例析利用信息化手段改進(jìn)高中物理教學(xué)

李 鳴

(浙江大學(xué)附屬中學(xué) 浙江 杭州 310021)

2018年1月20日，中共中央國(guó)務(wù)院印發(fā)了《關(guān)于全面深化新時(shí)代教師隊(duì)伍建設(shè)改革的意見(jiàn)》，意見(jiàn)提出：深化新時(shí)代教師隊(duì)伍建設(shè)改革的目標(biāo)任務(wù)之一是教師主動(dòng)適應(yīng)信息化、人工智能等新技術(shù)變革，積極有效開(kāi)展教育教學(xué).2018年4月18日，中國(guó)教育部印發(fā)了《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》，文件指出：站在新的歷史起點(diǎn)，必須將教育信息化作為教育系統(tǒng)性變革的內(nèi)生變量，支撐引領(lǐng)教育現(xiàn)代化發(fā)展，推動(dòng)教育理念更新、模式變革、體系重構(gòu)，使我國(guó)教育信息化發(fā)展水平走在世界前列，發(fā)揮全球引領(lǐng)作用，為國(guó)際教育信息化發(fā)展提供中國(guó)智慧和中國(guó)方案.在此背景下，作為培養(yǎng)未來(lái)中國(guó)建設(shè)者的高中物理教師，除了加強(qiáng)自身信息化和人工智能學(xué)習(xí)之外，更應(yīng)積極利用信息化手段和技術(shù)開(kāi)展教育教學(xué)，嘗試將新技術(shù)運(yùn)用到物理教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)中去，提升教育教學(xué)的有效性.筆者希望通過(guò)自己利用信息技術(shù)應(yīng)用到各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的嘗試，為其他希望通過(guò)教育信息化改進(jìn)教學(xué)的教師提供一些參考和思考.

1 創(chuàng)建調(diào)查 借助在線調(diào)查平臺(tái)——問(wèn)卷網(wǎng)改進(jìn)學(xué)生學(xué)情分析

所謂學(xué)情分析是指教師為了有效教學(xué)而開(kāi)展的對(duì)影響學(xué)生學(xué)習(xí)各因素的診斷、評(píng)估與分析，其目的是提供準(zhǔn)確的信息和依據(jù)，順學(xué)導(dǎo)教.隨著現(xiàn)代研究的不斷開(kāi)展，學(xué)情分析越來(lái)越重視學(xué)生的主體性，通過(guò)對(duì)學(xué)習(xí)主體學(xué)生的分析，特別是對(duì)學(xué)生對(duì)這部分內(nèi)容學(xué)習(xí)的已有認(rèn)識(shí)——前概念與迷思概念的分析，達(dá)到確定教學(xué)難點(diǎn)，選擇恰當(dāng)教法的目的.

筆者在講授人教版《物理·必修2》“探究平拋物體的運(yùn)動(dòng)”一課時(shí)，曾查詢(xún)不少教師的教學(xué)設(shè)計(jì)，其中人民教育出版社網(wǎng)站的“探究平拋物體的運(yùn)動(dòng)”教學(xué)設(shè)計(jì)的學(xué)情分析給筆者留下了較深刻的印象，文章作者黃橋中學(xué)的葉老師通過(guò)5個(gè)問(wèn)題的提問(wèn)對(duì)學(xué)生的學(xué)情進(jìn)行了分析，并以此引入了新課：

(1)到今天為止我們掌握并會(huì)處理的運(yùn)動(dòng)形式有哪些？

(2)要使物體作勻速直線運(yùn)動(dòng)或勻變速直線運(yùn)動(dòng)應(yīng)具備什么條件？

(3)如果物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的合外力不為零且與速度方向不在同一條直線上物體將做什么運(yùn)動(dòng)？

(4)如何處理曲線運(yùn)動(dòng).

(5)分運(yùn)動(dòng)與合運(yùn)動(dòng)具有什么特性？

這5個(gè)問(wèn)題由淺入深，層層遞進(jìn)，是傳統(tǒng)教學(xué)中比較好的引課方式之一.

