徐錢欣

(湖北大學物理與電子科學學院 湖北 武漢 430062)

謝 琴

(武漢市實驗學校 湖北 武漢 430014)

丁益民 范 兵 郭雪如

(湖北大學物理與電子科學學院 湖北 武漢 430062)

信息技術與學科教學的融合是信息時代對教育的要求，也是教育發(fā)展的必然趨勢.一方面，新媒體和新技術極大地豐富了教學手段，提高了教學質量；另一方面，教育信息化浪潮涌現(xiàn)的新理論和新產品，由于太過專業(yè)和復雜，也給一線基層教師帶來使用的困難和工作的負擔.近年來，黎加厚和焦建利等知名教授，在教育信息化中借鑒極簡主義，提倡基層學校師生根據實際情況使用簡單易學、高效實用的教育技術，是促進融合創(chuàng)新的新思路，提供了豐富的研究基礎[1～4].但多數(shù)研究是從宏觀的角度進行頂層設計，對于怎樣具體開展極簡教育技術支持下的物理教學，目前研究較少.鑒于此，本文對NOBOOK虛擬實驗等極簡技術在高中物理模型建構中的應用進行分類闡述，并通過具體案例展示了極簡技術與課堂教學的融合.

1 極簡教育技術介紹

1.1 極簡教育技術簡介

“極簡教育技術”這個詞最早出現(xiàn)在《馬九克極簡教育技術叢書》中，黎加厚教授認為這是第一次在公開出版物上提出了“極簡教育技術”的概念.黎加厚教授認為，“極簡教育技術”是指在學校教學工作中，倡導師生使用方便、實用、易學、易用、能夠有效提高工作學習效率的技術.他概括出了極簡教育技術的三大特點：

第一，掌握簡便.易學、易用、方便、省時.

第二，解決問題.實用，有效，能夠解決工作中的實際問題.

第三，提高效率.減輕工作強度，提高教學效率和質量.

焦建利教授提出“簡約不簡單之極簡教育技術”，他認為，所謂極簡教育技術，就是對一線教師和學生來說，是學得會的，甚至是傻瓜化的教育科技；是用得上的，能減負的教育科技；是能提升一線教師和學生勞動創(chuàng)造性的，也是能促進教師專業(yè)發(fā)展的教育科技[2].“技術服務教學，而且必須簡單易學”，這正是極簡教育技術所倡導的理念.

近年，極簡技術風靡教育界，極簡技術與學科融合受到越來越多師生的歡迎，一些好用、實用，有效為教學服務的軟件也得到基層學校的支持.

1.2 NOBOOK虛擬實驗簡介

NOBOOK虛擬實驗(簡稱NB實驗)是由北京樂步教育科技有限公司研發(fā)的一款虛擬仿真教學軟件.NB實驗可支持多終端跨平臺訪問——電子白板、臺式機、平板電腦等終端均可使用，Windows，IOS，Android全平臺適應，無需單獨配置硬件，一賬號通用，任意平臺一鍵轉發(fā).NOBOOK物理不僅支持各種DIY探究，生動呈現(xiàn)逼真的實驗現(xiàn)象，滿足個性化教學需求，而且簡單易學，師生輕輕松松就能上手，是一款學生學得會、教師用得上、學校易落地的極簡教學軟件.

2 高中物理模型建構的現(xiàn)狀分析

《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱“新課標”)明確了物理學科核心素養(yǎng)的具體內容，科學思維是物理學科核心素養(yǎng)的重要方面，而模型建構又是科學思維的要素之一，它與科學推理、科學論證和質疑創(chuàng)新等構成了科學思維[5].模型建構對學生發(fā)展能夠起到促進作用，但在日常教學過程中，總會出現(xiàn)種種問題.

2.1 教師運用新技術教學的困擾

模型建構需要借助特定的內容載體——物理模型才能形成，如何引導學生理解物理模型的性質，并恰當選用物理模型,或將復雜問題轉化成物理模型，是教師需要關注的重點.多媒體等信息技術極大豐富了課堂形式，為模型建構的教學提供了諸多便利，但同時也帶來了其他方面的困擾.海量信息和無窮無盡的新技術、新軟件讓教師目不暇接，一方面，平時備課、教學、作業(yè)批改、訂正，已經花費太多精力，另一方面，新技術太過專業(yè)和復雜，給教師徒增工作負擔.一些教師存在倦怠的思想，未經甄選采用不切合實際的教學軟件，將關于物理模型的知識直接灌輸給學生，用結論性教學代替過程性教學，造成資源與實際教學和學生知識水平不符的現(xiàn)象，失去了信息化教學的優(yōu)勢.

