基于智慧教室技術(shù)的物理科學(xué)建模實(shí)證研究

摘" "要：隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，基于智慧教室技術(shù)的教學(xué)對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的影響廣受關(guān)注。探索教師運(yùn)用智慧教室技術(shù)開展科學(xué)建模教學(xué)實(shí)踐及發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)可行途徑成為必然。以智慧教室畫圖工具、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)策略的融合程度為自變量，通過準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法控制自變量，將335名高中學(xué)生分為三組實(shí)施光學(xué)建模教學(xué)，研究其對(duì)學(xué)生物理模型認(rèn)識(shí)和建模能力的影響。研究結(jié)果表明，“智慧教室畫圖工具+小組合作”的學(xué)生主動(dòng)式建模略優(yōu)于“智慧教室畫圖工具+教師講授”的學(xué)生驗(yàn)證式被動(dòng)建模，教師在建?；顒?dòng)中的講授作用不能忽視。學(xué)生主導(dǎo)的小組合作主動(dòng)式建模更容易使學(xué)生的建模水平發(fā)生分化，教師主導(dǎo)的學(xué)生被動(dòng)式建模呈現(xiàn)出集約化發(fā)展特征，為辯證看待教與學(xué)中的師生作用再添新證。

關(guān)鍵詞：智慧教室；畫圖工具；建模教學(xué)；科學(xué)建模核心素養(yǎng)；小組合作

中圖分類號(hào)：G434" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" " " " "文章編號(hào)：1673-8454（2023）11-0097-15

DOI：10.3969/j.issn.1673-8454.2023.11.011

作者簡(jiǎn)介：鹿傳旺，山東省淄博第一中學(xué)高級(jí)教師，淄博市物理學(xué)科基地負(fù)責(zé)人（山東淄博 255200）；劉漢平，德州學(xué)院物理與電子信息學(xué)院副教授，博士（山東德州 253023）；翟小銘，佐治亞大學(xué)（美）教育學(xué)院助理教授，博士（美國(guó)雅典 30602）；錢冬，山東省淄博第一中學(xué)中級(jí)教師（山東淄博 255200）

基金項(xiàng)目：2020年度山東省教育教學(xué)研究課題“智慧教室教學(xué)環(huán)境下高中物理科學(xué)建模核心素養(yǎng)研究”（編號(hào)：2020JXY247）

一、問題提出

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》將科學(xué)建模作為物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，對(duì)科學(xué)建模能力給予廣泛關(guān)注。[1][2]研究發(fā)現(xiàn)，美國(guó)在30多年的科學(xué)建模教育發(fā)展過程中，相繼經(jīng)歷要素視角、行為視角、認(rèn)知視角、建構(gòu)視角等不同的認(rèn)識(shí)階段。[3]有學(xué)者經(jīng)過系統(tǒng)研究后認(rèn)為，科學(xué)建模能力具備內(nèi)在的心智思維和外在的科學(xué)探究?jī)煞N能力的特質(zhì)。[3]由于科學(xué)建模能力的復(fù)雜性，其教學(xué)、測(cè)量和評(píng)價(jià)非常困難，一直是國(guó)際科學(xué)教育領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)?；诖?，國(guó)內(nèi)許多專家、學(xué)者、一線教師也都在進(jìn)行積極的探索。例如，有學(xué)者建構(gòu)了高中生物理科學(xué)建模素養(yǎng)模型，[4]實(shí)證研究了建模素養(yǎng)的測(cè)量方法，在此基礎(chǔ)上建構(gòu)其學(xué)習(xí)進(jìn)階，[5]并實(shí)踐了建模教學(xué)模式，[6][7]初步研究了學(xué)生通過畫圖來建模的表現(xiàn)。其研究表明，學(xué)生的建模素養(yǎng)有一定的學(xué)習(xí)進(jìn)階層級(jí)；學(xué)生畫圖建模的能力不容樂觀；將畫圖有效融入物理建模教學(xué)可能會(huì)提高學(xué)生的建模核心素養(yǎng)和對(duì)模型的認(rèn)識(shí)理解（尚缺乏足夠的實(shí)證研究）。然而，根據(jù)相關(guān)學(xué)者對(duì)建模能力測(cè)評(píng)的研究，[8]目前，國(guó)內(nèi)外還缺乏有效的工具促進(jìn)學(xué)生物理建模核心素養(yǎng)的發(fā)展。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智慧教育的發(fā)展，通過智慧教室畫圖工具引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行物理建模教學(xué)將有可能有效提高學(xué)生科學(xué)建模核心素養(yǎng)。

智慧教室為深化落實(shí)科學(xué)建模核心素養(yǎng)提供有效手段和平臺(tái)。以“智慧教室”為標(biāo)志的教學(xué)生態(tài)能夠使學(xué)生的物理學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)從數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境向智能化學(xué)習(xí)環(huán)境的根本轉(zhuǎn)變。[9]然而，教育技術(shù)是否能深刻改變學(xué)習(xí)方式而不是簡(jiǎn)單替代傳統(tǒng)教學(xué)、學(xué)生學(xué)習(xí)中是否處于積極主動(dòng)的地位，對(duì)技術(shù)的使用效果有關(guān)鍵性影響。[10]研究表明，技術(shù)本身并不能給學(xué)習(xí)帶來根本性轉(zhuǎn)變，有效的學(xué)習(xí)必須實(shí)現(xiàn)技術(shù)與教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)策略的有效融合。[11]

本研究以建構(gòu)主義理論為基礎(chǔ)，以智慧教室技術(shù)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)策略的融合程度為自變量，通過準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究方法比較不同教學(xué)干預(yù)對(duì)高中學(xué)生物理科學(xué)建模核心素養(yǎng)的發(fā)展影響。

