人機協同下中學物理實驗教學模式構建探索
——以探究凸透鏡成像規律為例

陳霖濤 陸建隆

（南京師范大學 教師教育學院，江蘇 南京 210023）

伴隨著數智時代的來臨，以大數據和人工智能為核心的智能技術集群發展，支撐并加速了教學范式走向智能化、協同化、精準化，技術融入教學成為未來教育的發展趨勢。人機協同是人工智能與教育走向深度融合的應然形態，國內已有學者對其教學樣態、模型建構、人機關系等開展探索，但指導教師教學實踐的學科化人機協同工作模式和實踐案例研究還很少。

物理是一門以實驗為基礎的學科，實驗教學改革也是物理教學改革的重中之重。由于受到教學資源和實驗教學評價等方面問題的影響，物理實驗教學情況不容樂觀。本文通過將智能測評技術引入中學物理實驗教學中，構建技術融合的智慧化實驗學習環境，探索人機協同機制下的中學物理實驗教學模型，以提高實驗教學的科學性、準確性、實踐性和指導性，促進教師的精準教學和學生的個性化學習。

一、基于人機協同的物理實驗教學模式轉變與思考

實驗素養是一種注重實踐和問題解決的綜合能力體現，是學生核心素養的重要組成部分，主要包括問題、證據、解釋、交流等要素。本研究以普通中學物理課程標準為學科依據，以實驗素養為價值取向，以人機協同理念為指導，借助人工智能技術，從教學的頂層設計和實驗操作評價標準兩個維度來構建人機協同支持下的中學物理實驗教學模型，旨在探索一種新型的實驗教學模型來促進學生實踐能力的提升。

（一）基于人機協同的中學物理實驗教學模式頂層設計

在傳統中學物理實驗課堂上，實驗學習為單線程活動，監督機制不完善，評價反饋明顯滯后，其教學模型如圖1 所示。受師資力量不足、課堂教學時間有限等因素影響，教師僅能實現對少數學生的實踐指導，班級診斷更多依賴于重復的課堂巡視和過去教學經驗累積，難以準確掌握班級實際學情；學生缺乏過程性反饋，實驗實踐過程單向變換，視實驗結果與猜測是否相符為實踐成效的唯一評價，忽略了對實踐過程本身的反思與矯正。

圖1 傳統中學物理實驗教學模型

在借鑒王良輝等提出的人機協同下智能教育運行機制基礎上，本研究提出基于人機協同的物理實驗教學模型，旨在強調技術在探索和實現自主學習過程中的協同作用，輔助師生之間觀察反思和持續地矯正，如圖2 所示。智能元素融入的課堂學習環境下，技術與教學各要素之間的協作更加錯綜復雜。機器根據內嵌的實驗操作評價體系，實現操作信息的采集存儲，同時借助云計算等技術對數據分析挖掘，生成實驗操作的形成性評價反饋師生；學生直觀發現實踐過程的薄弱環節，輔以查找資料、求教師生等途徑明確矯正方法，在持續實踐中建立“評價—反饋—矯正”的內循環機制；教師在數據反饋中快速了解學生實驗進度、成績分布等基本情況，在實時監測中進一步明確班級的共性問題與顯著性問題，在學生反饋中解讀個性問題，發現潛在性問題，進而反思實驗教學情況，適當調整教學內容，生成針對性的教學決策。

圖2 基于人機協同的中學物理實驗教學模型

（二）實驗操作評價體系是協同配合的接口

在人際協同實驗教學模型中，實驗操作評價體系是學生實踐操作、教師評價學生實驗學習和計算機智能診斷的標準，是實現人機合作、交流溝通的橋梁。學生以評價體系制定實驗方案并加以實施，再由評價表現改進自己的實驗操作；教師以評價指標為設計指導，實施實驗教學；計算機依據評價項目快速評閱學生實驗操作并反饋成績診斷。

參考有關實驗能力表現性評價研究成果，結合物理課程要求，構建了中學物理實驗操作評分體系，如圖3 所示。中學物理實驗操作評價體系包含了四個維度，依照操作程序依次為“使用器材”“組裝器材”“展示操作”“安全意識”，從前向后采用“a1—a4”進行編碼。“a1 使用器材”和“a4 安全意識”屬于對實驗學習體系的基本認識，“a2 組裝器材”考查學生對專題實驗的理解與推理分析，“a3 展示操作”考查學生的操作能力和數據分析處理能力。該評價體系遵循發展性、可行性、可評價性等原則，通過舍棄一些次要因素的影響，重點關注能被觀察的外顯性操作行為，更追求學習評價的效用、效能和效率。