筆者嘗試用相同的方法分析學(xué)情進(jìn)行引課，一個(gè)班的課上下來(lái)發(fā)現(xiàn)，5個(gè)問(wèn)題最多針對(duì)5位學(xué)生，且在引課過(guò)程所提問(wèn)的對(duì)象，選擇的都是成績(jī)比較好的學(xué)生，看似流暢的學(xué)情分析卻并未起到對(duì)全班學(xué)生的學(xué)情進(jìn)行分析的效果，后面課堂教學(xué)的推進(jìn)也因此而遇到了困難，于是筆者在第二個(gè)班上課之前，利用自己曾聽(tīng)說(shuō)過(guò)的問(wèn)卷網(wǎng)，利用問(wèn)卷網(wǎng)的手機(jī)App，將本節(jié)課引入的5個(gè)問(wèn)題制作成了3道選擇和1道填空題,如圖1所示，發(fā)到學(xué)生的QQ群里，作為學(xué)生的回家作業(yè)之一，讓學(xué)生利用手機(jī)或者電腦花幾分鐘時(shí)間做一下前測(cè)，個(gè)別沒(méi)有做的學(xué)生在上課前的課間讓這幾位學(xué)生用手機(jī)掃描二維碼也做了前測(cè).于是，在上課前，通過(guò)手機(jī)App得到了后臺(tái)統(tǒng)計(jì)的以下數(shù)據(jù),如圖2所示.通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生這一節(jié)的鋪墊知識(shí)掌握情況并沒(méi)有想象中那么理想，于是借助問(wèn)卷網(wǎng)制作的學(xué)情分析，適時(shí)地針對(duì)性調(diào)整了課堂教學(xué)，取得了比第一節(jié)課更好的效果.

圖1 利用問(wèn)卷網(wǎng)制作的“探究平拋物體的運(yùn)動(dòng)”前概念調(diào)查

圖2 問(wèn)卷網(wǎng)學(xué)情分析相關(guān)數(shù)據(jù)

有了這次利用問(wèn)卷網(wǎng)進(jìn)行學(xué)情分析的經(jīng)歷后，筆者又進(jìn)一步對(duì)問(wèn)卷網(wǎng)進(jìn)行了研究，如圖3所示，發(fā)現(xiàn)它的數(shù)據(jù)分析除了有柱狀圖之外，還有圓餅圖、環(huán)形圖、條形圖可以選擇，非常直觀，一目了然.而且利用它還可以制作課堂滿(mǎn)意度調(diào)查、教學(xué)測(cè)試、答題闖關(guān)等各種問(wèn)卷、表單和測(cè)評(píng)，如圖4所示.通過(guò)教學(xué)實(shí)踐，筆者認(rèn)為，問(wèn)卷網(wǎng)不失為學(xué)情分析的一種利器.

圖3 問(wèn)卷網(wǎng)數(shù)據(jù)分析的4種圖表類(lèi)型

圖4 問(wèn)卷網(wǎng)可創(chuàng)建的報(bào)表類(lèi)型

2 引入課程 借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)——VR升級(jí)學(xué)生沉浸式體驗(yàn)

所謂沉浸式體驗(yàn)，是指專(zhuān)注在當(dāng)前的目標(biāo)(由設(shè)計(jì)者營(yíng)造)情境下的感官體驗(yàn)和認(rèn)知體驗(yàn).用戶(hù)作為主角存在于難辨真假的模擬環(huán)境中，甚至忘記了真實(shí)世界的情境.

在高中物理中，有很多情景式課程，比如超重、失重、向心力等，教師往往會(huì)采用視頻引入的方式.視頻的引入，有利于創(chuàng)設(shè)物理情境，讓教師“搭橋”學(xué)生“過(guò)橋”，巧妙解決創(chuàng)設(shè)情境所涉及的物理問(wèn)題，也符合學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的梯度.但在創(chuàng)設(shè)物理情境上，視頻也有無(wú)法做到的地方，比如視頻的觀察是平面的，無(wú)法給學(xué)生空間立體的想象；視頻的拍攝角度一般是第三人稱(chēng)，無(wú)法給學(xué)生第一人稱(chēng)的體驗(yàn).于是，創(chuàng)設(shè)更身臨其境的物理情境，成為了許多情景式課程的突破口.

VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是利用計(jì)算機(jī)生成的一種模擬環(huán)境，一種多源信息融合的、交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真.它除了具有的視覺(jué)感知外，還有聽(tīng)覺(jué)感知、觸覺(jué)感知、運(yùn)動(dòng)感知，甚至還包括味覺(jué)感知和嗅覺(jué)感知等.現(xiàn)在VR應(yīng)用在課堂教學(xué)的內(nèi)容比較少，但VR游戲已經(jīng)比較普遍.筆者在準(zhǔn)備人教版《物理·必修1》——“用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解決問(wèn)題(二)”的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)本節(jié)的難點(diǎn)在于學(xué)生對(duì)超重和失重這兩種物理現(xiàn)象的前概念的更新，為了能更好地突破這一難點(diǎn)，筆者想到了自己曾經(jīng)嘗試過(guò)的兩個(gè)VR游戲——VR極限自行車(chē)和VR極限滑雪.于是，在引課的環(huán)節(jié)，利用學(xué)校已有的VR設(shè)備，讓學(xué)生一同戴上了VR，通過(guò)主機(jī)同步控制所有VR設(shè)備，一起體驗(yàn)了一把極限自行車(chē)運(yùn)動(dòng)和極限滑雪運(yùn)動(dòng),如圖5所示.