二、研究思路與方法

（一）研究對(duì)象

在實(shí)驗(yàn)學(xué)校選取9個(gè)班級(jí)的高中二年級(jí)學(xué)生為研究對(duì)象。每個(gè)班級(jí)大約有40人左右，共335人，男生188人，女生147人。學(xué)生通過采用平行分班的方式以保證各個(gè)班級(jí)之間具有相同的原始基礎(chǔ)。

（二）教學(xué)內(nèi)容

高中物理選擇性必修1第四單元《光》共六節(jié)，涉及光的折射、全反射、干涉、衍射、偏振等內(nèi)容。光學(xué)現(xiàn)象既抽象又難理解，為了能更好地理解光學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)，可以通過畫圖建構(gòu)光學(xué)現(xiàn)象模型來嘗試提高學(xué)習(xí)的效率。在高中光學(xué)部分進(jìn)行建模教學(xué)的實(shí)證研究非常少，且建模學(xué)習(xí)缺乏學(xué)習(xí)手段（如智慧教室畫圖工具）和教學(xué)策略（如教師指導(dǎo)學(xué)習(xí)或?qū)W生自主探究）的支撐，也沒有足夠?qū)嵶C證據(jù)來幫助學(xué)生理解模型本質(zhì)。因此，以人教版最新教材為教學(xué)指導(dǎo)用書，以高中物理選擇性必修1第四單元《光》為教學(xué)內(nèi)容開展研究。

（三）智慧教室技術(shù)

本研究中的智慧教室畫圖工具，所支持的建模實(shí)踐活動(dòng)包括如下功能：利用手寫筆（畫筆）進(jìn)行手繪，用測(cè)量繪圖工具包（如直尺、三角板、量角器等）精確畫圖，嵌入幾何畫板工具，繪制變量間復(fù)雜關(guān)系模型，等等。學(xué)生在平板上利用上述畫圖工具將畫好的物理模型上傳到教師終端，或與其他同學(xué)分享；教師也可將指導(dǎo)意見、參考模型等推送至學(xué)生平板，從而幫助學(xué)生改進(jìn)模型。

（四）教學(xué)方式及研究問題

學(xué)生主導(dǎo)的教學(xué)1：基于問題驅(qū)動(dòng)的方式，讓學(xué)生通過主動(dòng)探究、小組合作來完成學(xué)習(xí)。在課堂上組織學(xué)生使用“智慧教室”畫圖工具來完成畫圖和模型建構(gòu)。教師在這個(gè)過程中提供最低限度的指導(dǎo)。

學(xué)生主導(dǎo)的教學(xué)2：基于問題驅(qū)動(dòng)的方式，讓學(xué)生通過主動(dòng)探究、小組合作來完成學(xué)習(xí)。不在課堂上組織學(xué)生使用“智慧教室”畫圖工具。教師在這個(gè)過程中提供最低限度的指導(dǎo)。

教師主導(dǎo)的教學(xué)：教師講述主要內(nèi)容，學(xué)生在教師指導(dǎo)下建構(gòu)模型，不采用小組合作學(xué)習(xí)的方式；學(xué)生使用“智慧教室”畫圖工具驗(yàn)證教師的一些講述內(nèi)容，畫出模型。教師將針對(duì)學(xué)生的建模進(jìn)行指導(dǎo)講解。

本研究回答以下三個(gè)問題：①與學(xué)生主導(dǎo)的教學(xué)2及教師主導(dǎo)的教學(xué)相比，經(jīng)過學(xué)生主導(dǎo)的、小組合作的在線畫圖方式學(xué)習(xí)《光》單元后能否更好地促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)模型以及科學(xué)建模本質(zhì)的理解？②與學(xué)生主導(dǎo)的教學(xué)2及教師主導(dǎo)的教學(xué)相比，通過學(xué)生主導(dǎo)的、小組合作的在線畫圖方式能否更好地提升學(xué)生對(duì)建構(gòu)光學(xué)模型的能力？③與學(xué)生主導(dǎo)的教學(xué)2及教師主導(dǎo)的教學(xué)相比，通過學(xué)生主導(dǎo)的、小組合作的在線畫圖方式能否更好地促進(jìn)學(xué)生對(duì)物理科學(xué)學(xué)習(xí)態(tài)度的轉(zhuǎn)變和興趣的提升？

（五）研究方法與教學(xué)過程實(shí)施

采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式將9個(gè)高中二年級(jí)班級(jí)隨機(jī)分為A組、B組、C組。三組之間嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)變量，進(jìn)行一個(gè)單元（四周）的教學(xué)。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)變量分別為學(xué)習(xí)手段、教學(xué)方式：學(xué)習(xí)手段，是否采用平板電腦上的“智慧教室”畫圖工具畫模型方式。教學(xué)方式，學(xué)生主導(dǎo)的教學(xué)1或2，教師主導(dǎo)的教學(xué)。A組為實(shí)驗(yàn)組，采用學(xué)生主導(dǎo)的教學(xué)1；B組為控制組，采用教師主導(dǎo)的教學(xué)；C組為控制組，采用學(xué)生主導(dǎo)的教學(xué)2。為了回答研究問題，對(duì)每個(gè)班級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)前一周內(nèi)進(jìn)行測(cè)試（前測(cè)），實(shí)驗(yàn)教學(xué)后一周內(nèi)進(jìn)行測(cè)試（后測(cè)），前測(cè)→實(shí)驗(yàn)教學(xué)→后測(cè)共歷時(shí)6周。研究設(shè)計(jì)如圖1所示。

