國外信息技術與物理課程整合的案例分析

李美瑩

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

信息技術主要指計算機技術和網絡技術，當前信息技術普及過程中的一個熱點問題是信息技術與學科課程的整合.信息技術與課程的整合并非其與課程的簡單相加，而是指在先進的教育思想、理論指導下，利用信息技術構建一個全新的教學環境，使各種教學資源、教學環節、教學要素經過整理，相互融合，在整體優化的基礎上產生聚集效應，以促進學生的自主學習，達到培養學生創新精神和實踐精神的目標[1].

信息技術應用于教育中的目的是促進學習者學習，將其與物理課程整合可以創造理想的教學環境.我國由于受傳統教育模式影響較深，技術建設的起步較晚，在信息技術與物理課程整合的實踐中存在一些問題：信息化教育理念未能體現在教學實踐中；信息手段單一，與教學過程結合生硬；課程設計缺乏創造性等.而早在20世紀90年代，國際上就強調了信息技術與課程的整合.國際上多種多樣的信息技術手段、豐富且有創意的教學形式、真正突出以學生為主體、以及注重教學理論與認知心理學的指導等優點值得我們借鑒.我們可以在結合我國實際的基礎上，借鑒國外信息技術與物理課程整合案例的成功之處，使我國信息技術與物理課程的整合發展得更和諧、高效.

本文介紹了3個來自澳大利亞和美國物理課程整合的案例.這些案例所應用的信息手段不盡相同，分別為物理學習網站、交互幾何軟件和物理教育游戲.希望通過分析這些案例，對物理課程的教學設計有所啟發.

1 通過網絡學習的物理教學

1.1 提出背景

在Angell等人進行的大規模研究中，學生和老師反映只運用“粉筆”和“談話”的物理教學過程是無趣的，更傾向參與有學生活動、有交互和討論機會的物理課堂.教學方法的不足導致了學生提出迫切需要以學生為中心的教學法.第二代網頁設計工具Web2.0使得用戶可以作為生產者和消費者積極參與，導致新型公開參與學習系統的出現.Web2.0可讓教育者基于現有教學模式創建學習網站.因此研究者借鑒認知學徒教學法開發了一個物理學習網站，在混合學習環境(使用在線和面對面的教學法提供課程內容)中實施[2].

1.2 物理學習網站Getsmart

(1)認知學徒教學法

物理學習網站Getsmart學習對象為澳大利亞的高二學生(16～17歲)，教授內容為電子和原子.學習活動是基于認知學徒教學方法設計的.在認知學徒教學模式中，課堂被設計成具有積極作用的學習環境，學習者接觸各種能系統地鼓勵學生獨立探索的方式.教師在過程中提供腳手架，淡化在過程中對學生的控制.認知學徒教學法還指出，學習活動應具有不同的困難等級，使得學生可以與同伴合作尋找解決問題的方案.它的一個關鍵之處在于將學習活動分為幾個部分，使學生容易理解.在設計層面上，Getsmart的學習活動包括鼓勵團體合作、為學生提供一系列的學習任務、提供學習反饋、組織活動表達知識的獲取過程.

(2)認知學徒教學法嵌入Getsmart

在以上理論的指導下，研究者開發了基于Web的課程、測試、聊天系統和一系列的交互活動.其中一些學習活動還與其他一系列相關網站建立了連接.表1表明了認知學徒教學框架中的每種教學方法是如何嵌入到Getsmart學習網站中的.如支架式教學通過電子郵件、測驗、在線聊天和超鏈接的使用發生.所有用戶都分配了唯一的用戶名和密碼，允許他們全天候訪問網站.

