開(kāi)源軟件在物理教學(xué)中的輔助效果

汪智 劉露

【摘 要】在信息技術(shù)融合學(xué)科教學(xué)的實(shí)踐創(chuàng)新中，開(kāi)放性源代碼的軟件教學(xué)資源較為豐富，其中視頻分析軟件Tracker、互動(dòng)式仿真軟件PhET與高中物理教學(xué)內(nèi)容和方法契合度較高，因此對(duì)相關(guān)開(kāi)源軟件在物理教學(xué)中的具體應(yīng)用效果進(jìn)行研究有現(xiàn)實(shí)意義。本文從混合研究路徑出發(fā)，通過(guò)對(duì)開(kāi)源軟件應(yīng)用下的高中物理教學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)開(kāi)源軟件對(duì)學(xué)生的物理成績(jī)有顯著影響，且具有大規(guī)模效應(yīng)量。

【關(guān)鍵詞】開(kāi)源軟件;Tracker;PhET;物理教學(xué)

物理是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)，在高中課堂上使用視頻分析軟件Tracker和互動(dòng)式仿真軟件PhET等一些開(kāi)源軟件來(lái)輔助教學(xué)是有益的，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究學(xué)習(xí)物理是可取的[1]。本研究旨在用實(shí)踐的方式，探索在具體的學(xué)科內(nèi)容模塊知識(shí)點(diǎn)下，開(kāi)源軟件提升物理教學(xué)效率的程度。本研究建立起一套以成績(jī)數(shù)據(jù)可視化為基礎(chǔ)的教學(xué)反饋系統(tǒng)，該系統(tǒng)的內(nèi)容如圖1所示。

首先是在集體備課的基礎(chǔ)上，教師組織各班級(jí)學(xué)生學(xué)習(xí)同一內(nèi)容。其次是在教學(xué)后，教師給學(xué)生設(shè)置統(tǒng)一化的練習(xí)或檢驗(yàn)，學(xué)生獨(dú)立完成，教師批改。再次是收集學(xué)生的原始成績(jī)數(shù)據(jù)，形成學(xué)生成績(jī)Excel文件。最后是教師通過(guò)Tableau將學(xué)生的成績(jī)數(shù)據(jù)可視化，直觀地觀察分析學(xué)生的學(xué)情，制定下一段教學(xué)計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)因材施教。

1? ?研究過(guò)程

研究過(guò)程中，嚴(yán)格按照研究設(shè)計(jì)概況圖（如圖2）的流程收集一些學(xué)生成績(jī)。這些數(shù)據(jù)包括學(xué)生的前測(cè)成績(jī)和后測(cè)成績(jī)，學(xué)生前測(cè)成績(jī)?yōu)閷W(xué)生中考時(shí)的理化成績(jī)，學(xué)生后測(cè)成績(jī)?yōu)閷?shí)驗(yàn)組教學(xué)的成績(jī)和控制組教學(xué)的成績(jī)。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分析將作為中期結(jié)果和部分后期結(jié)果。

處理數(shù)據(jù)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(jī)圖，在同一張箱體圖中，可以清晰地體現(xiàn)不同班級(jí)之間所有學(xué)生的物理成績(jī)差異，同時(shí)又可以通過(guò)加入顏色差異來(lái)反映學(xué)生的中學(xué)基礎(chǔ)情況（在圖3中，中考理化得分用顏色來(lái)標(biāo)識(shí)，藍(lán)色程度越深代表學(xué)生的中考理化成績(jī)?cè)礁?，紅色越深則代表中考理化成績(jī)?cè)降停?。這意味著通過(guò)這一幅可視化的學(xué)習(xí)成績(jī)分布圖，任教教師可以清楚地判斷物理成績(jī)較高的學(xué)生是否是基礎(chǔ)比較好的學(xué)生。

使用視頻分析軟件Tracker輔助教學(xué)的16班、17班分別是實(shí)驗(yàn)班1和實(shí)驗(yàn)班2，對(duì)照班級(jí)為15班。