（六）測(cè)量與統(tǒng)計(jì)工具

為回答“問題①”，選用相關(guān)學(xué)者編制的學(xué)生對(duì)科學(xué)模型的理解量表（Students’ Understanding of Models in Science，簡(jiǎn)稱SUMS）[12]為測(cè)量工具，據(jù)此測(cè)試學(xué)生對(duì)科學(xué)模型以及科學(xué)建模本質(zhì)的理解。該量表從五個(gè)維度共計(jì)27個(gè)題目對(duì)學(xué)生的建模和模型理解進(jìn)行深入測(cè)評(píng)，這五個(gè)維度分別為：①科學(xué)模型的多重表征性；②模型的實(shí)物等同性；③模型作為工具的解釋性；④科學(xué)模型的使用；⑤科學(xué)模型的可變性。SUMS采用5分制Likert（李克特）型量表呈現(xiàn)，“1” 代表非常不同意，“2”代表不同意，“3”代表不確定，“4”代表同意，“5”代表非常同意。經(jīng)可靠性檢測(cè)，前測(cè)數(shù)據(jù)信度值α=0.871，后測(cè)數(shù)據(jù)信度值α=0.801，可信度高。

為回答“問題②”，讓學(xué)生通過畫圖方式來建構(gòu)模型解釋光學(xué)現(xiàn)象，根據(jù)建模素養(yǎng)學(xué)習(xí)進(jìn)階框架建構(gòu)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，[5]來評(píng)定學(xué)生的建模能力及素養(yǎng)水平。前測(cè)、后測(cè)分別使用三個(gè)相同的測(cè)試題目：題目1要求學(xué)生建構(gòu)光學(xué)模型解釋海市蜃樓現(xiàn)象；題目2要求學(xué)生建構(gòu)光學(xué)模型來解釋漁夫叉魚現(xiàn)象；題目3要求學(xué)生建構(gòu)光學(xué)模型解釋彩虹現(xiàn)象。三個(gè)測(cè)試題目分別有三個(gè)評(píng)價(jià)維度（情境概念化、概念理解、模型表征）共29個(gè)評(píng)分點(diǎn)，每個(gè)評(píng)分點(diǎn)分三個(gè)等級(jí)（水平1、2、3）。前測(cè)、后測(cè)由同一位教師評(píng)分，然后再由另一位教師復(fù)核，保證評(píng)價(jià)的一致性和平等性。在每個(gè)評(píng)分項(xiàng)目上，評(píng)分教師依據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)分細(xì)則在水平1、2、3欄目?jī)?nèi)進(jìn)行評(píng)定。

為回答“問題③”，選用美國(guó)科羅拉多州立大學(xué)開發(fā)的物理科學(xué)學(xué)習(xí)態(tài)度測(cè)量量表（Colorado Learning Attitudes about Science Survey，簡(jiǎn)稱CLASS）為測(cè)量工具，[13]據(jù)此測(cè)量學(xué)生的物理科學(xué)學(xué)習(xí)態(tài)度及興趣。該量表從八個(gè)維度三個(gè)層面共計(jì)42個(gè)問題對(duì)學(xué)生的物理科學(xué)學(xué)習(xí)態(tài)度及興趣進(jìn)行深入測(cè)評(píng)，三個(gè)層面八個(gè)維度分別為：①個(gè)人興趣；②物理與生活的聯(lián)系；此為情感層面。③概念間聯(lián)系；④概念理解與應(yīng)用；⑤意義建構(gòu)；這三個(gè)為認(rèn)知層面。⑥解決一般問題的能力；⑦解決問題的信心；⑧解決復(fù)雜問題的能力；以上三個(gè)為應(yīng)用層面。CLASS采用5分制Likert（李克特）型量表呈現(xiàn)，“1” 代表完全不同意，“2”代表不太同意，“3”代表中立，“4”代表比較同意，“5”代表完全同意。經(jīng)可靠性檢測(cè)，前測(cè)數(shù)據(jù)信度值α=0.839，后測(cè)數(shù)據(jù)信度值α=0.853，可信度高。

SUMS量表和CLASS量表均為英文問卷，為保證翻譯符合中文閱讀習(xí)慣及準(zhǔn)確性，該問卷由從事科學(xué)教育研究的佐治亞大學(xué)助理教授執(zhí)筆翻譯。所使用的統(tǒng)計(jì)工具為適用于電腦版的SPSS 25.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。

三、數(shù)據(jù)分析與討論

（一）SUMS量表數(shù)據(jù)分析

1.分析說明

當(dāng)科學(xué)家對(duì)抽象和未知的實(shí)體進(jìn)行建模時(shí)，通常實(shí)際的外觀是未知的，或者是不相關(guān)的。[12]因此，不能簡(jiǎn)單地將科學(xué)模型看成是實(shí)際事物的復(fù)制品。對(duì)于量表中的第9項(xiàng)，模型應(yīng)該是實(shí)際事物的復(fù)制品；第10項(xiàng)，模型應(yīng)該與實(shí)際事物相近似；第11項(xiàng)，模型應(yīng)該非常精確地接近實(shí)際事物，從而該模型才無法被別人推翻；第15項(xiàng)，模型應(yīng)當(dāng)呈現(xiàn)出實(shí)際物體的功能及模樣；第16項(xiàng)，實(shí)物模型應(yīng)該比實(shí)際物體同比例變大或縮小。學(xué)生理解得越準(zhǔn)確，就越會(huì)選擇“不同意或非常不同意”，導(dǎo)致賦分低。為了與其它項(xiàng)保持正向一致賦分（理解越準(zhǔn)確賦分越高），對(duì)這幾項(xiàng)實(shí)行反向賦分。賦分標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整之后，整份量表得分越高表明學(xué)生對(duì)科學(xué)模型及其本質(zhì)的理解越好。因第5、14、15項(xiàng)兼具兩個(gè)維度的特征，在進(jìn)行各維度比較時(shí)，第5項(xiàng)分別加到科學(xué)模型的多重表征性和模型作為工具的解釋性兩個(gè)維度上，第14、15項(xiàng)分別加到模型的實(shí)物等同性和模型作為工具的解釋性上，整份量表的平均分與各維度的均分算出的平均分略有差別，不影響結(jié)論。

