信息化工具在探究協作混合模式下的應用

吳榮華 周萍

摘 要：結合信息化技術進行科學探究、交流合作是新課標對實驗教學提出的新要求，本研究根據2D實拍視頻和3D虛擬實驗室的特征，將信息化工具融合在探究學習和協作學習形成的探究協作混合模式中，并通過具體的案例對信息化工具在混合模式下的應用進行了驗證，同時對教學效果進行了分析，以求找到一種融合信息化工具的新模式，能夠讓物理實驗課堂更具有趣味性、開放性，提升學生的自主性，更好地體現信息工具的價值.

關鍵詞：虛擬實驗室;實拍視頻;探究學習;合作學習;教學應用

文章編號：1008-4134（2019）22-0024 中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B

2011年及2017年分別頒布的《義務教育物理課程標準（2011版）》《普通高中物理課程標準》中，科學探究、合作學習、探究能力和探究方法等成為關鍵詞，對教育工作者提出了新的要求：創新教學模式、教學方法，以實現學生“主動參與、樂于探究、交流合作”.在信息化時代，新技術層出不窮，在教學中應用新興技術，一是對學生信息技術觀念、素養的培養;二是主動將信息技術請進課堂，讓技術服務于教學，服務于師生.

本研究將做兩個方面的嘗試：首先，嘗試將探究學習、協作學習這兩個教學模式引入實驗課堂，探索其與實驗教學結合的效果;其次，在教學模式創新的基礎上融合虛擬實驗室（3D技術）和物理實拍視頻，試圖讓物理課堂更具有交互性、趣味性.

1 信息化工具介紹

1.1 101LAB—3D虛擬實驗室

101LAB—3D虛擬實驗室是一款利用計算機，通過3D仿真實驗器材和虛擬實驗環境組成的交互式數字實驗平臺， 是為 K12教師和學生打造的實驗教學、開放設計和自主探究的3D虛擬實驗平臺.虛擬實驗室主要是用于輔助實驗教學，解決實物實驗及實拍視頻實驗的痛點，呈現實驗現象、解析實驗本質，簡化實驗備授課工作，方便課堂實驗演示和講解，提升教學效率和教學質量的信息化工具.國內外學者認為虛擬實驗室能快速幫助學習者遷移知識技能，促進學生的操作技能[1]，在提升學生的科學探究能力（實驗操作能力）、學科成績、學習興趣上有積極作用[2].與傳統實物實驗相比，虛擬實驗室具有安全性、經濟性、互動性、自主性和效率性等優點，同時也存在非真實性、科學非嚴謹性等缺點[3].

1.2 實拍實驗視頻

實拍實驗視頻指的是實拍的實物實驗視頻.在快手和抖音等短視頻受到歡迎的當今時代，實拍實驗視頻將實驗教學與多媒體相結合，能夠起到良好的提升學生學習興趣的作用.它既可以幫助學生增加知識的儲備，又能夠在實驗教學中幫助學生把握正確的實驗步驟，完成實驗操作.另一方面，實拍實驗視頻作為一種教學資源，既可以在課前作為學生的預習材料，同時也可以在課中幫助學生完成知識的內化.需要指出的是，針對實拍實驗視頻，其評價方案應該與視頻本身的操作內容緊密結合.即，要判斷實拍實驗視頻是否發揮了其在實驗操作方面的引導作用，應該著重看實驗操作的過程情況及與實驗相關的測驗成績[4].

2 基礎教學模式

2.1 協作學習

關于協作學習的定義學術界從教學角度和學習角度分別得出了不同的定義.本文從教學策略和學習環境塑造的角度認為，協作學習應當是能夠建構“合作”氛圍的教學策略.其根本目的在于，讓學生在彼此的合作之中達成共同目標，并能夠以小組成員的共同成績作為小組獎勵的依據;同時，基于合作學習過程中會出現學生之間的社會交往，認可合作學習的同時也為學生提供了信任、平等、公正的學習氛圍和環境.

而在建設合作小組過程中最為重要的是能夠促使其五個最關鍵要素的生成[5].包括：（1）積極的互賴，每個人承擔不同的角色，并認識到“榮辱與共”的概念;（2）面對面的、有效的互動，學生可以在組內分享個人觀點、情感體驗，培養自信心、歸屬感;（3）個人職責，每個人在小組中都承擔相應的角色;（4）社交技巧，學生需要掌握領導力、決策制定、信任建立、交流和沖突管理的技巧;（5）小組加工（group processing），詳細闡明和提高成員間合作的有效性，從而做到組員能夠努力為合作學習做出貢獻.

