周少娜　包雷

摘 要：因材施教從古到今都受到很高的推崇，其主要針對(duì)受教育者的個(gè)別差異實(shí)施不同的教學(xué)策略。但是，在教育實(shí)踐中真正貫徹因材施教原則的卻很少。本研究以筆者的訪美經(jīng)歷，介紹了美國(guó)以虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為載體因材施教的教學(xué)案例。借助虛擬實(shí)驗(yàn)的可視化和及時(shí)反饋功能，學(xué)生根據(jù)自己的知識(shí)水平、個(gè)性特點(diǎn)和接受能力，個(gè)性化地執(zhí)行學(xué)習(xí)任務(wù)，自主建構(gòu)對(duì)知識(shí)的正確理解，體現(xiàn)真正的做中學(xué)。

關(guān)鍵詞：因材施教；虛擬實(shí)驗(yàn)；及時(shí)反饋；個(gè)性化任務(wù)；做中學(xué)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2016）1-0071-4

對(duì)于傳統(tǒng)教學(xué)模式，特別是大班教學(xué)的環(huán)境，因材施教存在種種困難。然而，筆者在美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)訪學(xué)期間，有幸參與了學(xué)校關(guān)于物理教育的教育研究項(xiàng)目——“學(xué)生對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)向心力的理解和運(yùn)用的教學(xué)研究”，親身體會(huì)和參與了美國(guó)教育如何利用常用的虛擬實(shí)驗(yàn)有效地進(jìn)行因材施教。

1 因材施教的內(nèi)涵與困境

因材施教的理念在我國(guó)淵源已久，可追溯至孔子。史載：“孔子因子路固執(zhí)而驕，故授之以敬而慎，以冉有膽小而怯，則教之以見義勇為（《論語·先進(jìn)篇》提到：子路問：“聞斯行諸？”子曰：“有父兄在，如之何其聞斯行之？”冉有問：“聞斯行諸？”子曰：“聞斯行之?！贬屃x是：子路和冉有都問孔子“聽到一件事，就要去做嗎？”孔子對(duì)子路說：“你爸爸和哥哥在，怎能聽到什么就去做！”而孔子又鼓勵(lì)冉有聽到了就要做）?！彪m然孔子沒有直接提出因材施教的概念，但他卻是我國(guó)第一個(gè)主張和施行因材施教的教育家。首先，孔子根據(jù)學(xué)生的智力水平，把學(xué)生大致分為“上智”“中人”“下愚”（《論語·陽貨》），并對(duì)于不同智力水平的學(xué)生授予他們與智力水平相符的知識(shí)；另外，針對(duì)學(xué)生的個(gè)性特點(diǎn)進(jìn)行教育，在《論語·顏淵》篇中記載樊遲、司馬牛、仲弓、顏淵均曾向孔子問“仁”，孔子給出了4種不同的回答：樊遲魯鈍，孔子對(duì)他只講愛仁；司馬?！岸嘌远辍?，孔子就告誡說話謹(jǐn)慎；仲弓不夠謙恭，孔子教導(dǎo)他忠恕之道；顏淵已有很高的德行，孔子用“仁”的最高標(biāo)準(zhǔn)要求他視、聽、言、行，一舉一動(dòng)都要合乎禮的規(guī)范[1]。

因材施教的當(dāng)代意義與古代基本相同，即“因?qū)W生之材而施教”，“教學(xué)要照顧個(gè)別差異”[2]。一般而言，因材施教的“材”指學(xué)生，就是根據(jù)學(xué)生的個(gè)別差異采取不同的教育方式和教育要求[3]，使每個(gè)學(xué)生在原有基礎(chǔ)上獲得最佳發(fā)展。國(guó)家教育咨詢委員會(huì)委員、中國(guó)教育學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)顧明遠(yuǎn)認(rèn)為，因材施教應(yīng)當(dāng)順應(yīng)孩子成長(zhǎng)的天性，在充分了解孩子的需要、想法、特點(diǎn)的基礎(chǔ)上因勢(shì)利導(dǎo)[4]。在現(xiàn)代教育中，“材”也被理解為“才能”，即學(xué)生的智能。美國(guó)哈佛大學(xué)心理學(xué)教授加德納 1983 年提出一種關(guān)于智能及其性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的新理論，并指出人類至少有8種智能[5]。不同的學(xué)生之間存在個(gè)體差異，包括能力、思維、興趣、性格和氣質(zhì)等方面的差異，這些差異直接或間接影響學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格、內(nèi)部動(dòng)機(jī)、認(rèn)知方式[6]。多年來，因材施教被認(rèn)為是應(yīng)對(duì)教學(xué)中個(gè)體差異的有效方法。