將數(shù)據(jù)用SPSS進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，刪掉標(biāo)準(zhǔn)化值絕對(duì)值大于2的異常值，在用協(xié)方差分析前后測(cè)的差異因素時(shí)，刪掉標(biāo)準(zhǔn)化殘差值大于3的異常值?？傆行颖玖繛?87，其中，A組為104，B組為93，C組為90。在進(jìn)行前后測(cè)配對(duì)t檢驗(yàn)以及單因素協(xié)方差分析時(shí)，分別對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)符合選用方法需要的前提條件。

2.整份量表前后測(cè)組內(nèi)變化及配對(duì)檢驗(yàn)

各組學(xué)生對(duì)科學(xué)模型以及科學(xué)建模本質(zhì)的理解呈現(xiàn)整體上升趨勢(shì)，如圖2所示，A組學(xué)生上升幅度最大，B組次之，C組最小。分別對(duì)A組、B組、C組進(jìn)行組內(nèi)前后配對(duì)t檢驗(yàn)，如表1所示。檢驗(yàn)結(jié)果表明，A組前后測(cè)試得分差異極其顯著，說明A組學(xué)生經(jīng)過《光》單元學(xué)習(xí)之后學(xué)生對(duì)科學(xué)模型以及科學(xué)建模本質(zhì)的理解有極其顯著的提升；B組前后測(cè)試得分差異顯著，說明B組學(xué)生也有顯著的提升；C組前后測(cè)試得分差異不顯著，尚不能說明C組學(xué)生對(duì)科學(xué)模型以及科學(xué)建模本質(zhì)的理解有顯著提升。

3.整份量表后測(cè)組間差異檢驗(yàn)及比較

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素協(xié)方差分析，排除不同組間學(xué)生前測(cè)得分對(duì)后測(cè)得分的影響，結(jié)果如表2所示。數(shù)據(jù)顯示，不同的教學(xué)干預(yù)對(duì)學(xué)生在科學(xué)模型以及科學(xué)建模本質(zhì)的理解上存在差異。事后檢驗(yàn)（多重比較調(diào)節(jié)使用邦弗倫尼法）結(jié)果提示：使用不同的教學(xué)干預(yù)教學(xué)后，實(shí)驗(yàn)A組與控制C組差異顯著，A組效果好于C組，表明使用智慧教室畫圖工具進(jìn)行物理科學(xué)建模，能更有效促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)模型以及科學(xué)建模本質(zhì)的理解；實(shí)驗(yàn)A組與控制B組無顯著差異，表明學(xué)生主導(dǎo)的小組合作學(xué)習(xí)相較于教師主導(dǎo)的教學(xué)在促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)模型以及科學(xué)建模本質(zhì)的理解上不相伯仲；兩控制組B、C差異不顯著。

4.A、B、C三組分別在各維度上的表現(xiàn)及差異比較

三個(gè)組在各維度上前后總體表現(xiàn)如圖3所示。A組在模型的多重表征性、模型的實(shí)物等同性、模型的功能、模型的可變性四個(gè)維度上表現(xiàn)為提升態(tài)勢(shì)，僅在模型的解釋性維度上與前測(cè)相仿。B組在模型的多重表征性、模型的解釋性、模型的功能、模型的可變性四個(gè)維度上表現(xiàn)為提升態(tài)勢(shì)，但在模型的實(shí)物等同性上與前測(cè)相比出現(xiàn)明顯的降低。C組在模型的多重表征性、模型的可變性兩個(gè)維度上有提升態(tài)勢(shì)，在模型的解釋性上持平，在模型的功能上略有下降，但在模型的實(shí)物等同性上與前測(cè)相比出現(xiàn)明顯的降低。

（二）基于SUMS量表數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)研究問題的討論

1.智慧教室畫圖工具的運(yùn)用對(duì)學(xué)生建模及理解模型的影響

模型建構(gòu)的過程是在對(duì)客觀事物進(jìn)行抽象和概括的基礎(chǔ)上，抓住其關(guān)鍵因素，構(gòu)建能反映其本質(zhì)特征的理想模型的科學(xué)抽象過程。[16]反映在物理學(xué)科核心素養(yǎng)上就是學(xué)生通過科學(xué)建模學(xué)習(xí)形成科學(xué)抽象思維的過程。A組與C組相比，A組學(xué)生建模過程中使用智慧教室畫圖工具，在平板上完成畫圖建模，然后分享給同伴和教師，通過小組合作進(jìn)行交流、論證和改進(jìn)，建模過程的“改進(jìn)—分享—交流—論證”易于實(shí)現(xiàn)多次反復(fù)。同時(shí)，A組學(xué)生模型建構(gòu)過程是外顯的，容易被同伴和教師“看得見”，容易獲得同伴和教師的改進(jìn)建議。C組學(xué)生不使用智慧教室畫圖工具建模，模型建構(gòu)過程不易表達(dá)和分享，模型建構(gòu)過程是內(nèi)隱的，沒有明確的“顯現(xiàn)目標(biāo)”。即使進(jìn)行小組合作，交流也會(huì)受到很大的限制，不容易獲得來自同伴和教師的改進(jìn)建議。智慧教室畫圖工具能使小組合作效率更高，高效的合作使學(xué)生對(duì)物理模型的認(rèn)識(shí)和理解變得更加豐富和全面。反映在檢測(cè)結(jié)果上，A組在四個(gè)維度上顯著提升，一個(gè)維度無顯著變化，整體上顯著提升；C組三個(gè)維度沒有顯著變化，一個(gè)維度顯著下降，僅有一個(gè)維度顯著提升，整體上無顯著變化。由此看來，出現(xiàn)上述結(jié)果是合理的。