表1 認知學徒教學方法及其在Getsmart中的應用

1.3 結果分析

研究對象分為實驗組和對照組，實驗組先在正常課室內接受5個課時教學，隨后的1個課時在電腦室中進行來鞏固學習，學生在期間可以在學校或家中隨時訪問Getsmart網站.對照組也經歷了6個課時，但沒有接觸Getsmart學習網站，只提供常規作業來加強學習.對比科學知識、科學過程和復雜推理能力3個方面干預前后的測試結果來檢測網站對學習成果的影響.結果表明，基于網站的學習對這3方面均有積極的影響，但效果最顯著的表現在科學知識和復雜推理能力上.可以看出，基于網絡的學習確實對學習實踐和成果有積極的影響.但現實生活中的學習環境可以受到一系列因素的影響，這些因素不能分開單獨對待，須尋求教育框架對網絡學習進行整體設計.

2 基于計算機任務的科學發現學習

2.1 提出背景

學生可以通過經歷科學發現學習過程來學習科學原理.在這個過程中，他們進行實驗來發現科學原理的基本規則.學習者通常在預定的學習環境中進行實驗，計算機模擬可用作科學發現學習的學習環境.在學習之前，學生常持有與科學事實不符合或相沖突的觀念，也就是我們所說的“前概念”.基于此，研究者引入了一個框架來描述科學發現學習中科學概念的發展過程——三空間學習理論，并根據這個理論開發了一款交互幾何軟件[3].首先測量學生在學習之前有關“力矩”的前概念，后通過計算機任務學習完成對“扭矩”概念的轉變.

2.2 交互幾何軟件Cinderalla的設計

(1)科學概念發展的框架

科學發現學習與真實的科學發現有相似性，研究者引入“三空間理論”來解釋科學發現學習.三空間理論包含3個部分：模型空間、假設空間和實驗空間.模型空間包含給定的學習任務和學習者當前的概念模型.假設空間包括關于當前任務陳述的可能假設.實驗空間為可能運行的實驗.模型空間對假設空間有約束作用，學習者學習前先入為主的概念、誤解存在于模型空間，并確定在科學發現學習開始前的假設.而實驗的檢驗導致接受或拒絕假設，又可導致模型空間的運動，從假設檢驗獲得的信息可豐富或完善學習領域的模型.

(2)評估學生的扭矩模型

基于科學發現學習的三空間理論，研究者開發了模型測試來評估學生在物理學“力矩”領域的前概念.模型測試設計在交互幾何軟件Cinderalla的開始部分，不是為了評估定義、公式或計算相關的知識，而是評估對力矩工作原理的理解，通過視覺材料呈現的多選模式來測量學生的力矩模型.學生觀察杠桿系統的圖片，比較圖片左右兩邊杠桿系統的力矩大小，并要求學生預測當杠桿參數改變時如何使杠桿平衡.測試共有19道選擇題，分為7組，分別對應力矩不同方面的知識.如針對平行四邊形的計算能力、力與力臂的比率、不同形狀或彎曲度的杠桿對杠桿效應的影響等.

(3)交互幾何軟件Cinderalla

軟件的使用對象為九年級未正式接觸力矩的學生.學生可以操縱杠桿和力，如增加或減少杠桿的長度和力的大小，以保持杠桿的平衡.軟件提供了有關該模擬原理的文本解釋，每個模擬都伴有相應的指導問題來引導學生操作.軟件從幾何角度介紹了力矩，強調力矩可等效為由力和力臂組成的平行四邊形面積，用紅色區域表示出來，隨學生操作而改變.圖1為模擬示例.軟件共包含10個模擬，分為4個單元，具體如下：

單元1：模擬1～2，可了解杠桿的基本術語、測試杠桿原理，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杠桿，來使學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.使學生了解面積不變力矩就不會改變這個屬性.

單元4：模擬8～10，以傾斜卡車為例進行練習.

