例談極簡教育技術(shù)在高中物理模型建構(gòu)中的應(yīng)用*

徐錢欣

(湖北大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 湖北 武漢 430062)

謝 琴

(武漢市實驗學(xué)校 湖北 武漢 430014)

丁益民 范 兵 郭雪如

(湖北大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 湖北 武漢 430062)

信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)的融合是信息時代對教育的要求，也是教育發(fā)展的必然趨勢.一方面，新媒體和新技術(shù)極大地豐富了教學(xué)手段，提高了教學(xué)質(zhì)量；另一方面，教育信息化浪潮涌現(xiàn)的新理論和新產(chǎn)品，由于太過專業(yè)和復(fù)雜，也給一線基層教師帶來使用的困難和工作的負(fù)擔(dān).近年來，黎加厚和焦建利等知名教授，在教育信息化中借鑒極簡主義，提倡基層學(xué)校師生根據(jù)實際情況使用簡單易學(xué)、高效實用的教育技術(shù)，是促進(jìn)融合創(chuàng)新的新思路，提供了豐富的研究基礎(chǔ)[1～4].但多數(shù)研究是從宏觀的角度進(jìn)行頂層設(shè)計，對于怎樣具體開展極簡教育技術(shù)支持下的物理教學(xué)，目前研究較少.鑒于此，本文對NOBOOK虛擬實驗等極簡技術(shù)在高中物理模型建構(gòu)中的應(yīng)用進(jìn)行分類闡述，并通過具體案例展示了極簡技術(shù)與課堂教學(xué)的融合.

1 極簡教育技術(shù)介紹

1.1 極簡教育技術(shù)簡介

“極簡教育技術(shù)”這個詞最早出現(xiàn)在《馬九克極簡教育技術(shù)叢書》中，黎加厚教授認(rèn)為這是第一次在公開出版物上提出了“極簡教育技術(shù)”的概念.黎加厚教授認(rèn)為，“極簡教育技術(shù)”是指在學(xué)校教學(xué)工作中，倡導(dǎo)師生使用方便、實用、易學(xué)、易用、能夠有效提高工作學(xué)習(xí)效率的技術(shù).他概括出了極簡教育技術(shù)的三大特點：

第一，掌握簡便.易學(xué)、易用、方便、省時.

第二，解決問題.實用，有效，能夠解決工作中的實際問題.

第三，提高效率.減輕工作強(qiáng)度，提高教學(xué)效率和質(zhì)量.

焦建利教授提出“簡約不簡單之極簡教育技術(shù)”，他認(rèn)為，所謂極簡教育技術(shù)，就是對一線教師和學(xué)生來說，是學(xué)得會的，甚至是傻瓜化的教育科技；是用得上的，能減負(fù)的教育科技；是能提升一線教師和學(xué)生勞動創(chuàng)造性的，也是能促進(jìn)教師專業(yè)發(fā)展的教育科技[2].“技術(shù)服務(wù)教學(xué)，而且必須簡單易學(xué)”，這正是極簡教育技術(shù)所倡導(dǎo)的理念.

近年，極簡技術(shù)風(fēng)靡教育界，極簡技術(shù)與學(xué)科融合受到越來越多師生的歡迎，一些好用、實用，有效為教學(xué)服務(wù)的軟件也得到基層學(xué)校的支持.

1.2 NOBOOK虛擬實驗簡介

NOBOOK虛擬實驗(簡稱NB實驗)是由北京樂步教育科技有限公司研發(fā)的一款虛擬仿真教學(xué)軟件.NB實驗可支持多終端跨平臺訪問——電子白板、臺式機(jī)、平板電腦等終端均可使用，Windows，IOS，Android全平臺適應(yīng)，無需單獨配置硬件，一賬號通用，任意平臺一鍵轉(zhuǎn)發(fā).NOBOOK物理不僅支持各種DIY探究，生動呈現(xiàn)逼真的實驗現(xiàn)象，滿足個性化教學(xué)需求，而且簡單易學(xué)，師生輕輕松松就能上手，是一款學(xué)生學(xué)得會、教師用得上、學(xué)校易落地的極簡教學(xué)軟件.