圖3 中學物理實驗操作評價體系

二、人機協同下探究凸透鏡成像規律實驗的實施路徑設計

在人機協同理念指導下，結合已有研究基礎上加以改造得到如圖4 所示的實驗教學實施流程。該流程秉承“技術融合 協同作業”原則，虛擬平臺的出現，以人機交互形式延伸課堂教學的時空；AI（人工智能）測評的應用，以認知協同形式助力教師全面了解班級學情，以智能診斷形式幫助學生快速定位學習薄弱點。在人機協同的支持下，中學物理實驗教學過程可分為“預習與設計”“實驗與評價”“分析與干預”三個階段，筆者以探究凸透鏡成像規律為例展開討論。

圖4 人機協同下物理實驗教學實施流程

（一）預習與設計階段：技術賦能流程再造優化

在技術融合的課堂中，全媒體技術的創新賦能極大拓展了課堂的學習時空，也為“方案制訂”環節前置的實現提供了服務支撐。在互聯網技術的支持下，學生可根據學習需求對微課資源進行研究性學習，進而為實驗方案的設計搭建認知支架。虛擬平臺也為實驗方案的上交與評價提供了極大的便捷，數字化傳輸的迅速能夠幫助教師及時審視并反饋給學生，促使“方案設計”的翻轉前置真正地落地。

探究凸透鏡成像規律是初中學段實驗教學的重難點，成因之一便是其概念與實踐操作相對繁雜，高度密集的知識易導致學生大腦認知過載。為此，教師可嘗試將部分授課知識和方案設計環節前置。具體而言，教師有針對性地選擇與實驗操作有關的資料拍攝成微課，資料內容涵蓋如何規范使用光具座、凸透鏡，如何調整才能確定像的位置，如何觀測虛像，如何使凸透鏡中心、像屏中心和光源中心保持同一高度等，通過教師端上傳至教學平臺，協助學生全面了解實踐的規范操作的同時，為學生方案設計提供有價值的參考。考慮到實踐對象剛接觸物理，僅憑微課學習完成實驗設計有困難，教師需要充分介入以提供支架指導，虛擬數字空間則為教師的指導介入提供了適宜的應用載體。教師通過系統平臺的社交功能，既可以實現及時反饋，也便于適時上傳學習資料以滿足學生的學習需求，如部分學生對該實驗的框架認知模糊，苦于無從下手，教師可共享實驗操作評價要求，并以此為框架引導學生結合教材內容，填充具體的實驗步驟。

（二）實驗與評價階段：技術賦能操作信息采集

反饋迅速是人機協同教學的重要特征，也是評價反饋與矯正學習的機制基礎。借助AI 測評可以快速診斷學生實驗過程出現的偏差與錯誤，促使學生深度挖掘和整理實踐過程，在傳統實驗階段外，生成行為矯正的學習機制，給予學生“第二次實踐機會”。“評價—反饋—矯正”構成人機協同下學生實驗學習的內循環，使外在的評價成為真正實現學生實踐素養發展的調控手段。

在凸透鏡成像規律的探究過程，要注意充分發揮形成性評價的導向作用，通過AI 模型數據和算法軟件，對檢查器材是否齊全、調節光源位置、觀測所成虛像等實驗動作進行檢測、評價和反饋，學生由查找資料、求教同學等途徑明確糾錯方案，在重復實踐中不斷矯正操作方式并提高操作技能，旨在引導學生規范實驗操作，使學生扭轉結論導向的“正確”實驗，轉而關注過程導向的“矯正”實驗。在實踐反思中，學生需將商討后仍具有爭議性的問題及時上傳至平臺，如旋轉凸透鏡像的大小發生變化、對換物距像距后成像性質與換前相反、物距不變時成像隨凸透鏡焦距增大而增大等，通過教師的個性化指導完成對該部分內容認知的反饋矯正。

（三）分析與干預階段：技術賦能精準問題診斷

傳統實驗教學的決策生成僅停留在行為觀察、教師經驗等主觀判斷上，缺乏全面數據支持，而AI 支持的教育大數據應用正好可以彌補這一不足。在智能教學環境中，能否有效運用數據將對教師的教學決策產生決定性的影響。學生完成實驗任務與交流討論后，平臺快速計算分析出班級實驗操作成績，教師根據系統反饋的診斷報告與學生上傳的爭議問題，重點關注群體存在的普遍性問題，靈活調整教學策略為學生搭建腳手架，設計針對性活動來幫助學生內化知識。