學(xué)生首先以第一人稱(chēng)騎上了虛擬的自行車(chē)(約3 min，如圖6所示)，在虛擬的賽道上時(shí)而加速上騎后空中躍起體驗(yàn)先超重再失重，時(shí)而空中下落直至凹進(jìn)的沙地體驗(yàn)先失重后超重，然后又以第一人稱(chēng)站在滑雪板上(約4 min，如圖7所示)，在虛擬的滑雪道上時(shí)而加速下滑，時(shí)而空中轉(zhuǎn)體，時(shí)而大回環(huán)，時(shí)而極限上沖，不斷體驗(yàn)著超重和失重的感覺(jué).在同一主機(jī)的控制下，師生同感，叫喊聲此起彼伏.當(dāng)大家脫離VR設(shè)備之后，剛才虛擬世界的超重感和失重感仍久久回蕩.筆者借此機(jī)會(huì)，向?qū)W生提問(wèn)：剛才的哪些情景我們的感受是相同的，從而引出今天的新課.因?yàn)閷W(xué)生有了非常強(qiáng)烈的虛擬體驗(yàn)，所以這節(jié)課取得了非常好的教學(xué)效果.

圖5 師生課堂共同體驗(yàn)VR

圖6 VR體驗(yàn)極限自行車(chē)游戲(左圖為正視VR、右圖為側(cè)視VR)

圖7 VR體驗(yàn)極限滑雪游戲(左圖為回頭VR、右圖為側(cè)視VR)

有了這次利用VR虛擬游戲進(jìn)行情景引入的經(jīng)歷后，筆者又在“向心力”“重力勢(shì)能”等課程中使用了相關(guān)的VR游戲，并在“太陽(yáng)與行星間的引力”“宇宙航行”等課程中使用了VR全景視頻，如圖8所示,均取得了非常好的教學(xué)效果.

圖8 VR太陽(yáng)系截圖

VR虛擬體驗(yàn)之所以能很好地引入新課，筆者覺(jué)得是因?yàn)榈谝蝗朔Q(chēng)的體驗(yàn)加之各種感官作用的綜合，讓學(xué)生身臨其境，而強(qiáng)烈的情景感正是學(xué)習(xí)物理的前提，如果VR廠商能針對(duì)高中物理課程更有針對(duì)性地制作一些體驗(yàn)程序，今后的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛.

3 翻轉(zhuǎn)課堂 借助在線視頻媒體平臺(tái)——優(yōu)酷網(wǎng)解決學(xué)生的疑難問(wèn)題

所謂疑難問(wèn)題，是指教師在教學(xué)過(guò)程中遇到的不易給學(xué)生分析和講解的物理知識(shí)以及難以引導(dǎo)學(xué)生對(duì)某些物理知識(shí)靈活應(yīng)用的教學(xué)問(wèn)題.高中物理的疑難問(wèn)題有很多，比如力學(xué)中的摩擦力問(wèn)題、向心力問(wèn)題、萬(wàn)有引力問(wèn)題等；電磁學(xué)中的靜電屏蔽、帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)、電磁感應(yīng)等；光學(xué)的全反射問(wèn)題；原子物理的光電效應(yīng)問(wèn)題等，它們產(chǎn)生的原因也是多方面的，既有物理知識(shí)點(diǎn)本身的復(fù)雜性、隱蔽性，又有物理教師專(zhuān)業(yè)知識(shí)的儲(chǔ)備不夠，還有物理實(shí)驗(yàn)操作的條件要求苛刻難以成功的原因.在走班教學(xué)越來(lái)越普遍的背景下，需要我們能借助信息技術(shù)手段，借助視頻媒體平臺(tái)，將課堂的時(shí)間和空間延伸.

筆者在準(zhǔn)備《物理·必修2》——“探究功與速度變化關(guān)系(實(shí)驗(yàn))”一課時(shí)發(fā)現(xiàn)，這一實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)在于它是利用做功與能量的關(guān)系探索另一種能量及其表達(dá)式.雖然學(xué)生在高一階段已經(jīng)有了實(shí)驗(yàn)探究思想，比如“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”等，也有了一定的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手操作能力和數(shù)據(jù)處理能力，但是，以前接觸的力都是恒力，而這個(gè)實(shí)驗(yàn)最難之處在于其涉及到變力問(wèn)題，這是一個(gè)比較高的思維臺(tái)階，如果教師對(duì)本實(shí)驗(yàn)的原理講解不到位會(huì)導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法跨越思維臺(tái)階.然而一節(jié)課的時(shí)間是有限的，教師若講解過(guò)多，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)時(shí)間便會(huì)縮減，從而增加實(shí)驗(yàn)操作不成功率.為了解決這一矛盾，這節(jié)實(shí)驗(yàn)課筆者借助優(yōu)酷網(wǎng)嘗試了翻轉(zhuǎn)課堂.

