例析利用信息化手段改進高中物理教學

李 鳴

(浙江大學附屬中學 浙江 杭州 310021)

2018年1月20日，中共中央國務(wù)院印發(fā)了《關(guān)于全面深化新時代教師隊伍建設(shè)改革的意見》，意見提出：深化新時代教師隊伍建設(shè)改革的目標任務(wù)之一是教師主動適應(yīng)信息化、人工智能等新技術(shù)變革，積極有效開展教育教學.2018年4月18日，中國教育部印發(fā)了《教育信息化2.0行動計劃》，文件指出：站在新的歷史起點，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，推動教育理念更新、模式變革、體系重構(gòu)，使我國教育信息化發(fā)展水平走在世界前列，發(fā)揮全球引領(lǐng)作用，為國際教育信息化發(fā)展提供中國智慧和中國方案.在此背景下，作為培養(yǎng)未來中國建設(shè)者的高中物理教師，除了加強自身信息化和人工智能學習之外，更應(yīng)積極利用信息化手段和技術(shù)開展教育教學，嘗試將新技術(shù)運用到物理教學的各個環(huán)節(jié)中去，提升教育教學的有效性.筆者希望通過自己利用信息技術(shù)應(yīng)用到各個教學環(huán)節(jié)的嘗試，為其他希望通過教育信息化改進教學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——問卷網(wǎng)改進學生學情分析

所謂學情分析是指教師為了有效教學而開展的對影響學生學習各因素的診斷、評估與分析，其目的是提供準確的信息和依據(jù)，順學導教.隨著現(xiàn)代研究的不斷開展，學情分析越來越重視學生的主體性，通過對學習主體學生的分析，特別是對學生對這部分內(nèi)容學習的已有認識——前概念與迷思概念的分析，達到確定教學難點，選擇恰當教法的目的.

筆者在講授人教版《物理·必修2》“探究平拋物體的運動”一課時，曾查詢不少教師的教學設(shè)計，其中人民教育出版社網(wǎng)站的“探究平拋物體的運動”教學設(shè)計的學情分析給筆者留下了較深刻的印象，文章作者黃橋中學的葉老師通過5個問題的提問對學生的學情進行了分析，并以此引入了新課：

(1)到今天為止我們掌握并會處理的運動形式有哪些？

(2)要使物體作勻速直線運動或勻變速直線運動應(yīng)具備什么條件？

(3)如果物體運動過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動？

(4)如何處理曲線運動.

(5)分運動與合運動具有什么特性？

這5個問題由淺入深，層層遞進，是傳統(tǒng)教學中比較好的引課方式之一.

筆者嘗試用相同的方法分析學情進行引課，一個班的課上下來發(fā)現(xiàn)，5個問題最多針對5位學生，且在引課過程所提問的對象，選擇的都是成績比較好的學生，看似流暢的學情分析卻并未起到對全班學生的學情進行分析的效果，后面課堂教學的推進也因此而遇到了困難，于是筆者在第二個班上課之前，利用自己曾聽說過的問卷網(wǎng)，利用問卷網(wǎng)的手機App，將本節(jié)課引入的5個問題制作成了3道選擇和1道填空題,如圖1所示，發(fā)到學生的QQ群里，作為學生的回家作業(yè)之一，讓學生利用手機或者電腦花幾分鐘時間做一下前測，個別沒有做的學生在上課前的課間讓這幾位學生用手機掃描二維碼也做了前測.于是，在上課前，通過手機App得到了后臺統(tǒng)計的以下數(shù)據(jù),如圖2所示.通過對數(shù)據(jù)的分析，筆者發(fā)現(xiàn)學生這一節(jié)的鋪墊知識掌握情況并沒有想象中那么理想，于是借助問卷網(wǎng)制作的學情分析，適時地針對性調(diào)整了課堂教學，取得了比第一節(jié)課更好的效果.

