(shí)和規(guī)律.研究者認(rèn)為基于游戲的學(xué)習(xí)需要腳手架的支持，以便學(xué)生將游戲與學(xué)校環(huán)境中正式的知識(shí)相聯(lián)系.這樣的游戲Clark等人稱之為概念整合游戲.概念整合游戲與學(xué)習(xí)模擬之間具有緊密的結(jié)構(gòu)關(guān)系，可以使學(xué)生在游戲中將更多的注意力集中于科學(xué)知識(shí)和過(guò)程，而其余交互活動(dòng)如移動(dòng)和探索游戲世界等作為活動(dòng)的背景.若在適當(dāng)?shù)恼n程和教學(xué)中使用可以促進(jìn)學(xué)生模型推理、系統(tǒng)思考和建立科學(xué)概念的能力.基于此，研究者開發(fā)了一款概念整合游戲SURGE[4].具體如下.

3.2 物理教育游戲SURGE

SURGE是一款適用于初中物理教學(xué)的游戲，旨在支持牛頓運(yùn)動(dòng)定律的學(xué)習(xí).圖2是SURGE的游戲截圖.學(xué)生扮演名為Surge的外星人主角(圖2中a)，被要求從邪惡的Hooke手中解救可愛的Fuzzies(圖2中b).另一名角色Lerpz負(fù)責(zé)引導(dǎo)玩家操作，幫助支撐在游戲中獲得的物理概念(圖2中c).學(xué)生使用鍵盤上的方向鍵施加脈沖力或恒力，控制飛船繞過(guò)障礙物.屏幕下方顯示了飛船當(dāng)前的速度、所施加沖力數(shù)量、時(shí)間和碰撞次數(shù)等信息(圖2中d).飛船上顯示了速度向量包括水平和豎直方向的分量(圖2中e).一些關(guān)卡還設(shè)置了特定運(yùn)動(dòng)區(qū)域，學(xué)生按提示控制飛船速度恒定、加速或減速方可通過(guò)(圖2中f).

圖2 SURGE游戲截圖

SURGE作為一款概念整合游戲體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：(1)以流行的游戲機(jī)制顯示關(guān)鍵的物理表征，包括速度矢量和運(yùn)動(dòng)軌跡；(2)每個(gè)關(guān)卡涉及與物理概念直接相關(guān)的具體挑戰(zhàn)，要完成這些挑戰(zhàn)，學(xué)生需要學(xué)習(xí)和應(yīng)用與力學(xué)相關(guān)的許多原理，例如速度、加速度、向量加法、慣性、力、重力、自由落體、質(zhì)量；(3)每個(gè)關(guān)卡挑戰(zhàn)突出一個(gè)或兩個(gè)主題，并允許學(xué)生將概念連接起來(lái)探索不同主題之間的聯(lián)系；(4)將物理學(xué)思想和術(shù)語(yǔ)整合到游戲故事、反饋界面和游戲關(guān)卡中；(5)將基礎(chǔ)多媒體原則體現(xiàn)在游戲界面設(shè)計(jì)中，減少玩家不必要的認(rèn)知負(fù)荷.

3.3 結(jié)果分析

為了檢測(cè)學(xué)習(xí)效果，研究者設(shè)計(jì)了12道選擇題作為測(cè)試題目.關(guān)注學(xué)習(xí)者使用游戲前后對(duì)相關(guān)力學(xué)概念理解的差異.測(cè)驗(yàn)卷題目是基于力學(xué)概念庫(kù)(FCI)[5]所編制的，F(xiàn)CI是國(guó)際物理教育界公認(rèn)的檢測(cè)中學(xué)生對(duì)牛頓力學(xué)基本概念理解的最佳方案之一.結(jié)果表明，在考慮總分時(shí)，12項(xiàng)測(cè)試的前測(cè)和后測(cè)成績(jī)有明顯差異，學(xué)生學(xué)習(xí)效果顯著.具體層面上說(shuō)，SURGE游戲支持學(xué)生對(duì)力學(xué)概念庫(kù)一些核心概念的學(xué)習(xí).總之，游戲可以通過(guò)將科學(xué)概念和游戲機(jī)制整合的方式來(lái)教授科學(xué)知識(shí)，但是這需要非常仔細(xì)的設(shè)計(jì)，需要提供腳手架或引導(dǎo)信號(hào)來(lái)將知識(shí)與游戲相連接.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所分析的3個(gè)案例為促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)習(xí)提供了新方式，但也存在一定的局限性.由于我國(guó)的物理課程形式和國(guó)外存在差異，以上提出的國(guó)外案例應(yīng)用到我國(guó)課程中時(shí)應(yīng)注意符合課程目標(biāo)和內(nèi)容.另一方面，信息技術(shù)與物理課程的整合需要學(xué)校提供設(shè)備資源，教師也需掌握一定的相關(guān)技術(shù)，應(yīng)加大學(xué)校的資源建設(shè)，并加強(qiáng)對(duì)教師信息技術(shù)的培訓(xùn).

參 考 文 獻(xiàn)

1 沈俊妮.美國(guó)信息技術(shù)與物理課程整合案例的研究與借鑒:[學(xué)位論文].南京：南京師范大學(xué),2005

2 Chandra, V., & Watters, J. Re-thinking physics teaching with web-based learning. Computers & Education, 2012,58:631～640

3 Kistner, S. Model development in scientific discovery learning with a computer-based physics task. Computers in Human Behavior, 2016,59:446～455

4 Clark, D.B. Exploring Newtonian mechanics in a conceptually-integrated digital game: Comparison of learning and affective outcomes for students in Taiwan and the United States.Computers & Education, 2011,57:2 178～2 195

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