開源軟件在物理教學中的輔助效果

汪智 劉露

【摘 要】在信息技術融合學科教學的實踐創新中，開放性源代碼的軟件教學資源較為豐富，其中視頻分析軟件Tracker、互動式仿真軟件PhET與高中物理教學內容和方法契合度較高，因此對相關開源軟件在物理教學中的具體應用效果進行研究有現實意義。本文從混合研究路徑出發，通過對開源軟件應用下的高中物理教學進行實驗研究，發現開源軟件對學生的物理成績有顯著影響，且具有大規模效應量。

【關鍵詞】開源軟件;Tracker;PhET;物理教學

物理是一門實驗科學，在高中課堂上使用視頻分析軟件Tracker和互動式仿真軟件PhET等一些開源軟件來輔助教學是有益的，讓學生通過實驗探究學習物理是可取的[1]。本研究旨在用實踐的方式，探索在具體的學科內容模塊知識點下，開源軟件提升物理教學效率的程度。本研究建立起一套以成績數據可視化為基礎的教學反饋系統，該系統的內容如圖1所示。

首先是在集體備課的基礎上，教師組織各班級學生學習同一內容。其次是在教學后，教師給學生設置統一化的練習或檢驗，學生獨立完成，教師批改。再次是收集學生的原始成績數據，形成學生成績Excel文件。最后是教師通過Tableau將學生的成績數據可視化，直觀地觀察分析學生的學情，制定下一段教學計劃，實現因材施教。

1? ?研究過程

研究過程中，嚴格按照研究設計概況圖（如圖2）的流程收集一些學生成績。這些數據包括學生的前測成績和后測成績，學生前測成績為學生中考時的理化成績，學生后測成績為實驗組教學的成績和控制組教學的成績。這些數據經過分析將作為中期結果和部分后期結果。

處理數據主要使用的軟件是Tableau 9.1、SPPS 24.0。圖3是使用Tableau軟件獲得的成績圖，在同一張箱體圖中，可以清晰地體現不同班級之間所有學生的物理成績差異，同時又可以通過加入顏色差異來反映學生的中學基礎情況（在圖3中，中考理化得分用顏色來標識，藍色程度越深代表學生的中考理化成績越高，紅色越深則代表中考理化成績越低）。這意味著通過這一幅可視化的學習成績分布圖，任教教師可以清楚地判斷物理成績較高的學生是否是基礎比較好的學生。

使用視頻分析軟件Tracker輔助教學的16班、17班分別是實驗班1和實驗班2，對照班級為15班。

其中對照班也就是15班中較高四分位點為69.5分，中位數為59分，較低四分位點為49分;實驗班1也就是16班中較高四分位點為80分，中位數為67分，較低四分位點為57分;實驗班2也就是17班中較高四分位點為81分，中位數為70分，較低四分位點為56分。

以上數據整體反映出了實驗班和對照班的成績分布，可知實驗班的成績整體上要優于對照班，同時也可以發現學生成績與一些變量的關系。如本研究發現中考理化基礎不同的學生在經過開源軟件輔助教學后成績變化可能不同，性別不同的學生在經過開源軟件輔助教學后成績變化可能不同。這些將通過統計軟件進一步分析。

2? ?數據分析

利用SPPS 24.0分析學生的測驗得分，經過信度分析得出克龍巴赫系數為0.644，研究信度尚可。

測試包括測試1和測試2，測試1是普通高中課程標準實驗教科書必修一第一章第三節“運動快慢的描述——速度”的相關內容測試。測試2是普通高中課程標準實驗教科書必修一第一章第五節“運動變化快慢的描述——加速度”的相關內容測試。

針對測試1，對實驗班1和對照班的成績進行方差相等假設檢驗，兩組數據的方差是相等的。獨立樣本檢驗結果中t=-3.371，對應的P=0.000<0.05，因此可得兩組數據總體的平均值存在著統計意義下的顯著性差異，在這里拒絕虛無假設，即使用開源軟件來輔助教學的實驗班級與對照班級在測試1中存在顯著性差異，實驗班1測試1的成績要顯著優于對照班。實驗班1的平均分為68.63分，對照班的平均分為59.43分，再通過兩者的平均值和標準差計算出效應量ES=0.65，屬于大規模效應量，說明兩個群體的物理測試1成績有很大比例不重疊，表明實驗班1測試1的成績大規模優于對照班級。

針對測試1，對實驗班2和對照班的成績進行方差相等假設檢驗，兩組數據的方差是相等的。獨立樣本檢驗結果中t=-3.158，對應的P=0.001<0.05，因此可得兩組數據總體的平均值存在著統計意義下的顯著性差異，在這里拒絕虛無假設，即使用開源軟件來輔助教學的實驗班2與對照班在測試1中存在顯著性差異。在測試1中，實驗班2的平均分為69.33分，對照班的平均分為59.41分，再通過兩者的平均值和標準差計算出效應量ES=0.65，屬于大規模效應量，說明兩個群體的物理測試1成績有很大比例不重疊。這說明使用開源軟件來輔助教學的實驗班級在成績上較大幅度優于對照班級。

對測試2成績進行分析，實驗班1和對照班兩組數據的方差是相等。獨立樣本檢驗結果中t=-0.898，對應的P=0.186>0.05，因此可得兩組數據總體的平均值存在著統計意義下的無顯著性差異，在這里不拒絕虛無假設，即使用開源軟件來輔助教學的實驗班1與對照班在測試2中不存在顯著性差異。實驗班2和對照班兩組數據的方差相等。獨立樣本檢驗結果中t=-1.589，對應的P=0.055>0.05，因此可得兩組數據總體的平均值存在著統計意義下的無顯著性差異，在這里不拒絕虛無假設，即使用開源軟件來輔助教學的實驗班2與對照班在測試2中不存在顯著性差異。

將中考理化成績前50%的學生定義為提高組，中考理化成績后50%的學生定義為基礎組。研究表明，實驗班1、2的提高組與對照班的提高組的中考理化成績無顯著性差異。

測試1中實驗班1、2的提高組優于對照班的提高組，實驗班1、2的基礎組優于對照班的基礎組，統計數據表現出顯著性差異，效應量均為大規模效應量。在測試2中實驗班1、2的提高組優于對照班的提高組，統計數據表現出顯著性差異，效應量均為大規模效應量。在測試2中實驗班1、2的基礎組與對照班的基礎組無顯著性差異。

將學生的性別作為變量，繼續檢驗，發現在高中物理教學中使用視頻分析軟件Tracker后，男生和女生的成績沒有顯著性差異。

3? ?結論

綜合研究結果，本研究認為：①高中物理教學中每周使用開源軟件1—2次會顯著提高高一年級學生標準測試的成績，且成績的效應量屬于大規模效應量;②高中物理教學中使用視頻分析軟件Tracker會顯著地提高學生運動學標準測試的成績，且成績的效應量屬于大規模效應量;③高中物理教學中使用PhET互動式仿真軟件會顯著提高學生電磁學標準測試的成績;④高中物理教學中使用視頻分析軟件Tracker會顯著地提高優生運動學標準測試的成績，且成績的效應量屬于大規模效應量;⑤高中物理教學中使用視頻分析軟件Tracker后，男生和女生的成績沒有顯著性差異。

【參考文獻】

[1]葛文靜.高中物理教學中科學思維遷移能力培養途徑研究[D].伊寧：伊犁師范大學，2020.