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

圖2 問卷網(wǎng)學情分析相關(guān)數(shù)據(jù)

有了這次利用問卷網(wǎng)進行學情分析的經(jīng)歷后，筆者又進一步對問卷網(wǎng)進行了研究，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意度調(diào)查、教學測試、答題闖關(guān)等各種問卷、表單和測評，如圖4所示.通過教學實踐，筆者認為，問卷網(wǎng)不失為學情分析的一種利器.

圖3 問卷網(wǎng)數(shù)據(jù)分析的4種圖表類型

圖4 問卷網(wǎng)可創(chuàng)建的報表類型

2 引入課程 借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)——VR升級學生沉浸式體驗

所謂沉浸式體驗，是指專注在當前的目標(由設(shè)計者營造)情境下的感官體驗和認知體驗.用戶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”學生“過橋”，巧妙解決創(chuàng)設(shè)情境所涉及的物理問題，也符合學生認知結(jié)構(gòu)的梯度.但在創(chuàng)設(shè)物理情境上，視頻也有無法做到的地方，比如視頻的觀察是平面的，無法給學生空間立體的想象；視頻的拍攝角度一般是第三人稱，無法給學生第一人稱的體驗.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)實技術(shù)，是利用計算機生成的一種模擬環(huán)境，一種多源信息融合的、交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真.它除了具有的視覺感知外，還有聽覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至還包括味覺感知和嗅覺感知等.現(xiàn)在VR應(yīng)用在課堂教學的內(nèi)容比較少，但VR游戲已經(jīng)比較普遍.筆者在準備人教版《物理·必修1》——“用牛頓運動定律解決問題(二)”的過程中，發(fā)現(xiàn)本節(jié)的難點在于學生對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，筆者想到了自己曾經(jīng)嘗試過的兩個VR游戲——VR極限自行車和VR極限滑雪.于是，在引課的環(huán)節(jié)，利用學校已有的VR設(shè)備，讓學生一同戴上了VR，通過主機同步控制所有VR設(shè)備，一起體驗了一把極限自行車運動和極限滑雪運動,如圖5所示.

學生首先以第一人稱騎上了虛擬的自行車(約3 min，如圖6所示)，在虛擬的賽道上時而加速上騎后空中躍起體驗先超重再失重，時而空中下落直至凹進的沙地體驗先失重后超重，然后又以第一人稱站在滑雪板上(約4 min，如圖7所示)，在虛擬的滑雪道上時而加速下滑，時而空中轉(zhuǎn)體，時而大回環(huán)，時而極限上沖，不斷體驗著超重和失重的感覺.在同一主機的控制下，師生同感，叫喊聲此起彼伏.當大家脫離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.筆者借此機會，向?qū)W生提問：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.因為學生有了非常強烈的虛擬體驗，所以這節(jié)課取得了非常好的教學效果.

圖5 師生課堂共同體驗VR

圖6 VR體驗極限自行車游戲(左圖為正視VR、右圖為側(cè)視VR)

圖7 VR體驗極限滑雪游戲(左圖為回頭VR、右圖為側(cè)視VR)

有了這次利用VR虛擬游戲進行情景引入的經(jīng)歷后，筆者又在“向心力”“重力勢能”等課程中使用了相關(guān)的VR游戲，并在“太陽與行星間的引力”“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效果.

圖8 VR太陽系截圖

VR虛擬體驗之所以能很好地引入新課，筆者覺得是因為第一人稱的體驗加之各種感官作用的綜合，讓學生身臨其境，而強烈的情景感正是學習物理的前提，如果VR廠商能針對高中物理課程更有針對性地制作一些體驗程序，今后的應(yīng)用將會越來越廣泛.

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

所謂疑難問題，是指教師在教學過程中遇到的不易給學生分析和講解的物理知識以及難以引導學生對某些物理知識靈活應(yīng)用的教學問題.高中物理的疑難問題有很多，比如力學中的摩擦力問題、向心力問題、萬有引力問題等；電磁學中的靜電屏蔽、帶電粒子在磁場中的運動、電磁感應(yīng)等；光學的全反射問題；原子物理的光電效應(yīng)問題等，它們產(chǎn)生的原因也是多方面的，既有物理知識點本身的復雜性、隱蔽性，又有物理教師專業(yè)知識的儲備不夠，還有物理實驗操作的條件要求苛刻難以成功的原因.在走班教學越來越普遍的背景下，需要我們能借助信息技術(shù)手段，借助視頻媒體平臺，將課堂的時間和空間延伸.