2 高中物理模型建構(gòu)的現(xiàn)狀分析

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱“新課標(biāo)”)明確了物理學(xué)科核心素養(yǎng)的具體內(nèi)容，科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要方面，而模型建構(gòu)又是科學(xué)思維的要素之一，它與科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新等構(gòu)成了科學(xué)思維[5].模型建構(gòu)對學(xué)生發(fā)展能夠起到促進(jìn)作用，但在日常教學(xué)過程中，總會出現(xiàn)種種問題.

2.1 教師運用新技術(shù)教學(xué)的困擾

模型建構(gòu)需要借助特定的內(nèi)容載體——物理模型才能形成，如何引導(dǎo)學(xué)生理解物理模型的性質(zhì)，并恰當(dāng)選用物理模型,或?qū)?fù)雜問題轉(zhuǎn)化成物理模型，是教師需要關(guān)注的重點.多媒體等信息技術(shù)極大豐富了課堂形式，為模型建構(gòu)的教學(xué)提供了諸多便利，但同時也帶來了其他方面的困擾.海量信息和無窮無盡的新技術(shù)、新軟件讓教師目不暇接，一方面，平時備課、教學(xué)、作業(yè)批改、訂正，已經(jīng)花費太多精力，另一方面，新技術(shù)太過專業(yè)和復(fù)雜，給教師徒增工作負(fù)擔(dān).一些教師存在倦怠的思想，未經(jīng)甄選采用不切合實際的教學(xué)軟件，將關(guān)于物理模型的知識直接灌輸給學(xué)生，用結(jié)論性教學(xué)代替過程性教學(xué)，造成資源與實際教學(xué)和學(xué)生知識水平不符的現(xiàn)象，失去了信息化教學(xué)的優(yōu)勢.

2.2 學(xué)生缺乏高中物理建模思維

仔細(xì)分析近幾年高考物理命題趨勢，越來越注重將物理知識與實際生活相結(jié)合，考查學(xué)生的建模能力.而學(xué)生“一做題就錯”，做題過程思維混亂，只會機(jī)械性記憶公式和套用公式，正是“重結(jié)果輕過程”導(dǎo)致學(xué)生建模能力不足的表現(xiàn)[6].學(xué)生思維容易受到自身思維定勢和問題表象的干擾，不能很好地運用原有認(rèn)知來建構(gòu)模型，無法合理創(chuàng)設(shè)情境，還原物理問題，造成物理模型建構(gòu)過程存在障礙.

3 NOBOOK虛擬實驗在教學(xué)中的應(yīng)用策略

物理模型是對研究對象的高度簡化及概括，在建構(gòu)物理模型的過程中，要根據(jù)不同的問題情境，挖掘出研究對象不同的屬性特點.問題的研究方向不同，抽象形成的模型也有差異.本文對高中物理2019年人教版新教材進(jìn)行整理歸納，在必修1、必修2、必修3、選擇性必修1、選擇性必修2、選擇性必修3中篩選出重要物理模型，并將其劃分為物質(zhì)模型、過程模型、條件模型、相互作用模型等.

3.1 NB物理實驗在物質(zhì)模型建構(gòu)中的應(yīng)用

物質(zhì)模型是根據(jù)研究的問題或情境，抓住事物的主要因素，忽略次要因素，并對事物的主要因素進(jìn)行抽象概括后最終形成的模型，如質(zhì)點、輕木桿、彈簧振子等[5].

以新人教版選擇性必修1第二章“機(jī)械振動”為例，為了研究簡諧運動，我們運用理想化方法，建立彈簧振子模型，并且分別研究豎直彈簧振子和水平彈簧振子在理想條件下的振動.在傳統(tǒng)課堂中，教師講授多以口述和板書為主，偶爾用PPT課件輔助，但PPT課件大多用于展示圖片、概念和習(xí)題，并未有效發(fā)揮其功能[7].新課標(biāo)明確要求學(xué)生“能用恰當(dāng)?shù)奈锢砹棵枋龊喼C運動和機(jī)械波，能說明機(jī)械波的特點，并能解釋生產(chǎn)生活中的有關(guān)現(xiàn)象”，這就要求教師選用合適的信息技術(shù)，幫助學(xué)生建構(gòu)抽象的彈簧振子模型，并學(xué)會用x-t波形、v-t波形、a-t波形和F-t波形圖像定量描述彈簧振子的運動.