在模型的實(shí)物等同性維度上，A組和C組差異尤其顯著。C組學(xué)生對(duì)物理模型的理解仍然脫不掉實(shí)物模型的影子，其整體表現(xiàn)為更加的不確定性。A組學(xué)生對(duì)物理模型的理解更傾向于科學(xué)模型，這與他們用畫圖的方式建構(gòu)模型有關(guān)系?？茖W(xué)模型是通過高度概括和抽象形成的圖景（也可以是圖像、公式等），A組學(xué)生在用畫圖工具建模時(shí)，需要把這個(gè)抽象的圖景用適當(dāng)?shù)漠媹D語(yǔ)言表征出來，這是一個(gè)抽象變具象的過程，這個(gè)具象（模型的形狀）是用來表征或解釋事物的某方面的特征，不容易被理解為實(shí)物的放大或縮小。因此，畫出的模型與實(shí)物是有很大區(qū)別的，A組學(xué)生在這一點(diǎn)上表現(xiàn)更好是合理的結(jié)果。在模型的可變性維度上，A組學(xué)生隨著認(rèn)識(shí)的不斷變化，用智慧教室畫圖工具對(duì)模型不斷修改的體驗(yàn)，使他們非常認(rèn)可模型是可變的，C組缺少這樣的體驗(yàn)，在認(rèn)識(shí)上無顯著變化是合理的。

2.教學(xué)方式對(duì)學(xué)生建模及理解模型的影響

在模型的實(shí)物等同性維度上，A組和B組差異顯著，說明在對(duì)實(shí)物模型和科學(xué)模型差別的理解上，學(xué)生主動(dòng)式建模優(yōu)于被動(dòng)驗(yàn)證式建模。A組學(xué)生在主動(dòng)建構(gòu)模型的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)實(shí)物模型和科學(xué)模型的認(rèn)知沖突，他們會(huì)在小組合作與師生互動(dòng)的過程中解決掉這些沖突。同時(shí)，A組學(xué)生在主動(dòng)建構(gòu)模型的過程中會(huì)體驗(yàn)到科學(xué)模型與實(shí)物模型的不同。B組學(xué)生的建模方式是被動(dòng)的、接受式的，導(dǎo)致B組學(xué)生缺少主動(dòng)建構(gòu)的體驗(yàn)。通過訪談了解到，B組教師在建模教學(xué)過程中盡可能地屏蔽掉學(xué)生建模過程中的干擾因素，這些干擾因素帶來的認(rèn)知沖突也會(huì)被屏蔽掉。所以，他們?cè)谶@一維度上表現(xiàn)出不確定性是合理的。

B組在其余四個(gè)維度上的表現(xiàn)與A組無顯著差異，其中，在模型的多重表征性、模型的解釋性兩個(gè)維度上均值略好于A組。像“不同模型展示了信息的不同使用方式”“模型可以清晰地表征不同變量之間的關(guān)系”“模型可以是圖像、圖片、地圖，或者照片”，需要學(xué)生有足夠的建模經(jīng)歷和豐富的多學(xué)科知識(shí)才能更好地理解。數(shù)據(jù)顯示，B組學(xué)生表現(xiàn)較好。教師對(duì)模型的理解遠(yuǎn)高于學(xué)生，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生處于一個(gè)較高水平的建模氛圍中，B組教師主導(dǎo)的講授式的建模教學(xué)更容易將這些理解傳授給學(xué)生。建立在教師建模經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的B組學(xué)生有好的表現(xiàn)，這一點(diǎn)也獲得數(shù)據(jù)結(jié)果的支撐。在模型的可變性維度上，主動(dòng)建構(gòu)模型的A組學(xué)生體驗(yàn)感更強(qiáng)；B組學(xué)生主要驗(yàn)證教師引領(lǐng)他們構(gòu)建的模型，在對(duì)模型的可變性上更相信權(quán)威，容易受到對(duì)科學(xué)公認(rèn)模型相對(duì)不變性的影響。A組學(xué)生表現(xiàn)好一點(diǎn)是容易理解的。

（三）學(xué)生畫圖建構(gòu)光學(xué)模型數(shù)據(jù)分析與討論

1.分析說明

樣本與前面SUMS量表分析的樣本完全一一對(duì)應(yīng)，依據(jù)先賦分再劃分等級(jí)的原則形成等級(jí)數(shù)據(jù)。水平1、2、3分別賦1分、2分、3分，滿分為87分，在0～87分間劃分為5個(gè)等級(jí)。等級(jí)“1”（0～17分），等級(jí)“2”（18～35分），等級(jí)“3”（36～53分），等級(jí)“4”（54～70分），等級(jí)“5”（71～87分），以此來評(píng)價(jià)學(xué)生建模表現(xiàn)的能力和素養(yǎng)。三組學(xué)生在前測(cè)、后測(cè)的等級(jí)表現(xiàn)及檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

2.學(xué)生畫圖建模等級(jí)表現(xiàn)