首先，筆者和物理實(shí)驗(yàn)員共同拍攝和制作了“高中物理微課：探究功與速度變化關(guān)系(實(shí)驗(yàn))”，如圖9所示為微課視頻截圖.微課時(shí)長(zhǎng)6 min 40 s，包含了本節(jié)實(shí)驗(yàn)課的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、易錯(cuò)操作辨析和實(shí)驗(yàn)誤差辨析.然后，將這個(gè)微課視頻上傳到了優(yōu)酷網(wǎng).在這節(jié)實(shí)驗(yàn)課上課之前，給學(xué)生布置了上優(yōu)酷網(wǎng)觀看此微課的作業(yè)，要求自學(xué)本實(shí)驗(yàn)課全部?jī)?nèi)容，并將疑惑不解的地方形成問(wèn)題寫(xiě)在作業(yè)本上.

圖9 手機(jī)App播放微課視頻截圖

第二天上實(shí)驗(yàn)課前，課代表將學(xué)生的問(wèn)題匯總給我，課堂開(kāi)始后，先花了大約5 min講解兩個(gè)比較集中的問(wèn)題：為什么紙帶選取的是勻速直線運(yùn)動(dòng)和為什么數(shù)據(jù)處理中不需要知道一根橡皮筋的做功大小而是用W來(lái)表示，之后學(xué)生便開(kāi)始小組實(shí)驗(yàn).在學(xué)生進(jìn)行小組實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，筆者邊巡視邊翻閱小組作業(yè)本上羅列的其他問(wèn)題，一一指導(dǎo).通過(guò)翻轉(zhuǎn)課堂的方式，課堂上先集中精力解決了自學(xué)微課過(guò)程中的疑惑點(diǎn)，再單獨(dú)指導(dǎo)不同組學(xué)生遇到的難點(diǎn).而學(xué)生因?yàn)橛辛朔磸?fù)觀看并思考此微課的過(guò)程，加之有了比以往更多的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，在輔以教師的針對(duì)性指導(dǎo)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)取得了非常好的教學(xué)效果.

如圖10所示,有了這次利用優(yōu)酷網(wǎng)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂的經(jīng)歷后，筆者又和同市志同道合的年輕教師們一起，在優(yōu)酷網(wǎng)主頁(yè)上(i.youku.com/physics)制作和上傳了針對(duì)不同高中物理疑難問(wèn)題的微課，并針對(duì)不同的教學(xué)內(nèi)容，利用優(yōu)酷網(wǎng)和優(yōu)酷App進(jìn)行了翻轉(zhuǎn)課堂的嘗試，如“驗(yàn)證機(jī)械能守恒(實(shí)驗(yàn))”“電場(chǎng)綜合復(fù)習(xí)”“帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”等.在嘗試中，筆者發(fā)現(xiàn)，身處流行媒體時(shí)代的學(xué)生，非常適應(yīng)這樣的教學(xué)方式，這些翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)嘗試，均取得了比較好的教學(xué)效果.

圖10 優(yōu)酷微課主頁(yè)(i.youku.com/physics)網(wǎng)頁(yè)截圖和手機(jī)App截圖

4 結(jié)束語(yǔ)

從《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》的發(fā)布到今天，已經(jīng)走過(guò)了6年.這6年，是世界信息技術(shù)快速發(fā)展的6年，各種信息化手段和信息化平臺(tái)都應(yīng)運(yùn)而生，而且正在改變我們的生活，改變我們的教育.比如大數(shù)據(jù)分析，它能對(duì)學(xué)情精準(zhǔn)分析并向?qū)W生作精準(zhǔn)推送;比如互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，它讓距離不再是問(wèn)題，讓教育在學(xué)校之外發(fā)生;比如人工智能AI，它可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生與計(jì)算機(jī)的人機(jī)對(duì)話(huà).

以教育信息化帶動(dòng)教育現(xiàn)代化，是我國(guó)教育事業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇，而教育信息化并不是把傳統(tǒng)的課堂搬到網(wǎng)上，而是讓新技術(shù)服務(wù)于課堂，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力.這需要身處第一線的教師樂(lè)于學(xué)習(xí)、勇于嘗試.筆者通過(guò)自己接觸和學(xué)習(xí)到的信息技術(shù)和平臺(tái)，包括在線調(diào)查平臺(tái)問(wèn)卷網(wǎng)、VR虛擬游戲和全景視頻、在線視頻媒體平臺(tái)優(yōu)酷網(wǎng)，嘗試將它們應(yīng)用于高中物理教學(xué)，得到了一些經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)堅(jiān)信信息化之路是教育現(xiàn)代化的正確道路.