但是由于種種原因，在我國(guó)的教育實(shí)踐中真正貫徹因材施教原則的教師卻很少[7]。其中，不可回避的原因之一是大班授課制仍然是學(xué)校教學(xué)的基本形式。對(duì)一個(gè)班級(jí)來說，集體授課既要照顧個(gè)體差異，又要面向全部學(xué)生，應(yīng)該如何因材施教，究竟以什么水平的學(xué)生為中心，確實(shí)是許多教師需要面對(duì)的問題[6]。因此，在現(xiàn)實(shí)教學(xué)中，教師往往是根據(jù)多年累積的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以中等水平的學(xué)生為主要對(duì)象，使教學(xué)內(nèi)容和進(jìn)度適合中等學(xué)生的知識(shí)水平和接受能力。再根據(jù)課堂反饋調(diào)整教學(xué)策略，盡可能地兼顧更多學(xué)生。然而，由于社會(huì)的發(fā)展和環(huán)境的變遷，即便是有經(jīng)驗(yàn)的教師，也會(huì)面臨新一屆學(xué)生與往屆學(xué)生之間的差異問題。而缺乏經(jīng)驗(yàn)的新教師，在把握學(xué)生水平和個(gè)別差異的問題上更顯得不足。因材施教很多時(shí)候成為一句口號(hào)，可望而不可即。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)成為因材施教載體的優(yōu)勢(shì)

2.1 虛擬實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)教學(xué)重難點(diǎn)

在普通課堂的演示實(shí)驗(yàn)中，由于受到常規(guī)實(shí)驗(yàn)儀器本身的限制，有些實(shí)驗(yàn)無法達(dá)到應(yīng)有的效果。虛擬實(shí)驗(yàn)可以通過計(jì)算機(jī)技術(shù)仿真模擬一些重要的、在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下難以完成的實(shí)驗(yàn)[8-10]。特別是對(duì)于重難點(diǎn)的理解，需要學(xué)生擁有豐富的空間想象力，或者輔助動(dòng)態(tài)變化的實(shí)驗(yàn)過程得以理解。虛擬實(shí)驗(yàn)可以在視覺上詳細(xì)而具體地反映知識(shí)的本質(zhì)，逼真地模擬實(shí)際的環(huán)境，幫助學(xué)生更好地突破知識(shí)的重、難點(diǎn)，發(fā)展思維能力，最終使學(xué)生建立科學(xué)的認(rèn)識(shí)論和方法論。

2.2 可視化與實(shí)時(shí)反饋功能

可視化是實(shí)現(xiàn)科學(xué)探究第一要素——“觀察”的關(guān)鍵。只有經(jīng)過認(rèn)真觀察思考，才可以發(fā)現(xiàn)問題。虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)?shí)驗(yàn)可視化，并實(shí)時(shí)反饋給學(xué)生，讓學(xué)生第一時(shí)間獲得信息以便判斷自己的猜想或者自己對(duì)實(shí)驗(yàn)的操作行為是否正確，以便幫助學(xué)生清楚地認(rèn)識(shí)自己對(duì)知識(shí)的認(rèn)知。

本文以“圓周運(yùn)動(dòng)向心力”為例，介紹筆者訪美期間參與的關(guān)于“學(xué)生對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)向心力的理解和運(yùn)用的教學(xué)研究”項(xiàng)目，其虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示：該平臺(tái)是本文作者之一，美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)包雷教授所開發(fā)[11-12]，主要任務(wù)是讓學(xué)生施加合外力給物體（小球），使小球?qū)崿F(xiàn)勻速圓周運(yùn)動(dòng)。平臺(tái)的主界面是小球運(yùn)動(dòng)的區(qū)域，通過輔助外界方向控制器（圖2）人為地施加一外力給小球，讓小球在規(guī)定的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。左邊窗口的菜單欄是各種條件的控制器，可以調(diào)節(jié)小球的初始狀態(tài)、運(yùn)用環(huán)境和對(duì)其施力的大小。