為方便查看和比較，在一個(gè)等級(jí)中選取其中一個(gè)題目的圖形來說明學(xué)生畫圖建模的表現(xiàn)情況，如圖4所示。在情境概念化上，等級(jí)1顯示，學(xué)生能意識(shí)到海面上的霧氣特征并進(jìn)行分層處理，但不知道光路是怎么行進(jìn)的；等級(jí)2、3、4顯示，學(xué)生正確地表示出光路的行進(jìn)方向，對(duì)海面上的霧氣特征理解得更深，用較多的分層來展現(xiàn)光路的彎曲情況；等級(jí)4中，學(xué)生還用帶箭頭的線段和語(yǔ)言表征霧氣高低層的折射率差異。在概念理解上，都能體現(xiàn)出學(xué)生對(duì)折射、全反射概念的運(yùn)用。處于等級(jí)1的學(xué)生沒能建立起光學(xué)原理和觀測(cè)現(xiàn)象之間的因果關(guān)系；等級(jí)2、3、4中的學(xué)生能用光路及反向觀測(cè)線表征出這種關(guān)系。在模型的表征上，等級(jí)4顯示，學(xué)生用兩條光線構(gòu)建光路圖模型來確定物點(diǎn)的像，并用字母和圖形標(biāo)記出物像位置，他們用語(yǔ)言說明其它點(diǎn)的物像關(guān)系，指出人眼的觀察特點(diǎn)及樓宇的虛像特征；等級(jí)3則缺少語(yǔ)言表征，等級(jí)2用一條光線構(gòu)建光路圖無法定位物像位置，也沒有用其它的方式進(jìn)行補(bǔ)充說明。等級(jí)5不但具備等級(jí)4達(dá)到的水平，而且優(yōu)于等級(jí)4的是運(yùn)用了數(shù)學(xué)表征，并進(jìn)行充分的量化表征。

3.分析討論

表3中的前測(cè)數(shù)據(jù)表明，在畫圖構(gòu)建光學(xué)模型的等級(jí)水平上，絕大多數(shù)學(xué)生處于等級(jí)1的水平， A、B、C三組分別達(dá)到92.3%、93.5%、88.9%。處于等級(jí)2和等級(jí)3水平上的學(xué)生較少。經(jīng)檢驗(yàn)顯示，三組無顯著差異（H=1.340，p=0.512gt;0.05），可認(rèn)為三組學(xué)生的初始水平相同。后測(cè)數(shù)據(jù)表明，三組存在顯著差異（H=39.684，plt;0.001）。事后的兩兩比較顯示，A、C兩組學(xué)生存在顯著差異（plt;0.001），A、B兩組學(xué)生存在顯著差異（p=0.007lt;0.05），B、C兩組學(xué)生存在顯著差異（p=0.004lt;0.005）。基于研究的問題，下面對(duì)A、C兩組及A、B兩組分別進(jìn)行對(duì)比分析。

在高等級(jí)（4、5等級(jí)）分布上，A組人數(shù)占比遠(yuǎn)大于C組。A組學(xué)生在等級(jí)4上占比達(dá)到33.7%，C組學(xué)生僅達(dá)到17.8%；在等級(jí)5上，A組學(xué)生占比19.2%遠(yuǎn)高于C組學(xué)生的1.1%。在低等級(jí)（1、2等級(jí)）分布上，C組人數(shù)占比遠(yuǎn)大于A組。C組學(xué)生在等級(jí)1上占比為18.9%，A組學(xué)生僅為1.0%；在等級(jí)2上，C組學(xué)生占比31.1%遠(yuǎn)高于A組學(xué)生的17.3%。在中間等級(jí)3上兩組差別不大，A組占比為28.8%，C組占比是31.1%。整體來看A組學(xué)生分布等級(jí)高于C組。因此，A組學(xué)生建構(gòu)光學(xué)模型的水平高于C組學(xué)生。同時(shí)也表明，智慧教室畫圖工具的使用能夠促進(jìn)學(xué)生建構(gòu)光學(xué)模型的能力及素養(yǎng)提升，這與SUMS測(cè)試量表反映的結(jié)果具有一致性，反映出學(xué)生對(duì)模型的認(rèn)識(shí)和本質(zhì)的理解越好，畫圖建構(gòu)光學(xué)模型的水平也越高。

B組學(xué)生在等級(jí)3上占比最高，達(dá)到總?cè)藬?shù)的35.5%，分布在等級(jí)2和等級(jí)4上的占比非常接近，只相差1人。學(xué)生水平主要分布在等級(jí)2、3、4上，達(dá)到總?cè)藬?shù)的95%，等級(jí)5上只有4人，占比4%，學(xué)生的等級(jí)分布非常緊湊。B組在等級(jí)4、5上占比為33.3%，比A組的52.9%少19.6%，B組在等級(jí)2、3上占比為65.1%，比A組的46.1%高出19%。由此看出，A組學(xué)生趨向于中高等級(jí)分布，B組學(xué)生趨向于中低等級(jí)分布。這種分布說明，A組學(xué)生的畫圖建構(gòu)光學(xué)模型水平高于B組學(xué)生，這與前面SUMS測(cè)試量表反映的結(jié)果（無顯著差別）有所不同?？磥恚诮?gòu)光學(xué)模型解決實(shí)際問題方面，學(xué)生主導(dǎo)的小組合作主動(dòng)式建模效果好于教師主導(dǎo)的被動(dòng)驗(yàn)證式建模。B組學(xué)生等級(jí)分布與A組比更緊湊，說明學(xué)生分化差別小，表現(xiàn)出教師主導(dǎo)式建模的集約化發(fā)展特征。對(duì)于C組學(xué)生，他們的分化差別也大于B組的學(xué)生。表現(xiàn)出學(xué)生主導(dǎo)的小組合作主動(dòng)式建模能夠充分發(fā)揮學(xué)生個(gè)體的學(xué)習(xí)潛能，有利于實(shí)現(xiàn)學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展。