其中對(duì)照班也就是15班中較高四分位點(diǎn)為69.5分，中位數(shù)為59分，較低四分位點(diǎn)為49分;實(shí)驗(yàn)班1也就是16班中較高四分位點(diǎn)為80分，中位數(shù)為67分，較低四分位點(diǎn)為57分;實(shí)驗(yàn)班2也就是17班中較高四分位點(diǎn)為81分，中位數(shù)為70分，較低四分位點(diǎn)為56分。

以上數(shù)據(jù)整體反映出了實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班的成績(jī)分布，可知實(shí)驗(yàn)班的成績(jī)整體上要優(yōu)于對(duì)照班，同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生成績(jī)與一些變量的關(guān)系。如本研究發(fā)現(xiàn)中考理化基礎(chǔ)不同的學(xué)生在經(jīng)過(guò)開(kāi)源軟件輔助教學(xué)后成績(jī)變化可能不同，性別不同的學(xué)生在經(jīng)過(guò)開(kāi)源軟件輔助教學(xué)后成績(jī)變化可能不同。這些將通過(guò)統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)一步分析。

2? ?數(shù)據(jù)分析

利用SPPS 24.0分析學(xué)生的測(cè)驗(yàn)得分，經(jīng)過(guò)信度分析得出克龍巴赫系數(shù)為0.644，研究信度尚可。

測(cè)試包括測(cè)試1和測(cè)試2，測(cè)試1是普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)必修一第一章第三節(jié)“運(yùn)動(dòng)快慢的描述——速度”的相關(guān)內(nèi)容測(cè)試。測(cè)試2是普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)必修一第一章第五節(jié)“運(yùn)動(dòng)變化快慢的描述——加速度”的相關(guān)內(nèi)容測(cè)試。

針對(duì)測(cè)試1，對(duì)實(shí)驗(yàn)班1和對(duì)照班的成績(jī)進(jìn)行方差相等假設(shè)檢驗(yàn)，兩組數(shù)據(jù)的方差是相等的。獨(dú)立樣本檢驗(yàn)結(jié)果中t=-3.371，對(duì)應(yīng)的P=0.000<0.05，因此可得兩組數(shù)據(jù)總體的平均值存在著統(tǒng)計(jì)意義下的顯著性差異，在這里拒絕虛無(wú)假設(shè)，即使用開(kāi)源軟件來(lái)輔助教學(xué)的實(shí)驗(yàn)班級(jí)與對(duì)照班級(jí)在測(cè)試1中存在顯著性差異，實(shí)驗(yàn)班1測(cè)試1的成績(jī)要顯著優(yōu)于對(duì)照班。實(shí)驗(yàn)班1的平均分為68.63分，對(duì)照班的平均分為59.43分，再通過(guò)兩者的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算出效應(yīng)量ES=0.65，屬于大規(guī)模效應(yīng)量，說(shuō)明兩個(gè)群體的物理測(cè)試1成績(jī)有很大比例不重疊，表明實(shí)驗(yàn)班1測(cè)試1的成績(jī)大規(guī)模優(yōu)于對(duì)照班級(jí)。

針對(duì)測(cè)試1，對(duì)實(shí)驗(yàn)班2和對(duì)照班的成績(jī)進(jìn)行方差相等假設(shè)檢驗(yàn)，兩組數(shù)據(jù)的方差是相等的。獨(dú)立樣本檢驗(yàn)結(jié)果中t=-3.158，對(duì)應(yīng)的P=0.001<0.05，因此可得兩組數(shù)據(jù)總體的平均值存在著統(tǒng)計(jì)意義下的顯著性差異，在這里拒絕虛無(wú)假設(shè)，即使用開(kāi)源軟件來(lái)輔助教學(xué)的實(shí)驗(yàn)班2與對(duì)照班在測(cè)試1中存在顯著性差異。在測(cè)試1中，實(shí)驗(yàn)班2的平均分為69.33分，對(duì)照班的平均分為59.41分，再通過(guò)兩者的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算出效應(yīng)量ES=0.65，屬于大規(guī)模效應(yīng)量，說(shuō)明兩個(gè)群體的物理測(cè)試1成績(jī)有很大比例不重疊。這說(shuō)明使用開(kāi)源軟件來(lái)輔助教學(xué)的實(shí)驗(yàn)班級(jí)在成績(jī)上較大幅度優(yōu)于對(duì)照班級(jí)。