該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng)向心力教學(xué)的主要功能有以下兩個(gè)方面：（1）知識(shí)運(yùn)用考查：檢驗(yàn)學(xué)生是否能夠?qū)⒆约簩?duì)向心力的理解運(yùn)用于實(shí)際任務(wù)中；（2）概念轉(zhuǎn)變：假設(shè)學(xué)生懂得知識(shí)，但是運(yùn)用出錯(cuò)，該平臺(tái)將學(xué)生的錯(cuò)誤實(shí)時(shí)反饋出來，以供學(xué)生糾正錯(cuò)誤，建構(gòu)對(duì)知識(shí)的真正理解。這兩點(diǎn)是得益于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的可視化和實(shí)時(shí)反饋功能，讓學(xué)生能觀察到自己每一個(gè)操作的對(duì)錯(cuò)，在認(rèn)知沖突中不斷探索，努力去完成任務(wù)，從而使學(xué)生對(duì)知識(shí)建構(gòu)和正確運(yùn)用有一個(gè)全新的理解，體現(xiàn)的是杜威提出的“做中學(xué)”的思想。

2.3 個(gè)體可控性高

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有個(gè)體化可控性，每一位同學(xué)都可以在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行獨(dú)立的學(xué)習(xí)、探索和操作。當(dāng)教師發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)后，學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)識(shí)水平、行為習(xí)慣來控制完成任務(wù)的進(jìn)度。當(dāng)學(xué)生認(rèn)為該學(xué)習(xí)任務(wù)在自己的能力范圍之內(nèi)可以駕馭，并且通過短時(shí)間的任務(wù)執(zhí)行之后，系統(tǒng)也給予正確的反饋信息，學(xué)生可以較早結(jié)束和完成學(xué)習(xí)任務(wù)，或者是進(jìn)行深入的個(gè)性化探究；當(dāng)學(xué)生在執(zhí)行任務(wù)時(shí)頻頻出現(xiàn)困難，可以根據(jù)系統(tǒng)的反饋信息思考問題所在，進(jìn)而改變方案，重新嘗試，在多次努力下克服困難，完成任務(wù)，也可以達(dá)到學(xué)習(xí)的目的。

虛擬平臺(tái)的個(gè)性化可控性，使學(xué)生能夠根據(jù)個(gè)體差異來控制虛擬任務(wù)。只要平臺(tái)的設(shè)置合理，耗時(shí)不長(zhǎng)，每個(gè)學(xué)生都在給定的時(shí)間內(nèi)對(duì)學(xué)習(xí)任務(wù)進(jìn)行個(gè)性化的探索，達(dá)到學(xué)習(xí)效果。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以成為實(shí)施“因材施教”的載體或媒介。

3 利用虛擬實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生“做中學(xué)”——美國(guó)因材施教的實(shí)證案例

下面介紹在美國(guó)利用該虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行因材施教的實(shí)證案例，包括教學(xué)核心任務(wù)、學(xué)習(xí)任務(wù)的流程和學(xué)生的表現(xiàn)。

關(guān)于“圓周運(yùn)動(dòng)向心力”教學(xué)的核心要點(diǎn)是要讓學(xué)生明白“做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體所受合外力方向是時(shí)刻在變化，且始終指向圓心，因此稱之為向心力”。只有對(duì)向心力的方向掌握清楚，學(xué)生才能更好地理解“為何物體可以做勻速圓周運(yùn)動(dòng)？”才可以繼續(xù)去探索“向心力與什么因素有關(guān)”等問題。

由于教學(xué)以概念的形式展示什么是向心力，因此很多學(xué)生都可以將“向心力指向圓心”念得滾瓜爛熟，可以對(duì)物體的受力情況進(jìn)行正確的分析，甚至可以很好地計(jì)算與向心力相關(guān)的題目。然而，學(xué)生是否對(duì)向心力真正理解，或只是單純記住了教材的定義，或僅記住教師給予的結(jié)論，沒有經(jīng)過研究或許只停留在猜測(cè)的層面。本研究項(xiàng)目主要針對(duì)“向心力方向”的學(xué)習(xí)要點(diǎn)，設(shè)計(jì)一系列的任務(wù)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)向心力方向的理解和運(yùn)用能力。

學(xué)習(xí)任務(wù)以問題探究（problem-based learning）的形式在講義中呈現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生結(jié)合問題和虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)，包含幾個(gè)流程：（1）預(yù)測(cè)任務(wù)：對(duì)小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)合外力方向進(jìn)行預(yù)測(cè)；（2）嘗試任務(wù)：在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上嘗試性施力，使小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，若失敗，分析系統(tǒng)反饋的原因；（3）個(gè)性化完成任務(wù)：根據(jù)自己的特點(diǎn)不斷努力直至使小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，總結(jié)其合外力的方向；（4）反思任務(wù)：從虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的學(xué)習(xí)中收獲到什么。整個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)在半個(gè)小時(shí)內(nèi)可完成。