（四）CLASS量表數(shù)據(jù)分析

1.分析說明

CLASS量表是通過比對(duì)“學(xué)生意見”和“專家意見”的符合程度來檢測(cè)學(xué)生對(duì)物理科學(xué)學(xué)習(xí)態(tài)度及興趣的水平。專家在問卷中的第4、7、9、33、41題上持有不同的意見導(dǎo)致無法比對(duì)，數(shù)據(jù)分析時(shí)將這些題目排除。第31題（我們用這一題來篩查沒有認(rèn)真閱讀問題的人，此題請(qǐng)選“選項(xiàng)④”）是測(cè)試被測(cè)試者對(duì)待問卷調(diào)查態(tài)度的，依據(jù)此題將不認(rèn)真參與問卷的學(xué)生問卷排除。除去這6道題目，剩下的36個(gè)題目的學(xué)生問卷意見納入數(shù)據(jù)分析，其中26個(gè)題分屬到前面所述的八個(gè)維度，其余10題歸為其它。為了便于將“學(xué)生意見”和“專家意見”進(jìn)行比對(duì)，學(xué)生意見中的“完全不同意”和“不太同意”算成同一答案，“完全同意”和“比較同意”算成同一答案，學(xué)生的五種意見歸為三種意見?！皩W(xué)生意見”與“專家意見”一致分?jǐn)?shù)為2，相反分?jǐn)?shù)為0，保持中立分?jǐn)?shù)為1。每位學(xué)生在36個(gè)題目上的平均得分越接近“2”說明越接近專家意見，依據(jù)學(xué)生的平均得分來測(cè)評(píng)他的物理科學(xué)學(xué)習(xí)態(tài)度及興趣水平。為保證研究的可比性，樣本與前面SUMS量表分析的樣本完全一一對(duì)應(yīng)。

2.整份量表前后測(cè)組內(nèi)變化及配對(duì)檢驗(yàn)

各組學(xué)生對(duì)物理科學(xué)學(xué)習(xí)態(tài)度及興趣水平呈現(xiàn)整體上升趨勢(shì)，如圖5所示，A組學(xué)生上升幅度最大，B組次之，C組最小。分別對(duì)A組、B組、C組進(jìn)行組內(nèi)前后配對(duì)t檢驗(yàn)，如表4所示。檢驗(yàn)結(jié)果表明，A組前后測(cè)試得分差異極其顯著，說明A組學(xué)生經(jīng)過《光》單元學(xué)習(xí)之后學(xué)生對(duì)物理科學(xué)學(xué)習(xí)態(tài)度及興趣水平有極其顯著的提升；B組前后測(cè)試得分差異顯著，說明B組學(xué)生也有顯著的提升；C組前后測(cè)試得分差異不顯著，尚不能說明C組學(xué)生對(duì)物理科學(xué)學(xué)習(xí)態(tài)度及興趣水平有顯著提升。

3.整份量表后測(cè)組間差異檢驗(yàn)及比較

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素協(xié)方差分析，排除不同組間學(xué)生前測(cè)得分對(duì)后測(cè)得分的影響，結(jié)果如表5所示。數(shù)據(jù)顯示，不同的教學(xué)干預(yù)對(duì)學(xué)生的物理科學(xué)學(xué)習(xí)態(tài)度及興趣水平的影響存在差異。事后檢驗(yàn)（多重比較調(diào)節(jié)使用邦弗倫尼法）結(jié)果提示：使用不同的教學(xué)干預(yù)教學(xué)后，實(shí)驗(yàn)A組與控制C組差異顯著，A組效果好于C組，表明使用智慧教室畫圖工具進(jìn)行物理科學(xué)建模能有效提升學(xué)生對(duì)物理科學(xué)學(xué)習(xí)態(tài)度及興趣的水平；實(shí)驗(yàn)A組與控制B組無顯著差異，表明學(xué)生主導(dǎo)的小組合作學(xué)習(xí)相較于教師主導(dǎo)的教學(xué)在提升學(xué)生對(duì)物理科學(xué)學(xué)習(xí)態(tài)度及興趣的水平上不相伯仲；兩控制組B、C差異顯著，結(jié)合A組與B組、A組與C組的比較結(jié)果，可認(rèn)為使用智慧教室畫圖工具進(jìn)行物理科學(xué)建模能有效提升學(xué)生對(duì)物理科學(xué)學(xué)習(xí)態(tài)度及興趣的水平，學(xué)生主導(dǎo)還是教師主導(dǎo)的教學(xué)對(duì)物理科學(xué)學(xué)習(xí)態(tài)度及興趣的水平影響有限。

4.A、B、C三組分別在各維度上的表現(xiàn)及差異比較

三個(gè)組在各維度上前后總體表現(xiàn)如圖6所示。A組在八個(gè)維度上均有提升，在概念聯(lián)系、概念應(yīng)用、解決問題的信心和解決問題的能力等維度上提升幅度相對(duì)較大。B組在個(gè)人興趣和解決復(fù)雜問題的能力兩個(gè)維度上前后基本持平，在物理與生活聯(lián)系、概念聯(lián)系、解決一般問題的能力三個(gè)維度上提升幅度相對(duì)較大，在概念應(yīng)用、意義建構(gòu)、解決問題的信心、解決復(fù)雜問題的能力四個(gè)維度上提升幅度相對(duì)較小。C組在物理與生活、概念聯(lián)系兩個(gè)維度上有小幅度提升，在概念應(yīng)用、意義建構(gòu)、解決一般問題的能力三個(gè)維度上前后基本持平，在個(gè)人興趣、解決問題的信心、解決復(fù)雜問題的能力三個(gè)維度上有小幅下降。

