基于大數據的3A教學模式在高中物理教學中的實踐研究

一、研究背景

2016年教育部印發《教育信息化“十三五”規劃》提出：“推動信息技術與教育教學深度融合”戰略目標，明確要求建立“覆蓋全國、互聯互通的教育資源云服務體系”，強調通過數據挖掘實現教學過程的動態監測與精準調控。2018年教育部印發《教育信息化2.0行動計劃》確立“構建智能化教育環境”發展方向，即教學應用覆蓋全體教師、學習應用覆蓋全體學生、數字校園建設覆蓋全體學校，推動教育信息化從融合應用向創新發展躍升[1]。2023年教育部辦公廳印發的《基礎教育課程教學改革深化行動方案》強調“注重核心素養立意的教學評價，發揮評價的導向、診斷、反饋作用”，并提出“利用人工智能和大數據技術，加強過程性與增值性評價”[2]。在國家信息化發展戰略的指導下，現代信息技術在教育教學領域的應用日益深入，這有力地推動了教育理念、教育模式、學教方式的深刻變革，這一轉變以人工智能、大數據等技術深度融合為核心特征，推動教育從“經驗驅動”向“數據驅動”、從“規模化教學”向“個性化學習”的轉變。

高中物理作為重要的基礎學科，對于培養學生的科學思維和探究能力具有不可替代的作用。然而，傳統的教學模式往往難以滿足學生的個性化需求，導致教學效果不盡如人意。隨著信息技術的飛速發展，大數據在教育領域的應用日益廣泛，為教學模式的創新提供了新的契機。本文基于大數據的3A教學模式，旨在借助信息技術教學手段，從提升學生學習自主性、數據診斷精準性、核心素養培養目標化三個維度，探索高中物理教學的新方法。

二、基于大數據的3A教學模式構建

（一）促進學生學習自主化：數據賦能的個性化學習生態建構

借助大數據分析工具，對學生在日常作業、課堂測試、階段性考試等過程中產生的數據進行收集和整理。通過對這些數據的深入分析，了解學生對各個物理知識點的掌握情況，如哪些知識點學生理解得較好，哪些知識點存在較大困難。教師根據學情診斷結果，為后續教學提供依據，調整教學策略，有針對性地進行輔導和強化訓練。

（二）實現教學評價精準化：多源數據融合的診斷干預體系

根據學情診斷結果，教師利用大數據平臺為學生推送個性化的教學資源。對于學習基礎薄弱的學生，推送基礎知識講解的微課視頻、針對性的練習題等，幫助他們鞏固基礎；對于學有余力的學生，推送拓展性的物理實驗視頻、前沿物理知識科普文章等，滿足他們的學習需求。

（三）體現核心素養目標化：數據導向的素養培育與監控體系

通過信息技術與課堂教學的深度融合，提升學生創新意識和自主探究合作能力，打破時間和空間上個人學習的局限，促進了新知識學習和學習技能的培養。根據學科特點，讓信息技術充分服務于課堂。

三、基于大數據的3A教學模式在高中物理教學中的實踐

（一）《平拋運動》課例分析

平拋運動是高中物理曲線運動的核心內容，承載“化曲為直”科學思維與“運動合成與分解”方法建模的素養培育任務，既是直線運動、牛頓定律的延伸，也為“類平拋運動”的學習奠定基礎。《普通高中物理課程標準》（2017年版2020年修訂）要求學生“用運動合成與分解分析平拋運動”，本節課的整體教學框架，如圖2所示：

1.課前：大數據畫像精準定位起點

通過推送學習任務單，釘釘問卷分析前測數據，針對問題：平拋運動是否受水平速度影響，對分運動獨立性的理解？發現典型誤區， 58% 學生誤認為水平速度越大下落時間越短，混淆運動獨立性。出現此問題原因在于學生不知如何分解曲線運動，還不能理解處理曲線“化曲為直”的思想方法。基于此，課前推送NOBOOK虛擬實驗預習任務，學生在虛擬實驗平臺自主設置水平初速度和拋出高度等參數，觀察軌跡并記錄下落時間，初步感知水平速度不影響下落時間。