在教學(xué)過程中，教師采用演示法、分組實驗法、小組討論法等多種教學(xué)方法，通過生活中的振動實例引入新課，借助NOBOOK平臺建立理想實驗“繪制彈簧振子的振動圖像”，讓學(xué)生觀察，提出猜想和疑問，如圖1所示.

圖1 “繪制彈簧振子的振動圖像”實驗界面

為了突破教學(xué)重難點，讓學(xué)生分組實驗，親自建立彈簧振子振動的x-t波形圖像，通過NOBOOK降低實驗難度和減小實驗誤差，幫助學(xué)生繼續(xù)探討v-t波形、a-t波形和F-t波形圖像，從易到難，由淺入深，有利于學(xué)生得到描述彈簧振子運動狀態(tài)的函數(shù)表達(dá)式，如圖2所示.

圖2 “豎直彈簧振子”實驗界面

通過對圖2中豎直彈簧振子的學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生分組討論水平彈簧振子的運動情況，并改變實驗參數(shù)，勾選對應(yīng)的波形圖像按鈕，定量分析水平彈簧振子的運動，如圖3所示.鼓勵學(xué)生從不同角度對猜想進(jìn)行驗證，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度.

圖3 “水平彈簧振子”實驗界面

3.2 NB物理實驗在過程模型建構(gòu)中的應(yīng)用

過程模型是為了研究復(fù)雜運動過程，根據(jù)研究對象的屬性和需要，將運動過程中的主要因素保留，忽略次要因素，揭示事物本質(zhì)的理想過程，如平拋運動、帶電粒子在磁場中的運動等[5].

以新人教版選擇性必修2第一章“安培力與洛倫茲力”為例，帶電粒子在磁場中的運動問題一直是考試重點，也是教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的難點[8].新課標(biāo)要求學(xué)生“能用洛倫茲力分析帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的圓周運動.了解帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的偏轉(zhuǎn)及其應(yīng)用.了解質(zhì)譜儀和回旋加速器的工作原理”.實際教學(xué)中，教師通常采用播放視頻等方式，直接給學(xué)生“灌輸”儀器的工作原理，更關(guān)注“教的怎樣”而忽視了學(xué)生“學(xué)得怎樣”，本應(yīng)處于主體地位的學(xué)生成了“配角”，使得課堂有“教”無“學(xué)”，學(xué)生對于物理模型的理解處于淺層運行的畸形狀態(tài).而虛擬實驗?zāi)茏屩R可視化，有效增加了教學(xué)的科學(xué)性和探究性，回歸教學(xué)本質(zhì).

圖4是質(zhì)譜儀模型示意圖，師生可通過改變帶電粒子運動速度、磁場大小及方向等參數(shù)，多角度、多維度探究質(zhì)譜儀的工作原理，讓抽象的、看不見的粒子運動得以清晰地展現(xiàn)及操作體驗.

圖4 質(zhì)譜儀模型示意圖

圖5是回旋加速器模型示意圖，虛擬實驗避免了傳統(tǒng)課堂教師“口授”，學(xué)生“假想”的尷尬，通過動態(tài)展示電場方向的周期性變化，幫助學(xué)生理解帶電粒子運動周期與電場方向變化周期的關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生思考和探究，激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，改變了教師“說實驗”“畫實驗”等教學(xué)痛點.

圖5 回旋加速器模型示意圖

3.3 NB物理實驗在條件模型建構(gòu)中的應(yīng)用

條件模型是將研究對象的外部條件進(jìn)行理想化處理后建構(gòu)的完美模型，如恒定電流、光滑平面、恰好分離及相遇等[5].

以勻強(qiáng)磁場模型建構(gòu)為例，勻強(qiáng)磁場是指內(nèi)部磁場強(qiáng)弱和方向處處相同的磁場，它是一個理想化概念，完全均勻的磁場是不存在的.蹄形磁鐵和通電螺線管中的磁場均不是勻強(qiáng)磁場，但是為了方便問題的研究，便將其理想化為勻強(qiáng)磁場.勻強(qiáng)磁場模型的建立，為學(xué)生下一步的科學(xué)推理奠定了基礎(chǔ)，如探究帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運動規(guī)律等[5].