圖1 模擬7

2.3 結果分析

當學生在使用軟件時，計算機日志文件記錄了每個模擬的使用情況，包括使用秒數、點擊次數.在研究中，學生有35 min的時間參與科學發現學習任務，其中包括4次模擬測試.第一次測試為開始前的前概念測試，研究發現，學生存在較嚴重的誤解為認為彎曲度對杠桿效應至關重要.剩下的3次測試分別在完成單元2,3,4后，用于跟蹤學生在使用軟件過程中力矩概念的模型轉化情況.結果顯示，學生成績的突變點在測試2中，說明軟件確實對學生概念模型的轉化有積極的作用，并且發生在早期.

3 基于概念整合的物理教育游戲

3.1 理論基礎

許多研究表明游戲具有促進學習的潛力，可以最佳觸發學生的學習動機，幫助科學概念的理解和提升技能.但許多商業物理游戲僅限于為學生提供對物理概念的感性認識，沒有幫助學生理解正式的物理知識和規律.研究者認為基于游戲的學習需要腳手架的支持，以便學生將游戲與學校環境中正式的知識相聯系.這樣的游戲Clark等人稱之為概念整合游戲.概念整合游戲與學習模擬之間具有緊密的結構關系，可以使學生在游戲中將更多的注意力集中于科學知識和過程，而其余交互活動如移動和探索游戲世界等作為活動的背景.若在適當的課程和教學中使用可以促進學生模型推理、系統思考和建立科學概念的能力.基于此，研究者開發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的游戲，旨在支持牛頓運動定律的學習.圖2是SURGE的游戲截圖.學生扮演名為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負責引導玩家操作，幫助支撐在游戲中獲得的物理概念(圖2中c).學生使用鍵盤上的方向鍵施加脈沖力或恒力，控制飛船繞過障礙物.屏幕下方顯示了飛船當前的速度、所施加沖力數量、時間和碰撞次數等信息(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).一些關卡還設置了特定運動區域，學生按提示控制飛船速度恒定、加速或減速方可通過(圖2中f).

圖2 SURGE游戲截圖

SURGE作為一款概念整合游戲體現在以下幾點：(1)以流行的游戲機制顯示關鍵的物理表征，包括速度矢量和運動軌跡；(2)每個關卡涉及與物理概念直接相關的具體挑戰，要完成這些挑戰，學生需要學習和應用與力學相關的許多原理，例如速度、加速度、向量加法、慣性、力、重力、自由落體、質量；(3)每個關卡挑戰突出一個或兩個主題，并允許學生將概念連接起來探索不同主題之間的聯系；(4)將物理學思想和術語整合到游戲故事、反饋界面和游戲關卡中；(5)將基礎多媒體原則體現在游戲界面設計中，減少玩家不必要的認知負荷.

3.3 結果分析

為了檢測學習效果，研究者設計了12道選擇題作為測試題目.關注學習者使用游戲前后對相關力學概念理解的差異.測驗卷題目是基于力學概念庫(FCI)[5]所編制的，FCI是國際物理教育界公認的檢測中學生對牛頓力學基本概念理解的最佳方案之一.結果表明，在考慮總分時，12項測試的前測和后測成績有明顯差異，學生學習效果顯著.具體層面上說，SURGE游戲支持學生對力學概念庫一些核心概念的學習.總之，游戲可以通過將科學概念和游戲機制整合的方式來教授科學知識，但是這需要非常仔細的設計，需要提供腳手架或引導信號來將知識與游戲相連接.

4 結束語

本文所分析的3個案例為促進學生物理學習提供了新方式，但也存在一定的局限性.由于我國的物理課程形式和國外存在差異，以上提出的國外案例應用到我國課程中時應注意符合課程目標和內容.另一方面，信息技術與物理課程的整合需要學校提供設備資源，教師也需掌握一定的相關技術，應加大學校的資源建設，并加強對教師信息技術的培訓.

參 考 文 獻

1 沈俊妮.美國信息技術與物理課程整合案例的研究與借鑒:[學位論文].南京：南京師范大學,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

5 Hestenes, D., Wells, M., & Swackhamer, G. Force concept inventory. The Physics Teacher, 1992, 30, 141～158