利用大數據分析學生的學習數據，了解其知識基礎與薄弱點，通過教學平臺推送個性化的預習資源，學生在預習時記錄自己的疑問，教師查看預習進度與測試結果，了解學生對新知識的困惑，為課堂教學做好準備。

2.課中：虛擬實驗 + 智能平板構建自主生態

課中環節充分運用虛擬實驗與智能平板，構建以學生為中心的自主學習生態，推動學生從知識理解邁向深度探究與創新思維培養。教師借助智能平板向學生推送精心制作的多媒體課件，展示生活中平拋運動現象的視頻，如投出的籃球、拋出的石塊等運動軌跡，引導學生觀察并思考這些現象背后的物理規律。隨后，通過課堂講解，引入平拋運動的基本概念。在講解過程中，利用智能平板投屏功能，展示平拋運動的理論模型，讓學生更直觀地理解平拋運動是水平方向的勻速直線運動與豎直方向的自由落體運動的合運動，幫助學生建立起平拋運動的初步認知框架。

在探究規律掌握技能環節，將探究任務分層處理：

基礎層重在理解式學習，主要目標是深入理解平拋運動規律，教師指導學生通過智能平板登錄NOBOOK虛擬實驗平臺，開展平拋運動規律的驗證實驗，實驗如圖3左圖。在虛擬實驗環境中，學生可以自主設置實驗參數，如小球的質量、平拋的初速度、釋放高度等。通過多次改變參數，觀察小球在水平和豎直方向的運動軌跡，記錄不同條件下小球的運動時間、水平位移等數據，例如：學生固定小球的釋放高度，改變平拋初速度，發現水平位移與初速度成正比，從而驗證平拋運動水平方向做勻速直線運動；保持初速度不變，改變釋放高度，得出豎直方向下落時間只與高度有關，符合自由落體運動規律。在實驗過程中，學生利用智能平板的筆記功能，記錄實驗過程、現象和數據，并通過小組討論初步分析實驗結果，將感性認識上升為理性認識，實現對平拋運動規律的基礎理解。

進階層重在探究式學習，教師組織學生進行小組合作。小組任務是設計并驗證平拋運動分運動獨立性實驗。學生結合所學知識，共同設計實驗方案：同步釋放做平拋運動的小球與做自由下落運動的小球，如圖3右圖所示，利用NOB0OK虛擬實驗平臺模擬這一過程。在虛擬實驗中，學生可以清晰地觀察到兩個小球在豎直方向上的運動軌跡完全重合，同時記錄它們落地的時間，驗證平拋運動豎直方向的自由落體運動與水平方向的勻速直線運動相互獨立。實驗結束后，各小組利用智能平板的展示功能，在班級內進行匯報展示，通過交流討論，深化對平拋運動分運動獨立性的理解，培養團隊協作能力和科學探究能力。

圖3NOB00K虛擬實驗探究平拋運動水平和豎直分運動的特點

創新層重在思維進階，學生在掌握平拋運動基本規律的基礎上，進行思維拓展與創新。學生利用智能平板在虛擬實驗平臺上自主調整更多復雜參數，如在不同的重力加速度環境下觀察平拋運動軌跡變化，探究這一變化對平拋運動的影響。在探究過程中，學生通過智能平板記錄實驗數據，運用數學工具對數據進行分析處理，建立平拋運動相關物理量之間的函數關系。最后，學生總結實驗結論，并提出自己對平拋運動規律的創新性見解，討論如何利用平拋運動規律解決實際生活中的復雜問題，從而實現思維的進階與升華，培養創新思維和解決實際問題的能力。

整個課中分層探究過程中，教師引導學生提出問題、做出假設、制訂計劃、實施計劃、得出結論，借助智能平板的監控和分析功能，了解每個學生和小組的學習進度與實驗情況，及時給予針對性指導和反饋，借助大數據分析功能，進一步了解學生對平拋運動知識的掌握程度和思維發展水平，為后續教學調整提供依據，真正實現精準教學與個性化指導，構建高效的自主學習生態。