圖6是帶電粒子在電磁場中的運動示意圖，通過改變電場強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度及方向等物理量，學(xué)生可觀察帶電粒子不同的運動軌跡，增強(qiáng)了課堂互動性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

圖6 帶電粒子在電磁場中的運動示意圖

3.4 NB物理實驗在相互作用模型建構(gòu)中的應(yīng)用

相互作用模型是為了對物體間的關(guān)系進(jìn)行定性和定量描述，將系統(tǒng)與外界的相互作用變量表示為系統(tǒng)的狀態(tài)變量函數(shù)，如萬有引力、洛倫茲力等[5].

以新人教版必修第二冊第七章“萬有引力與宇宙航行”為例，本章復(fù)雜的公式計算，均建立在多星系統(tǒng)的物理模型之上[9].虛擬軟件可以動態(tài)展示多星運轉(zhuǎn)情況，讓學(xué)生不再去憑空假想模型.

圖7是萬有引力三星系統(tǒng)簡化圖，其中邊長L的長度可隨意設(shè)置，模型可動態(tài)旋轉(zhuǎn)，化繁為簡，幫助學(xué)生理解復(fù)雜的天體運動.

圖7 萬有引力三星系統(tǒng)簡化圖

4 教學(xué)實踐效果反饋

為了檢驗NOBOOK虛擬實驗等極簡技術(shù)在物理模型建構(gòu)教學(xué)中的影響，筆者采用問卷調(diào)查和對比研究的方法，將高二(2)班和高二(7)班兩個物理成績水平大致相同的班級作為實驗對象，其中高二(2)班作為實驗組，教學(xué)主線以物理模型為中心展開，課堂組織形式為教師引導(dǎo)和學(xué)生討論，借助NOBOOK虛擬實驗設(shè)計教學(xué)流程，引導(dǎo)學(xué)生合作探究物理模型.高二(7)班作為對照組，教學(xué)主線以系統(tǒng)化講解知識為主，課堂組織形式為教師講解和學(xué)生練習(xí)，教師按部就班地進(jìn)行知識的講解，然后學(xué)生習(xí)題訓(xùn)練.教學(xué)實踐為期一個月左右，直到完成本章教學(xué)內(nèi)容.通過問卷調(diào)查和月考成績，考查學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，進(jìn)行班級間對比分析.

對比發(fā)現(xiàn)，在物理月考成績分析中，高二(2)班與高二(7)班的優(yōu)秀率大致相同，但高二(2)班的合格率明顯優(yōu)于高二(7)班，且通過統(tǒng)計調(diào)查問卷結(jié)果，發(fā)現(xiàn)高二(2)班的學(xué)生對物理課堂的興趣更高了，更愿意在課堂參與師生互動和人機(jī)互動，表現(xiàn)出更強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)情緒.通過對教師的交流采訪，教師表示“借助NOBOOK虛擬實驗，課堂形式更輕松，傳統(tǒng)的做題講題是比較枯燥的，老師和學(xué)生都沒有太大興趣，現(xiàn)有的視頻教學(xué)，動畫效果和交互性也差一些”.利用NOBOOK虛擬實驗，教師們很快就能熟練掌握操作，并運用到自己的課堂教學(xué)中，極大地為教師減負(fù)，讓教學(xué)更簡單.

5 結(jié)束語

極簡教育技術(shù)理念是教育信息化進(jìn)程中的新思路，傳統(tǒng)課堂向極簡課堂進(jìn)行轉(zhuǎn)變，可“簡”教師的工作量和學(xué)生的吸收難度，提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量，讓教育教學(xué)更加輕松、高效.NOBOOK虛擬實驗改變傳統(tǒng)教與學(xué)的模式，在建構(gòu)物理模型的教學(xué)實踐中，提高了教師備課效率和學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，讓教師樂教，學(xué)生樂學(xué)，易用、好用、管用.極簡教育技術(shù)理念視角下的物理課堂設(shè)計，如何完善和發(fā)展，極簡技術(shù)與物理學(xué)科的融合，如何揚長避短，是每一位教育工作者值得深思的問題.