在物理實驗學情分析中，教師依據AI 測評系統可智能分析班級學生的實驗操作得分情況，了解班級實踐的整體達標率，進而發掘學生學習過程中存在的顯著問題，如部分學生不懂如何觀測呈正立放大的虛像，便是在“展示操作”維度相對薄弱。針對此共性問題，教師可選取案例中典型的實驗視頻，拖動進度條讓學生反復觀察其觀測動作，并將該視頻與微課進行對比，幫助學生深化對虛像觀測內容的印象與理解。面對學生經交流討論環節上傳的爭議性問題，如相同物距像距相異、凸透鏡半遮成像僅變暗等，教師需要給予足夠重視，解讀其內隱的有關思維認知、操作規范等方面的問題，引導學生從光路角度出發分析問題，適當加強對理論基礎的講解與練習。在課后干預環節，教師可依據課堂問題診斷結果調整作業資源，為學生提供精準的學習路徑，制訂進一步的學習計劃或方案。

三、進一步提高信息化物理實驗教學質量的策略探討

（一）聚焦數智技術，改進“實驗”教學范式

互聯網、大數據、人工智能信息技術的驅動，倒逼著實驗教學的改革，極大地改變了教育的時空邊界和生態系統。教師必須抓住現代信息技術給教育領域帶來的機遇，及時轉變實驗教學的范式。

基于建構主義理念的建構認知范式強調學生將技術作為知識處理和加工的認知工具，在真實問題的解決過程中內化知識、習得技能，它以學習內容設計為核心，旨在最大限度地調動學生的實踐能力和創新精神。作為一線中學教師，應意識到未來課堂根植在智能教學環境中，機器技術的協同已被更加廣泛地納入教學能力體系框架中，人機共生生態下的實驗教學亟待探索。在探索過程中，需要注重技術的工具屬性，如虛擬現實仿真預演實驗設計方案、DIS 輔助實驗過程數字化、微課按需學習翻轉實驗課堂等，借助技術創建有形的學習情境體驗。在學習測評中，以高清攝像頭、測評系統等無形的應用場景體驗為主，通過高精度的動作識別輔助教師進行智能化測評，可為學生提供個性化反饋，明晰其在實踐層面上的優勢與短板，促進學生進一步掌握實驗知識；也可幫助教師實時地掌握學生的學習狀態，以便調整教學決策。因此，在協同化的實驗教學中，教師需要充分發揮技術的工具屬性，把增能和賦能的人工智能技術與教學活動相融合，設計適宜學生個性化學習的活動。

（二）注重探究引導，強化“證據”實驗素養

首先，全媒體技術的賦能使得教學內容前置更易發生，學生可借助微課資源開展實驗內容的自主探究。微視頻作為微課的核心，其設計應有的放矢，遵循針對性、精簡化、系統化原則，從內容上可分為基礎性、專題性、實踐性三種類型：基礎性資源包括儀器介紹、安全知識、讀數規則等；專題性資源包括實驗介紹、原理講解、實驗方案等；實踐性資源包含實驗演示、儀器使用、常見錯誤等，為學生設計層面的“證據”實驗素養發展提供有效協助。

其次，自主探究的每一個環節都需要教師監督與指導，是整個學習過程中不可或缺的主線。在課前預習環節，教師通過智能移動端的社交功能及時了解各小組情況，對其交流討論的結果給予指導幫助；在實踐操作環節，源自教師的針對性反饋能夠促進學生的深入思考，在反思中內化實驗知識和技能，進而強化實踐層面的“證據”素養；在結論歸納環節，教師進一步匯總各組上傳的實驗數據及平臺內存儲的歷史數據，借由實驗“大數據”提高實驗結論的科學性與信效度。

（三）厘清人機關系，深化“協同”核心機制

人機協同的思維方式可以輔助人類突破個體認知的極限，駕馭超越個體認知水平的復雜情境。在實驗教學中，機器支持的AI 測評可化“不能”為“可能”，于極短時間內完成對學生實驗操作的診斷與反饋，為教師的掌握學情與學生的個性化學習提供服務支撐。但教師對評分標準的理解解讀與AI 是否一致？我們是否忽略了教師的權威性與學生活動的重要性？

誠然，智能化測評具有高效便捷、客觀化等特征，能夠公平公正地檢驗每個學生的實驗操作。但“機器本位”的盲目信任是不可取的，AI 測評的內容過于僵化，難以判別實踐過程表現出的特殊品質（如優化實驗步驟、創新實驗方案等），缺乏“人”的教學機智與認知智慧。因此，教師應時刻保持人機關系中的主導地位，始終樹立教育本位的倫理準則，實行人機分評，優勢互補，方能使物理實驗測評更具實效。另外，對“協同”的解讀應包含兩個層面：技術層面的人機協同與人文層面的人際協同。人際協同的突出表現為課堂的啟發、互動。在實驗教學中，教師可嘗試組織人機交互下的師徒式同伴互助學習，在互評互教的基礎上，引導學生對機器測評結果的批判和反思。因此，教師要厘清人機協同倫理關系，堅守育人本位、注重人際協同作用等，以保障人機協同教學的正常運轉。