3.課后：大數據驅動個性化補救

在基于大數據的3A教學模式下，課后環節借助大數據分析精準定位學生學習問題，開展個性化補救教學，確保學生扎實掌握物理知識。分析作業中發現在計算平拋運動時間中出現錯誤，源于豎直方向為初速度為零的自由落體運動的模型不能靈活運用。補償策略：推送自由落體與平拋運動對比虛擬實驗，設置豎直初速度不為零，觀察軌跡變化特點，在實驗過程中，學生還可利用虛擬實驗平臺的慢放、暫停、回放等功能，細致觀察運動軌跡變化細節，加深對物理規律的認知。針對以上學習，教師再次統計學生作業答題情況，查看學生掌握情況。

NOBOOK物理虛擬實驗采用逼真的3D模型動畫形式呈現實驗過程，環境穩定，可以完全模擬小球做平拋運動的理想狀態，該實驗不僅提高了學生的學習興趣，也提升了學生課堂的參與度。與傳統實驗相比較，虛擬實驗平臺安全性高、不被空間和時間束縛、互動性強、實驗效率高，由于其實驗場景還原度高，可以起到忽略次要因素而突出主要因素的作用，使實驗變得更加有針對性，高效解決難點問題[3]。

（二）《自感現象與渦流》課例分析

自感現象是電磁感應規律的深化應用，承載楞次定律動態分析、電路模型建構的核心思維，需突破自感電動勢方向與大小的抽象性。本節課通過課前實驗探究、大數據診斷、素養任務鏈，構建現象感知、規律建構、應用遷移的深度學習閉環。

1.Autonomy：課前—課中一課后的自主賦能

課前教師借助大數據分析學情，了解學生已有知識基礎，針對性推送NOBOOK虛擬實驗一斷電自感模擬實驗資源。學生通過智能設備登錄虛擬實驗平臺，自主操作實驗。在實驗過程中，學生親自調節電路參數，觀察電路斷電瞬間電流方向變化、燈泡亮度變化等現象，并將觀察到的疑惑與不解記錄下來。部分學生發現燈泡在斷電后并非立即熄滅，反而會出現短暫的閃亮，這與常規認知產生沖突，從而激發學生強烈的求知欲與探索欲。學生自主生成的這些個性化疑問，成為后續課堂學習的重要驅動點，促使學生帶著問題進入課堂，為課中探究做好充分準備。

課中實現虛實融合的探究生態，將學生在虛擬實驗中的真實操作情景抽象構建為簡潔的物理模型，先探究通電自感，后再探究斷電自感（圖4左圖為通電自感電路圖，右圖為斷電自感電路圖），幫助學生理解電路結構與工作原理，利用DIS電流傳感器實時采集通電和斷電自感燈泡中的電流一時間圖像，如圖4所示，學生通過觀察、分析圖像中的關鍵信息，如電流峰值、電流方向的變化、變化趨勢等，嘗試自主推導出自感現象的本質原因。在這一過程中，教師不再是知識的單向傳授者，而是作為引導者，組織學生進行小組討論、交流，鼓勵學生分享自己的分析思路與見解。通過這種方式，學生在解決課前自主探究產生的困惑時，深化了對物理概念和規律的理解，同時提升了自主分析問題、解決問題的能力，真正實現了在課堂中的自主探究學習。

課后通過數據驅動反思，延續自主學習動力，大數據對學生作業正確率情況進行綜合統計。生成每位學生專屬的學情“畫像”，精準定位學生在自感現象知識掌握上的薄弱環節與學習特點。發現部分學生在分析復雜電路自感現象時存在困難，可在下次課前針對性推送進階學習資源，引導學生進行自主查漏補缺。同時，學情“畫像”也為下節課的教學設計提供重要依據，使教學內容與方法更貼合學生實際需求，形成教學閉環。學生則可依據反饋，自主反思學習過程，調整學習策略，延續自主學習的動力，逐步提升物理學科素養。

2.Accurate：全流程數據診斷與干預

“Accurate”強調通過全流程數據診斷與干預，精準把握學生學習動態，解決實際困惑，實現重難點的高效突破。借助虛擬實驗平臺、智慧實驗室DIS電流傳感器實驗設備、門口易測小程序等多元工具，構建起覆蓋課前、課中、課后的動態數據采集與分析體系，深度挖掘學生思維斷點，引導學生科學高效地對難點重點進行主動探究。