筆者在準備《物理·必修2》——“探究功與速度變化關(guān)系(實驗)”一課時發(fā)現(xiàn)，這一實驗的難點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式.雖然學生在高一階段已經(jīng)有了實驗探究思想，比如“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”等，也有了一定的實驗方案設(shè)計能力、動手操作能力和數(shù)據(jù)處理能力，但是，以前接觸的力都是恒力，而這個實驗最難之處在于其涉及到變力問題，這是一個比較高的思維臺階，如果教師對本實驗的原理講解不到位會導致學生無法跨越思維臺階.然而一節(jié)課的時間是有限的，教師若講解過多，學生的實驗時間便會縮減，從而增加實驗操作不成功率.為了解決這一矛盾，這節(jié)實驗課筆者借助優(yōu)酷網(wǎng)嘗試了翻轉(zhuǎn)課堂.

首先，筆者和物理實驗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(實驗)”，如圖9所示為微課視頻截圖.微課時長6 min 40 s，包含了本節(jié)實驗課的實驗原理、實驗器材、實驗步驟、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、易錯操作辨析和實驗誤差辨析.然后，將這個微課視頻上傳到了優(yōu)酷網(wǎng).在這節(jié)實驗課上課之前，給學生布置了上優(yōu)酷網(wǎng)觀看此微課的作業(yè)，要求自學本實驗課全部內(nèi)容，并將疑惑不解的地方形成問題寫在作業(yè)本上.

圖9 手機App播放微課視頻截圖

第二天上實驗課前，課代表將學生的問題匯總給我，課堂開始后，先花了大約5 min講解兩個比較集中的問題：為什么紙帶選取的是勻速直線運動和為什么數(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來表示，之后學生便開始小組實驗.在學生進行小組實驗的過程中，筆者邊巡視邊翻閱小組作業(yè)本上羅列的其他問題，一一指導.通過翻轉(zhuǎn)課堂的方式，課堂上先集中精力解決了自學微課過程中的疑惑點，再單獨指導不同組學生遇到的難點.而學生因為有了反復觀看并思考此微課的過程，加之有了比以往更多的實驗時間，在輔以教師的針對性指導，這個實驗取得了非常好的教學效果.

如圖10所示,有了這次利用優(yōu)酷網(wǎng)進行翻轉(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)主頁上(i.youku.com/physics)制作和上傳了針對不同高中物理疑難問題的微課，并針對不同的教學內(nèi)容，利用優(yōu)酷網(wǎng)和優(yōu)酷App進行了翻轉(zhuǎn)課堂的嘗試，如“驗證機械能守恒(實驗)”“電場綜合復習”“帶電粒子在勻強磁場中的運動”等.在嘗試中，筆者發(fā)現(xiàn)，身處流行媒體時代的學生，非常適應(yīng)這樣的教學方式，這些翻轉(zhuǎn)課堂的教學嘗試，均取得了比較好的教學效果.

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

4 結(jié)束語

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都應(yīng)運而生，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，它能對學情精準分析并向?qū)W生作精準推送;比如互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，它讓距離不再是問題，讓教育在學校之外發(fā)生;比如人工智能AI，它可以實現(xiàn)學生與計算機的人機對話.

以教育信息化帶動教育現(xiàn)代化，是我國教育事業(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，提高學生的學習能力.這需要身處第一線的教師樂于學習、勇于嘗試.筆者通過自己接觸和學習到的信息技術(shù)和平臺，包括在線調(diào)查平臺問卷網(wǎng)、VR虛擬游戲和全景視頻、在線視頻媒體平臺優(yōu)酷網(wǎng)，嘗試將它們應(yīng)用于高中物理教學，得到了一些經(jīng)驗，同時堅信信息化之路是教育現(xiàn)代化的正確道路.