2.2 探究學習

探究學習最早提出是教育家為了讓學生通過體驗真實的科學家的實際工作來培養學生對科學本質的理解，并掌握科學研究方法和理念的一種教學模式，該定義來源于NSTA，強調對學生科學研究方法的培養.目前大部分教學案例都集中在科學類教育上.但需要注意的是，有文獻顯示，當前也存在部分教師將其應用于英文學習、語文古詩詞探究、歷史學習等文科學科上.可見，開放式探究教學模式并非僅僅適用于科學教育.從理念上來說，只要需要學生發揮科學的探究精神，就可鼓勵和嘗試使用該方法進行學科教學.

國內外對于探究學習究竟應該包含哪些要素分別做過闡釋.例如美國國家科學協會的科學教育指導性文件《Inquiry and the National Science Education Standards： A Guide for Teaching and Learning》及Margus Pedaste等人的《Phases of inquiry-based learning-Definitions and the inquiry cycle》中均提到科學探究的主要要素[6].本文為了分析方便，借用《義務教育物理課程標準（2011版）》中對科學探究的要素的概括，包括以下7要素：提出問題、猜想與假設、制定計劃與設計實驗、進行實驗與收集證據、分析與論證、評估和交流與合作[7].

3 融合信息化的探究協作混合模式

基于對虛擬實驗室進入教學的認可，有學者提出虛擬實驗室的教學模式.總體來說主要是“虛實結合”和“只做虛擬”兩種.著重介紹所謂“虛實結合”細分有先實后虛和先虛后實.前者主要幫助學生鞏固實驗訓練，后者則是為了降低真實實驗中的錯誤可能引發的危險[8].

在此根據協作學習及探究學習模式的教學流程和特點，結合虛擬實驗室和實拍實驗視頻的特征，將虛擬實驗室與探究學習相融合，以實拍實驗視頻作為學生合作實驗的材料，去探索在實驗課堂中的新技術、新模式間的融合情況.觀察在一個相對開放、學生自主性更高、合作性質更強的課堂環境下，學生的課堂表現、實驗操作技能等會有怎樣的變化.形成結合虛擬實驗室和實拍實驗視頻的探究協作混合模式，其基本思路是虛實結合、探究合作相融合.具體的流程如圖1所示：

該模式的主要特點主要有兩個：首先，虛實結合，主要強調的是實物實驗為主，因為這是實驗的基礎.而虛擬實驗則可以作為拓展部分，加入更多可能性和驗證空間，為學生建立一個良好的探究實驗平臺;其次，是將實驗與探究合作模式結合.多數探究活動也是以小組為單位開展.因為探究活動本身的難度和特性決定了個人可能難以完成任務.因此將探究合作結合主要是為了強調合作交流和探究精神.

4 案例應用

本案根據探究協作混合模式的流程，以人教版初中物理九年級下冊“測量小燈泡的電功率”為例，把虛擬實驗室、實拍實驗及101教育PPT的互動工具融入設計中，打造教育和技術相融合的互動課堂，對結合虛擬實驗室和實拍實驗視頻的探究協作混合模式的應用進行探究.通過本節實驗探究既可以鞏固有關電功率的知識，熟練儀器的使用;又能讓學生從操作中更清楚地了解電壓對電功率的制約關系，學會區分額定功率和實際功率.

4.1 課程簡介

“測量小燈泡的電功率”是在學生學習了“電功率”之后的教學，學生對公式P=UI已有初步的認識，此節課是一節實驗探究課.本節實驗課同時使用電流表、電壓表、滑動變阻器進行定量測量，是對電學知識的綜合運用.通過虛擬實驗室顆粒比較兩盞額定功率不同的燈泡亮暗，引出亮暗與額定功率無關的情景，設計實驗方案來測量小燈泡的實際功率與亮暗的關系，并通過實物實驗對設計的方案進行驗證，觀察實驗現象、收集實驗數據并分析，得出燈泡的亮暗取決于實際電功率，實際電功率越大燈泡越亮的規律，再通過虛擬實驗室顆粒進行實驗探究，得出最適合的滑動變阻器為待測電阻的2-5倍，最后使用虛擬實驗室顆粒模擬家庭電路（電吹風）電功率的測定，對物理知識進行生活化的拓展延伸.通過本節實驗探究既可以鞏固有關電功率的知識，熟練相關儀器的使用;又能讓學生從操作中更清楚地了解電壓對電功率的制約關系，學會區分額定電功率和實際電功率，得出燈泡的亮暗與實際電功率有關的物理規律.創新性的開展了虛擬實驗室和實拍實驗視頻與實物實驗相融合的探究協作的講授模式，通過虛擬實驗室延伸了實物實驗現象的呈現及驗證功能，利用虛擬實驗室的開放性，為學生提供了更多的實驗探究機會，培養了學生的創造性思維和創新能力，拓展了課堂的探究空間，是一節融合了虛擬實驗室和實拍實驗的探究協作的混合實驗教學模式.