3.1 預(yù)測(cè)任務(wù)——奠定學(xué)習(xí)信心

為了獲得每一位學(xué)生對(duì)向心力方向的理解程度。首先，要求學(xué)生對(duì)以下的場(chǎng)景作出預(yù)測(cè)，在圖3中畫出小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)各點(diǎn)的合外力方向。

當(dāng)一個(gè)小球在一個(gè)沒有摩擦的平面上以速度v沿直線運(yùn)動(dòng)（如圖3的A點(diǎn)所示），如果要讓小球繞圖3中的虛線做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，整個(gè)過程應(yīng)該給小球施加什么方向的力？請(qǐng)畫出圖3中A、B、C、D、E、F各點(diǎn)施加給小球的力的方向。

本預(yù)測(cè)任務(wù)并不難，只要記住“向心力指向圓心”的學(xué)生都可以順利地畫出力的方向。如圖3是某個(gè)學(xué)生的預(yù)測(cè)圖，該學(xué)生正確畫出了各點(diǎn)力的方向，并標(biāo)記力是合外力或凈合力。從參加本次任務(wù)的52名美國(guó)學(xué)生來看，至少三分之二以上的學(xué)生在該任務(wù)上都給出了正確的答案。

3.2 嘗試任務(wù)——引發(fā)認(rèn)知沖突

本任務(wù)是學(xué)生嘗試性地通過方向控制器施加外力給小球，觀察是否能夠讓小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)（為了重點(diǎn)突破向心力方向的難點(diǎn)，系統(tǒng)可人為設(shè)定力的大小一定）。嘗試幾次后，描述自己完成任務(wù)的情況，并通過虛擬系統(tǒng)反饋的情況，解釋自己失敗的原因。該環(huán)節(jié)旨在讓學(xué)生對(duì)小球?qū)嵤﹦?dòng)態(tài)控制，在操作任務(wù)中體驗(yàn)自己在運(yùn)用知識(shí)時(shí)存在的問題，認(rèn)識(shí)到理論與實(shí)踐產(chǎn)生的沖突，為調(diào)整操作策略提供線索。

由前面的預(yù)測(cè)任務(wù)可知很多學(xué)生都知道“向心力指向圓心”，然而學(xué)生在嘗試任務(wù)中“運(yùn)用向心力”的環(huán)節(jié)卻出現(xiàn)各種各樣的狀況，如圖4所示，圖中箭頭表示學(xué)生對(duì)小球施力的方向。

（1）73%的學(xué)生在第一次嘗試時(shí)，初始施力點(diǎn)位置不準(zhǔn)確，沒有在圓周上開始施力，說明學(xué)生對(duì)勻速圓周運(yùn)動(dòng)合力垂直于切線且指向圓心這個(gè)概念掌握不牢固，即使自己覺得懂，也是停留在記憶層面上，而不是在應(yīng)用上。

（2）合外力沒有時(shí)刻指向圓心，部分力沿運(yùn)動(dòng)方向、或沿豎直方向、或指向圓內(nèi)但不向心，這些都導(dǎo)致小球不能沿著虛線做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。

3.3 個(gè)性化完成任務(wù)——不斷調(diào)整策略

本系統(tǒng)界面能夠?qū)W(xué)生的行為作出實(shí)時(shí)反饋，一個(gè)方面是反饋小球的運(yùn)動(dòng)軌跡，另一方面是動(dòng)態(tài)顯示學(xué)生對(duì)小球的施力方向。學(xué)生可以根據(jù)自己對(duì)系統(tǒng)反饋信息的理解來判斷自己的操作是否出現(xiàn)問題，進(jìn)而調(diào)整自己對(duì)小球施力的方向。反應(yīng)靈敏、悟性高的學(xué)生較早地發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)調(diào)整策略，這樣便能夠很快完成操作任務(wù)。如圖5所示，有的學(xué)生需要多次反復(fù)執(zhí)行任務(wù)，直至發(fā)現(xiàn)問題根源所在才能作出正確的調(diào)整，這樣完成任務(wù)所需時(shí)間較長(zhǎng)。

3.4 反思任務(wù)——重新建構(gòu)知識(shí)