2.2 學生缺乏高中物理建模思維

仔細分析近幾年高考物理命題趨勢，越來越注重將物理知識與實際生活相結合，考查學生的建模能力.而學生“一做題就錯”，做題過程思維混亂，只會機械性記憶公式和套用公式，正是“重結果輕過程”導致學生建模能力不足的表現(xiàn)[6].學生思維容易受到自身思維定勢和問題表象的干擾，不能很好地運用原有認知來建構模型，無法合理創(chuàng)設情境，還原物理問題，造成物理模型建構過程存在障礙.

3 NOBOOK虛擬實驗在教學中的應用策略

物理模型是對研究對象的高度簡化及概括，在建構物理模型的過程中，要根據不同的問題情境，挖掘出研究對象不同的屬性特點.問題的研究方向不同，抽象形成的模型也有差異.本文對高中物理2019年人教版新教材進行整理歸納，在必修1、必修2、必修3、選擇性必修1、選擇性必修2、選擇性必修3中篩選出重要物理模型，并將其劃分為物質模型、過程模型、條件模型、相互作用模型等.

3.1 NB物理實驗在物質模型建構中的應用

物質模型是根據研究的問題或情境，抓住事物的主要因素，忽略次要因素，并對事物的主要因素進行抽象概括后最終形成的模型，如質點、輕木桿、彈簧振子等[5].

以新人教版選擇性必修1第二章“機械振動”為例，為了研究簡諧運動，我們運用理想化方法，建立彈簧振子模型，并且分別研究豎直彈簧振子和水平彈簧振子在理想條件下的振動.在傳統(tǒng)課堂中，教師講授多以口述和板書為主，偶爾用PPT課件輔助，但PPT課件大多用于展示圖片、概念和習題，并未有效發(fā)揮其功能[7].新課標明確要求學生“能用恰當?shù)奈锢砹棵枋龊喼C運動和機械波，能說明機械波的特點，并能解釋生產生活中的有關現(xiàn)象”，這就要求教師選用合適的信息技術，幫助學生建構抽象的彈簧振子模型，并學會用x-t波形、v-t波形、a-t波形和F-t波形圖像定量描述彈簧振子的運動.

在教學過程中，教師采用演示法、分組實驗法、小組討論法等多種教學方法，通過生活中的振動實例引入新課，借助NOBOOK平臺建立理想實驗“繪制彈簧振子的振動圖像”，讓學生觀察，提出猜想和疑問，如圖1所示.

圖1 “繪制彈簧振子的振動圖像”實驗界面

為了突破教學重難點，讓學生分組實驗，親自建立彈簧振子振動的x-t波形圖像，通過NOBOOK降低實驗難度和減小實驗誤差，幫助學生繼續(xù)探討v-t波形、a-t波形和F-t波形圖像，從易到難，由淺入深，有利于學生得到描述彈簧振子運動狀態(tài)的函數(shù)表達式，如圖2所示.

圖2 “豎直彈簧振子”實驗界面

通過對圖2中豎直彈簧振子的學習，引導學生分組討論水平彈簧振子的運動情況，并改變實驗參數(shù)，勾選對應的波形圖像按鈕，定量分析水平彈簧振子的運動，如圖3所示.鼓勵學生從不同角度對猜想進行驗證，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度.

圖3 “水平彈簧振子”實驗界面

3.2 NB物理實驗在過程模型建構中的應用

過程模型是為了研究復雜運動過程，根據研究對象的屬性和需要，將運動過程中的主要因素保留，忽略次要因素，揭示事物本質的理想過程，如平拋運動、帶電粒子在磁場中的運動等[5].

以新人教版選擇性必修2第一章“安培力與洛倫茲力”為例，帶電粒子在磁場中的運動問題一直是考試重點，也是教師教學和學生學習的難點[8].新課標要求學生“能用洛倫茲力分析帶電粒子在勻強磁場中的圓周運動.了解帶電粒子在勻強磁場中的偏轉及其應用.了解質譜儀和回旋加速器的工作原理”.實際教學中，教師通常采用播放視頻等方式，直接給學生“灌輸”儀器的工作原理，更關注“教的怎樣”而忽視了學生“學得怎樣”，本應處于主體地位的學生成了“配角”，使得課堂有“教”無“學”，學生對于物理模型的理解處于淺層運行的畸形狀態(tài).而虛擬實驗能讓知識可視化，有效增加了教學的科學性和探究性，回歸教學本質.

圖4是質譜儀模型示意圖，師生可通過改變帶電粒子運動速度、磁場大小及方向等參數(shù)，多角度、多維度探究質譜儀的工作原理，讓抽象的、看不見的粒子運動得以清晰地展現(xiàn)及操作體驗.