4.2 教學目標及重難點

教學目標：（1）會用電流表和電壓表測量小燈泡的（額定）電功率，練習使用滑動變阻器;（2）通過實驗情景發現小燈泡的電功率隨它兩端電壓的改變而改變，并探究掌握其變化規律，體驗小燈泡（用電器）在不同功率下的工作狀態，加深理解額定功率和實際功率;（3）通過設計“測量小燈泡電功率”的實驗方案進行探究，體驗尋找、歸納、提煉課程相關要素的整合點的學習方法;（4）通過學習過程中的討論與交流，培養學生合作學習意識和態度.重點：（1）用伏安法測量小燈泡的額定（實際）功率;（2）提升學生科學探究的能力.難點：（1）對額定功率、實際功率的理解;（2）設計實驗及實驗數據的分析從中得出物理規律.

4.3 教學實施

4.3.1 問題情境導入

利用虛擬實驗室隨機選擇不同功率（3V、0.9W，3V、10W）的2個燈泡，通過并聯和串聯的方式連接在同一電源兩端，分別觀察燈泡的亮暗，引出燈光的亮暗與額定功率無關的實驗情景.具體方案如圖2所示.通過虛擬實驗室可以靈活地實現對不同隨機實驗方案的對比，并通過實驗現象，引發學生認知上的沖突，讓學生帶著疑問來進行實驗探究，幫助學生復習相關舊知，引發學生的學習興趣.引出新的課題，怎樣測量小燈泡的實際功率與亮暗的關系.

4.3.2 實物實驗協作探究

（1）實驗方案設計

學生已經具有電功率公式P=UI的知識基礎，知道通過測量電壓和電流來計算電功率，為了測量小燈泡的實際功率與亮暗的關系，讓學生分小組進行交流討論，提出假設測量一次燈泡的電壓及電流大小，各小組設計出對應的實驗設計方案，如圖3所示，電路圖不帶滑動變阻器，教師對學生的實驗方案進行拍照上傳到白板，進行分析討論優化設計方案，引導學生收集相關信息，得出結論，為了保護電路、使實驗的結論更具有普遍性，需要測量多組實驗數據，并且增加滑動變阻器改進電路圖，如圖4所示. 通過設計實驗方案并對方案進行優化，讓學生明確實驗方案探究流程，培養學生科學探究思維及習慣，通過學生運用舊知來解決新問題，從而降低了本實驗方案的難度，使學生體驗到成就感的同時，保證了課堂的正常進行.

（2）實物實驗驗證

分小組進行實物實驗操作前，安排每小組先通過電腦觀看“測量小燈泡的電功率”的實驗實拍視頻，如圖5所示，再按實驗設計方案進行實物實驗操作，觀察實驗現象、收集并記錄實驗數據，教師利用手機拍攝典型學生實物操作視頻，進行全班共享，并對視頻進行針對性的講解，讓學生在發現問題的同時解決問題并深化認知.通過觀看實驗實拍視頻，不僅讓學生熟悉了實驗操作步驟、明確實驗注意事項，同時實拍視頻也為學生的實驗操作提供支架指導，避免學生在無教師巡場的情況下得不到及時反饋.通過小組合作的方式，提高了學生學習能力和效率，增進同學間的感情交流，改善他們的人際關系，促進學生間在學習上的互相幫助、共同提高，體現學生主體觀的新理念.

（3）分析論證、得出結論

呈現不同小組的實驗數據，師生一起針對數據進行討論，并讓學生進行數據分析總結得出：①U實U額時P實>P額，燈泡較亮容易燒毀.得出結論：燈泡的亮暗取決于實際電功率，實際電功率越大，燈泡越亮.通過實驗驗證并進行實驗數據分析，讓學生形成基于證據推理的學科實驗素養.