3.Aim：核心素養的目標化落地

通過模型構建與動態分析，筑牢素養培育的根基。本節課以構建物理模型為起點，引導學生將復雜的電路現象抽象為可研究的物理模型。在這一過程中，學生需主動分析電路結構、電流走向及線圈特性，深度參與模型構建。例如：在分析斷電自感現象時，學生要思考如何將實際電路簡化為包含電源、線圈、燈泡的基礎模型，明確各元件在自感過程中的作用。這種從實際現象到物理模型的轉化，鍛煉了學生的科學思維，培養了其模型建構能力，而模型建構正是物理學科核心素養的重要組成部分。

通過技術賦能，從而突破教學難點。傳感器技術與虛擬動畫的應用，有效破解了電磁學教學中的抽象性難題，DIS電流傳感器將原本看不見、摸不著的電流轉化為可視化的電流一時間圖像，學生通過分析圖像的峰值、走勢等特征，能夠直觀地理解電流的變化規律。自感現象模擬動畫則讓抽象的磁場變化變得直觀可見，通過三維動畫演示，學生可以觀察到線圈中磁場在電流變化時的動態演變過程，理解磁場與電流之間的相互關系，這種可視化呈現方式，不僅降低了學習難度，還激發了學生的學習興趣。

通過教學模式轉型，保障核心素養落地。在傳統教學中，教師往往依據自身教學經驗進行教學設計和教學決策，難以精準把握每個學生的學習情況。而在基于大數據的3A教學模式下，教師通過收集和分析學生在實驗操作、數據處理、問題解決等環節產生的數據，能夠全面了解學生的學習過程和學習效果。

基于這些數據，教師可以為學生提供個性化的學習建議和指導，實現精準教學。這種數據驅動的教學模式，使教學更加貼合學生的實際需求，有助于學生在解決實際問題的過程中，逐步形成科學思維和科學探究能力，推動核心素養的落地生長，為電磁學復雜教學提供可復制的數智化范式，培養當代學生數字素養，助力學生核心素養的落地生長。

傳感器具有實時化采集、智能化分析、可視化呈現的特點，解決了傳統實驗中現象模糊、數據粗糙、操作復雜的痛點，不僅提升了實驗教學的效率，更通過數據驅動探究的模式，培養學生的科學思維、數據分析能力和創新意識，是現代物理教學中從定性到定量、從觀察到探究轉型的有效工具[4]。

四、基于大數據的3A教學模式自前存在的弊端

學生學習數據的收集存在一定不完整性，部分數據因學生操作不當，未能準確采集；部分教師對大數據分析技術的掌握不夠熟練，對信息化教學敏感度不夠，未能對數據深度分析，影響教學策略調整的效率；未能充分利用信息化教學設備，不僅要收集學生的答題情況，還要有針對性地收集學生學習時長、互動頻率等多維度學習數據；3A教學模式在不同學科的適應性調整過程中，需要不斷探索和嘗試，需要一定時間學習并總結。

結束語

數字化手段的深度融入，使3A教學模式實現了從“經驗驅動”到“數據智能”的跨越。后續將進一步打通智慧教室、學習平臺、評價系統的數據壁壘，構建“采集一分析一干預一反饋”的閉環生態，真正實現“因數據而教，為素養而學”的精準教學愿景。

參考文獻

[1]蔡軍強.基于《教育信息化20行動計劃》的中學生信息素養培養策略探究Ⅲ].教師，2022（31）：51-53.

[2]王志鵬.虛擬仿真實驗在高中物理教學中的應用研究[D].重慶：西南大學，2023.

[3]郭澤平，魏代會.基于虛擬仿真技術的“原子物理學”教學改革與創新Ⅲ.教育教學論壇，2024（5）：97-100.

[4]景小強，郭林萍.基于信息化教育大數據初中交互課堂的構建Ⅲ.教育文匯，2019（5）：19-20.

本文系教育部福建師范大學基礎教育課程研究中心2024年開放課題“基于大數據的3A教學模式實踐研究”（課題批準號：KCA2024458）的研究成果。