對(duì)測(cè)試2成績(jī)進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)班1和對(duì)照班兩組數(shù)據(jù)的方差是相等。獨(dú)立樣本檢驗(yàn)結(jié)果中t=-0.898，對(duì)應(yīng)的P=0.186>0.05，因此可得兩組數(shù)據(jù)總體的平均值存在著統(tǒng)計(jì)意義下的無(wú)顯著性差異，在這里不拒絕虛無(wú)假設(shè)，即使用開(kāi)源軟件來(lái)輔助教學(xué)的實(shí)驗(yàn)班1與對(duì)照班在測(cè)試2中不存在顯著性差異。實(shí)驗(yàn)班2和對(duì)照班兩組數(shù)據(jù)的方差相等。獨(dú)立樣本檢驗(yàn)結(jié)果中t=-1.589，對(duì)應(yīng)的P=0.055>0.05，因此可得兩組數(shù)據(jù)總體的平均值存在著統(tǒng)計(jì)意義下的無(wú)顯著性差異，在這里不拒絕虛無(wú)假設(shè)，即使用開(kāi)源軟件來(lái)輔助教學(xué)的實(shí)驗(yàn)班2與對(duì)照班在測(cè)試2中不存在顯著性差異。

將中考理化成績(jī)前50%的學(xué)生定義為提高組，中考理化成績(jī)后50%的學(xué)生定義為基礎(chǔ)組。研究表明，實(shí)驗(yàn)班1、2的提高組與對(duì)照班的提高組的中考理化成績(jī)無(wú)顯著性差異。

測(cè)試1中實(shí)驗(yàn)班1、2的提高組優(yōu)于對(duì)照班的提高組，實(shí)驗(yàn)班1、2的基礎(chǔ)組優(yōu)于對(duì)照班的基礎(chǔ)組，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表現(xiàn)出顯著性差異，效應(yīng)量均為大規(guī)模效應(yīng)量。在測(cè)試2中實(shí)驗(yàn)班1、2的提高組優(yōu)于對(duì)照班的提高組，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表現(xiàn)出顯著性差異，效應(yīng)量均為大規(guī)模效應(yīng)量。在測(cè)試2中實(shí)驗(yàn)班1、2的基礎(chǔ)組與對(duì)照班的基礎(chǔ)組無(wú)顯著性差異。

將學(xué)生的性別作為變量，繼續(xù)檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在高中物理教學(xué)中使用視頻分析軟件Tracker后，男生和女生的成績(jī)沒(méi)有顯著性差異。

3? ?結(jié)論

綜合研究結(jié)果，本研究認(rèn)為：①高中物理教學(xué)中每周使用開(kāi)源軟件1—2次會(huì)顯著提高高一年級(jí)學(xué)生標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的成績(jī)，且成績(jī)的效應(yīng)量屬于大規(guī)模效應(yīng)量;②高中物理教學(xué)中使用視頻分析軟件Tracker會(huì)顯著地提高學(xué)生運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的成績(jī)，且成績(jī)的效應(yīng)量屬于大規(guī)模效應(yīng)量;③高中物理教學(xué)中使用PhET互動(dòng)式仿真軟件會(huì)顯著提高學(xué)生電磁學(xué)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的成績(jī);④高中物理教學(xué)中使用視頻分析軟件Tracker會(huì)顯著地提高優(yōu)生運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的成績(jī)，且成績(jī)的效應(yīng)量屬于大規(guī)模效應(yīng)量;⑤高中物理教學(xué)中使用視頻分析軟件Tracker后，男生和女生的成績(jī)沒(méi)有顯著性差異。

【參考文獻(xiàn)】

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