4.3.3 拓展探究

提出問題，實驗驗證中，若有不同阻值的滑動變阻器（20、50、500歐），應如何選取滑動變阻器，引發學生的思考.學生根據滑動變阻器的作用的原有知識進行猜想，并提出實驗設計方案，依次替換3個滑動變阻器實驗，并測定不同變阻器時的電表讀數.利用虛擬實驗室（測量小燈泡的電功率）分小組對實驗方案進行模擬探究，觀察實驗現象、收集實驗數據并記錄，小組學生針對實驗數據進行分析，師生針對數據進行討論，得出結論，為了便于調節，不宜使用過大或過小的滑動變阻器，最適合的為待測電阻的2～5倍.使用虛擬實驗室靈活地替換不同阻值的滑動變阻器（如圖6所示），節省了實驗操作的時間，提升了課堂的效率，通過實驗探究，讓學生形成實驗探究意識，能在學習和日常生活中發現問題、提出合理猜測與假設;提升設計實驗探究方案和獲取證據的能力，能正確實施實驗探究方案，使用各種科技手段和方法收集信息;提升分析論證的能力，會使用各種方法和手段分析、處理信息，描述、解釋實驗探究結果和變化趨勢;提升合作與交流的意愿與能力，能準確表述、評估和反思實驗探究過程與結果.

4.3.4 拓展延伸

學生已經學會了如何測量小燈泡的電功率，但是對于生活中使用的用電器的電功率測定還存在疑惑，課堂上不方便直接測定生活用電器的功率，這里使用虛擬實驗室顆粒（測量電吹風電功率），利用電能表測量用電器的電功率來模擬家庭電路電功率的測定實驗（如圖7所示），通過虛擬實驗室進行實驗的拓展延伸，擴充了學生的知識量，激發學生的學習興趣，提高學生的思維能力，培養學生的自學能力.

4.3.5 課堂總結

最后進行課堂小結，總結得出，測量電功率的原理P=UI或P=W/t，燈泡的亮暗與實際電功率有關的規律，通過總結，幫助學生總結重點，理清脈絡、鞏固知識、發展興趣.

5 教學效果分析

通過對課堂進行錄像，并運用實驗操作技能量表、實驗行為觀察表、小組互動觀察表、調查問卷等方式，對實拍實驗視頻及虛擬實驗室分別對學生實驗操作的影響、探究過程中小組合作互動情況等課堂效果進行了相關數據收集分析.

實拍實驗視頻對實驗操作技能有正向作用，但在學生實驗習慣方面尚需長期培養;實拍實驗視頻能促進組內外互動合作，促進了組內成員的參與度.總體來說，實拍實驗視頻與協作學習模式不論是在教學效果還是課堂表現上都較為出色，但也要關注到，將實拍視頻作為引導材料加入小組協作學習中時，教師在學生觀看實拍實驗視頻時不僅是一個提醒者角色，同時也是一個引導者，需要盡量結合視頻內容提問、追問學生，使實拍實驗視頻真正起到引導實驗的作用.

虛擬實驗給學生提供了開放的驗證空間，虛擬實驗室與探究學習存在結合的合理性，但教師的“支架”作用會直接影響虛擬實驗室其自身價值的發揮.過多或過少的發揮“支架”都會對虛擬探究結果產生負面影響，教師需要關注實驗探究過程的引導和知識把握.從功能性上來說，虛擬實驗室能夠承擔探究學習對開放性、自主性的需求.從學生角度來說，學生問卷調查顯示他們對虛擬實驗室提升學習興趣、課堂體驗和學習效果方面的認同度較高，同時也希望能把這種信息化和教學相結合的模式遷移到其它學科課程中，這些都是對信息化（虛擬實驗室、實拍實驗視頻）在探究協作混合模式中使用的肯定.

6 總結與反思

實拍視頻和虛擬實驗在探究協作混合模式下的應用從數據層面具有相對良好的表現，尤其是實拍視頻對學生的操作技能和互動質量的提升上.實拍視頻為合作小組提供了自主學習的指導材料，提高組內互動質量的同時有效幫助學生清晰實驗操作步驟、實驗注意事項，引發更多操作上的思考和交流，從而使得生生間的互動提高.而虛擬實驗室方面，其成熟的技術為探究活動提供了較好的實驗平臺，學生可以在虛擬實驗室中嘗試和驗證更多的可能性.但探究活動中教師的主導地位尚需要時間轉變.如何長期培養學生的“合作”技巧以及平衡教師的“支架”功能是需要去做更多嘗試和實踐才能夠解答的實際操作問題.

參考文獻：

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[2]Cengiz Tuysuz. International Online Journal of Educational Sciences （2010）ISSN： 1309-2707.https：//www.researchgate.net/publication/42766753

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[7]中華人民共和國教育部.教育部關于印發《普通高中課程方案（實驗）》和語文等十五個學科課程標準（實驗）的通知（2017-04-25） [2019-04-15]. http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A26/s8001/200303/t20030331_167349.html.

[8]李麗芳. 虛擬實驗在初中物理實驗教學中的應用研究[D].南昌：南昌大學，2017.

（收稿日期：2019-06-25）