基于計算機建模的中學物理教學

李凌云　李秀彬　張維軍

基于計算機的建模學習是促進學生科學概念轉變的重要途徑。基于學生浮力前概念的探查，本文從學習者分析、教學目標的設計、教學策略、教學評價、教學過程五個方面闡述了基于計算機建模教學的初中物理浮力的教學設計。

建模學習 概念轉變 浮力 教學設計

兒童由于受到日常生活經驗、事物表面特征、知識與文化背景、同伴文化等影響，容易形成與科學理解相悖的前概念，人們稱之為迷思概念。根據認知心理學的研究，概念轉變的心理模型建構過程包含四個階段的循環：激活原有心理模型中迷思概念；對模型中的元素產生不滿（產生認知沖突）；創建新模型，學生審查和修改該模型的元素，或重建新模型；使用新模型。基于計算機的建模教學具有創設認知沖突情境、促進學生及時反饋與遷移等作用，通過模型建構、模型評價、模型修改，促進學生科學概念的理解與鞏固。

由于受到迷思概念的影響，初中學生對浮力知識的學習困難較多。在浮力教學之前，教師采用紙筆測試、訪談等方式對初二學生的浮力前概念進行了探查。在浮力教學中，采用實驗、多媒體課件創設了學習情境，讓學生產生認知沖突。最后采用支持對話與協作、促進及時反饋的策略，設計了兩課時的基于計算機建模教學的練習課。

一、學習者分析

學習者分析的目的是為了了解學習者的學習準備情況，為學習目標的闡明、教學策略的選用、教學活動的設計提供依據，從而使教學真正促進學習者智力和能力的發展。

初二學生有著強烈的好奇心，喜歡體驗和感受新的東西，對問題有自己的看法，喜歡發表自己的見解。他們的邏輯思維逐漸發展，可以進行部分知識的自學，對新知識有判斷的能力。在學習浮力概念之前，他們已經學習過了重力、二力平衡、牛頓第一運動定律等相關概念。在前期進行的前概念的探查中，發現學生對物體漂浮、懸浮的原因，浮力大小的比較等均存在不同程度的迷思概念。此外，學習者已經在課外進行了EJS軟件的學習，掌握了模型建構的步驟，已經能利用該軟件創建簡單的模型和模擬動畫，已經具備了進行建模學習的初步能力。

二、教學目標的設計

根據新課標的要求，我們將這節浮力練習課的教學目標設計為：

第一，學會通過比較物體浮力和重力的關系判斷物體的浮沉情況，通過比較物體密度與液體密度的關系判斷物體的浮沉情況。

第二，掌握建模學習的方法。通過計算機模型建構軟件EJS構建物體在液體中的浮沉情況模型。

第三，通過組內對話與合作，完善構建的模型，提升交流與合作學習的能力。

第四，學會模型評價。通過模型評價與分享，思維碰撞，在質疑、反思、交流、分享中進步。

三、教學策略的設計

本課是在浮力教學單元的后期，是一個練習課。根據教學目標，教師選擇了基于計算機的建模教學的策略。模型（models）與建模（modeling）方法在科學學習中具有重要作用。模型是對現實世界的一種簡化再現[1]。模型是學生對于科學現象認識的外在呈現。模型建構、測試和修改的過程被稱之為建模。最早提出物理建模教學的是大衛·赫斯頓斯，目前建模教學被廣泛運用于物理、化學、生物等課程的教學中。建模是一種建構主義色彩的學習方式。在模型建構中，學習者根據先前的知識經驗，使用所給的工具探究當前的情境，構建對當前情境的理解，并將自己的這種理解表達出來。正是因為建模學習的建構性質，使其在當前的科學學習中備受關注。

計算機為學生進行建模學習提供了可能。現有的計算機模型建構軟件能非常方便地為學習者創建動態的、交互的科學模擬過程。EJS（Easy Java Simulation）作為一款計算機建模學習的軟件，它提供了一個簡化的“模型-控制-顯示界面”模式幫助使用者創建模擬的步驟。通過計算機建模軟件EJS能很容易地將學習者認知結構中的浮力概念以及相關知識可視化。

本課中的建模教學包含模型建構、模型評價以及模型修改三個過程，學生采用自主學習、小組合作學習、案例分析、討論交流、分享與匯報等方式進行學習。

四、教學評價的設計

教學評價能對教學實施起到監控和調節的作用。在本課活動中，采用多元化評價體系，評價主體不再僅僅是教師，學習者自身、小組同伴、其他組成員都是建模教學中評價的主體。評價方法包含了定量與定性評價、自我評價與他人評價、形成性評價等方式。如對于學習者構建模型的有效性，教師參考了張寶輝等人制定的模型評價標準[2]，從重點和結構、準確性、完整性以及功能性四個方面進行定量評價。此外，教師和學生還可以對模型進行描述性評價，指出模型建構中存在的問題。學習者自身也可以在組內模型評價過程中，通過比較別人的模型、自身的感悟進行自評。此外，由于評價的內容不僅僅是模型建構本身，還包含對模型評價的評價以及對于模型修改的評價。

五、教學活動的設計

1.創設問題情境，設疑引思

教師通過創設問題情境，拋出一個一定體積的木塊分別浸沒在水中和酒精中的沉浮狀態這一問題，讓學生基于這一問題進行探究。學生已經學習了EJS建模軟件以及浮力的相關知識，樂于運用已有的知識技能去解決這一問題。

2.進行模型建構，自主探究

6人為一個學習小組。學生在規定的時間內，利用建模軟件進行自主探究。小組內可以討論、協商。這個過程就是學生利用建模工具實現認知結構中的浮力概念可視化的過程。

3.進行模型評價，組內交流

學生自主完成模型建構之后，將模型上傳到ftp中。小組內進行模型分享與評價。組內成員對建構的每一個模型進行評價，從不同的方面闡述自己對模型的看法。學生在小組內分享評價結果，并做好評價與討論的記錄。在這一過程中，學生看到他人建構的模型與自身建構的模型不同，會引發認知沖突，激起他們對自身持有的浮力觀念的爭論、辯護與質疑。這種可能發生的認知沖突是發生在兒童同伴群體之間，Champagne等人針對這一類型的認知沖突，認為“對話”是非常適合的概念轉變策略。

4.典型案例點評，全班分享

教師根據各組上傳的模型，挑選出典型的模型進行全班評價。各組成員在組內已經進行了模型評價，因而對于典型模型案例的分析能更加全面而具體。最后，教師進行點評。教師的點評是引入科學概念的過程，是在前面同伴間發生認知沖突的基礎之上，因而教師對于模型的評價與學生同伴之間的評價進行了類比，這個過程也是學生摒棄原有的迷思概念，進一步理解與接受科學概念的重要環節之一。此外，教師還應該引導學生思考建模的要點、建模學習的方法以及注意事項。

5.進行模型修改，反思升華

每一位同學經過組內模型評價、全班典型案例分析之后，能對自身認知結構中浮力的概念形成更具體、深入的科學理解，對建模學習本身形成更多的認識。此時，學生對原有的模型進行修改與完善，在建模的過程中進一步鞏固浮力知識。

參考文獻

[1] 劉儒德.建模：一種有效的建構性學習方式[J].心理科學進展，2003（1）.

[2] 張寶輝，張金磊，黃龍翔.計算機建模在教學評價中的應用研究[J].中國電化教育，2013（4）.

【責任編輯 孫曉雯】