圖4 質譜儀模型示意圖

圖5是回旋加速器模型示意圖，虛擬實驗避免了傳統(tǒng)課堂教師“口授”，學生“假想”的尷尬，通過動態(tài)展示電場方向的周期性變化，幫助學生理解帶電粒子運動周期與電場方向變化周期的關系，引導學生思考和探究，激發(fā)學生的自主學習能力，改變了教師“說實驗”“畫實驗”等教學痛點.

圖5 回旋加速器模型示意圖

3.3 NB物理實驗在條件模型建構中的應用

條件模型是將研究對象的外部條件進行理想化處理后建構的完美模型，如恒定電流、光滑平面、恰好分離及相遇等[5].

以勻強磁場模型建構為例，勻強磁場是指內部磁場強弱和方向處處相同的磁場，它是一個理想化概念，完全均勻的磁場是不存在的.蹄形磁鐵和通電螺線管中的磁場均不是勻強磁場，但是為了方便問題的研究，便將其理想化為勻強磁場.勻強磁場模型的建立，為學生下一步的科學推理奠定了基礎，如探究帶電粒子在勻強磁場中的運動規(guī)律等[5].

圖6是帶電粒子在電磁場中的運動示意圖，通過改變電場強度、磁場強度及方向等物理量，學生可觀察帶電粒子不同的運動軌跡，增強了課堂互動性，提高了學生的學習興趣.

圖6 帶電粒子在電磁場中的運動示意圖

3.4 NB物理實驗在相互作用模型建構中的應用

相互作用模型是為了對物體間的關系進行定性和定量描述，將系統(tǒng)與外界的相互作用變量表示為系統(tǒng)的狀態(tài)變量函數(shù)，如萬有引力、洛倫茲力等[5].

以新人教版必修第二冊第七章“萬有引力與宇宙航行”為例，本章復雜的公式計算，均建立在多星系統(tǒng)的物理模型之上[9].虛擬軟件可以動態(tài)展示多星運轉情況，讓學生不再去憑空假想模型.

圖7是萬有引力三星系統(tǒng)簡化圖，其中邊長L的長度可隨意設置，模型可動態(tài)旋轉，化繁為簡，幫助學生理解復雜的天體運動.

圖7 萬有引力三星系統(tǒng)簡化圖

4 教學實踐效果反饋

為了檢驗NOBOOK虛擬實驗等極簡技術在物理模型建構教學中的影響，筆者采用問卷調查和對比研究的方法，將高二(2)班和高二(7)班兩個物理成績水平大致相同的班級作為實驗對象，其中高二(2)班作為實驗組，教學主線以物理模型為中心展開，課堂組織形式為教師引導和學生討論，借助NOBOOK虛擬實驗設計教學流程，引導學生合作探究物理模型.高二(7)班作為對照組，教學主線以系統(tǒng)化講解知識為主，課堂組織形式為教師講解和學生練習，教師按部就班地進行知識的講解，然后學生習題訓練.教學實踐為期一個月左右，直到完成本章教學內容.通過問卷調查和月考成績，考查學生的學習情況，進行班級間對比分析.

對比發(fā)現(xiàn)，在物理月考成績分析中，高二(2)班與高二(7)班的優(yōu)秀率大致相同，但高二(2)班的合格率明顯優(yōu)于高二(7)班，且通過統(tǒng)計調查問卷結果，發(fā)現(xiàn)高二(2)班的學生對物理課堂的興趣更高了，更愿意在課堂參與師生互動和人機互動，表現(xiàn)出更強烈的學習情緒.通過對教師的交流采訪，教師表示“借助NOBOOK虛擬實驗，課堂形式更輕松，傳統(tǒng)的做題講題是比較枯燥的，老師和學生都沒有太大興趣，現(xiàn)有的視頻教學，動畫效果和交互性也差一些”.利用NOBOOK虛擬實驗，教師們很快就能熟練掌握操作，并運用到自己的課堂教學中，極大地為教師減負，讓教學更簡單.

5 結束語

極簡教育技術理念是教育信息化進程中的新思路，傳統(tǒng)課堂向極簡課堂進行轉變，可“簡”教師的工作量和學生的吸收難度，提高教學效率和教學質量，讓教育教學更加輕松、高效.NOBOOK虛擬實驗改變傳統(tǒng)教與學的模式，在建構物理模型的教學實踐中，提高了教師備課效率和學生學習興趣，讓教師樂教，學生樂學，易用、好用、管用.極簡教育技術理念視角下的物理課堂設計，如何完善和發(fā)展，極簡技術與物理學科的融合，如何揚長避短，是每一位教育工作者值得深思的問題.