在最后一個(gè)環(huán)節(jié)，給學(xué)生設(shè)置一個(gè)反思問題：“從虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的學(xué)習(xí)中你收獲到什么？”這個(gè)問題主要是讓學(xué)生對(duì)這節(jié)課的學(xué)習(xí)進(jìn)行總結(jié)，讓學(xué)生回顧自己在完成任務(wù)的每一個(gè)環(huán)節(jié)，從一開始沒有正確地對(duì)小球施加指向圓心的力到最后完成任務(wù)，在運(yùn)用知識(shí)的過程中重新建構(gòu)“向心力時(shí)刻指向圓心”的要點(diǎn)，也是讓學(xué)生體會(huì)“做中學(xué)”的樂趣和收獲。

4 總 結(jié)

因材施教從古至今都受到很高的推崇。但是，如何更好地將因材施教的原則貫穿于實(shí)際教學(xué)之中，這是值得每一位教育者思考的問題?！耙虿氖┙獭迸c“以學(xué)生為本”的出發(fā)點(diǎn)是一致的，本著從學(xué)生的角度出發(fā)，根據(jù)學(xué)生的個(gè)性差異實(shí)施不同的教學(xué)策略。教學(xué)策略的不同可以是教學(xué)方法的不同、教學(xué)內(nèi)容的不同、教學(xué)難度的不同抑或是教學(xué)進(jìn)度的不同等。本次美國(guó)的教學(xué)研究項(xiàng)目以虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為載體，讓學(xué)生在執(zhí)行實(shí)驗(yàn)任務(wù)的過程中建構(gòu)對(duì)“向心力時(shí)刻指向圓心”的深刻理解?？紤]到不同學(xué)生的學(xué)識(shí)水平差異、個(gè)性特性差異和接受能力的差異，讓學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化的探索和學(xué)習(xí)，踐行因材施教的原則，讓學(xué)生自主考查自己對(duì)知識(shí)的理解和運(yùn)用，在虛擬實(shí)驗(yàn)的可視化和實(shí)施反饋下進(jìn)行概念轉(zhuǎn)變，建構(gòu)對(duì)知識(shí)的真正理解。這種教學(xué)融合了因材施教的教育原則，采用了虛擬實(shí)驗(yàn)的信息技術(shù)手段，達(dá)到了“做中學(xué)”的教育目標(biāo)，也培養(yǎng)了學(xué)生的情感態(tài)度價(jià)值觀，對(duì)我國(guó)基礎(chǔ)教育具有借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張永華，杜蕾.淺談因材施教[J]. 首都師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2007（S1）：93—95.

[2]王策三.教學(xué)論稿[M].北京：人民教育出版社，1985：162.

[3]世界人權(quán)宣言（第二十六條）[EB/OL]. http：//www.un.org/chinese/hr/issue/udhr.htm.

[4]顧明遠(yuǎn).教育要順應(yīng)孩子成長(zhǎng)的天性[J]. 中國(guó)教育學(xué)刊， 2012（1）：4—11.

[5][美] Linda Campbell， Bruce Campbell， Dee Dickinson.多元智能教與學(xué)的策略[M]. 北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2001.

[6]許潔英.如何對(duì)待教學(xué)中學(xué)生的個(gè)體差異——從適應(yīng)到超越[J].課程·教材·教法， 2006（7）：26—30.

[7]周龍影，歐陽華. 從多元智能理論看因材施教[J]. 江蘇大學(xué)學(xué)報(bào) （高教研究版）， 2003（3）：19—22.

[8]梁久琳.仿真實(shí)驗(yàn)法在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用探討[D]. 長(zhǎng)春：東北師范大學(xué)碩士學(xué)位論文， 2009：11—15.

[9]劉云覽， 季長(zhǎng)江， 舒信隆. 計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)與DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)的整合探索——論虛實(shí)一體仿真教學(xué)課件的研發(fā)[J]. 物理教學(xué)探討， 2006，24（7）：53—56.

[10]陳謙敢. 虛擬儀器技術(shù)在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].物理教學(xué)探討，2003，21（17）：42—44.

[11]Demaree， D， Stonebraker， S， Zhao， W， &Bao， L. Learning From Where Students Look While Observing Simulated Physical Phenomena. 2005. From：http：//www.physics.ohio-state.edu/～physedu/vr/research/04-osaps-demaree-poster.pdf

[12]Zhou， Shaona， Han Jing， PelzNathaniel， et al. Inquiry style interactive virtual experiments： a case on circular motion[J]. European Journal of Physics，2011，32（6）：1597—1606.

（欄目編輯 鄧 磊）