（五）基于CLASS量表數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)研究問題的討論

1.智慧教室畫圖工具的運(yùn)用對(duì)學(xué)生物理科學(xué)學(xué)習(xí)態(tài)度及興趣的影響

A組與C組相比，A組學(xué)生建模過程中使用智慧教室畫圖工具，C組學(xué)生建模過程中不使用智慧教室畫圖工具，整體上呈現(xiàn)出的顯著差別說明，智慧教室畫圖工具的使用能夠有效促進(jìn)學(xué)生對(duì)物理科學(xué)學(xué)習(xí)的態(tài)度及興趣，在發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)上起到積極有效的作用。

從智慧教室技術(shù)使用上看：①學(xué)生通過平板使用畫圖軟件進(jìn)行畫圖建模，借助智慧教室的豐富技術(shù)進(jìn)行有效互動(dòng)、展示、分享、改進(jìn)甚至開展競(jìng)賽，有助于課堂中“游戲”成分的融入，使學(xué)生充滿興趣，提高學(xué)習(xí)效率。②智慧教室技術(shù)的運(yùn)用為教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)施提供多種方案。例如，心智模型構(gòu)建前對(duì)物理現(xiàn)象的觀察，分組實(shí)驗(yàn)是最好的方式，若限于條件無法實(shí)現(xiàn)，通過智慧教室技術(shù)將錄制的視頻資料推送到學(xué)生平板上，供學(xué)生觀察；如果能做演示實(shí)驗(yàn)，為方便距離遠(yuǎn)的學(xué)生觀察，用平板當(dāng)攝像頭進(jìn)行“現(xiàn)場(chǎng)直播”，借助多屏聯(lián)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)學(xué)生用自己的平板進(jìn)行觀察，這些技術(shù)的使用提供的學(xué)習(xí)場(chǎng)景更能夠增強(qiáng)學(xué)生的體驗(yàn)感。③教師利用云端數(shù)據(jù)與交互技術(shù)調(diào)整優(yōu)化建模環(huán)節(jié)，將暴露心智模型并使模型的初步表征前移到預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)。④使用畫圖軟件實(shí)現(xiàn)無紙化建模，學(xué)生在平板上畫圖建模并分享自己的心智模型，實(shí)現(xiàn)建模過程的外顯化和交互化。⑤利用平臺(tái)的數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)功能適時(shí)進(jìn)行學(xué)情反饋與指導(dǎo)。教師利用平板或智慧黑板掌握學(xué)生的建模情況，及時(shí)指導(dǎo)和點(diǎn)評(píng)。通過屏幕共享與交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的呈現(xiàn)、學(xué)習(xí)方式與互動(dòng)方式的選擇，學(xué)生自主獲取建模資源（教師也可推送學(xué)習(xí)資源給學(xué)生）進(jìn)行自主學(xué)習(xí)；學(xué)生通過平板分享或接收同伴建構(gòu)的模型實(shí)現(xiàn)生生合作（組內(nèi)合作和組間合作）。由此看來，技術(shù)加成下的科學(xué)建模學(xué)習(xí)活動(dòng)，更容易實(shí)現(xiàn)模型的反復(fù)多次改進(jìn)，學(xué)生更容易意識(shí)到科學(xué)認(rèn)識(shí)是不斷被完善的，科學(xué)結(jié)論是相對(duì)的真理，[14]科學(xué)本身是處在不斷發(fā)展變化當(dāng)中的，需要用發(fā)展的眼光來看待科學(xué)，從而助力學(xué)生形成正確的科學(xué)本質(zhì)觀，這些正是物理學(xué)科核心素養(yǎng)中科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的必然要求。

從具體維度差異上看：①個(gè)人興趣維度上的差異主要體現(xiàn)在“我會(huì)琢磨日常生活中所經(jīng)歷的物理問題”和“我要徹底弄清楚事物的來龍去脈才會(huì)感到滿意”兩個(gè)問題上，顯示出A組學(xué)生對(duì)物理學(xué)科學(xué)習(xí)具有很強(qiáng)的興趣。②概念間聯(lián)系維度上，C組在知識(shí)之間的聯(lián)系和融會(huì)貫通方面表現(xiàn)不好。學(xué)生覺得自己學(xué)懂某個(gè)物理知識(shí)點(diǎn)后，用它解題還會(huì)感到有困難，在考試中如果忘記了解題要用的公式，就沒有其它辦法（合法）得知這個(gè)公式。概念間的聯(lián)系屬于比較抽象的高階認(rèn)知，在智慧教室技術(shù)的輔助下更容易實(shí)現(xiàn)由“抽象”到“具象”，更易誘發(fā)學(xué)生的深度認(rèn)知。③概念理解與應(yīng)用維度上，A、C兩組的差異與前述兩個(gè)維度的差異是符合邏輯的。C組學(xué)生更多認(rèn)為做物理題時(shí)，會(huì)利用題目給出的已知物理量找到一個(gè)公式，然后代入具體的數(shù)值求解，一旦卡住了，就無法獨(dú)立解答出這道題；如果打算用解決某個(gè)物理題的方法來解決另一個(gè)題，新問題的情境必須和前一個(gè)很相似。這些充分說明學(xué)生缺乏運(yùn)用相應(yīng)概念及規(guī)律深度分析問題的意識(shí)和能力。④解決復(fù)雜問題的能力維度上也正好印證前面維度的差異。A組學(xué)生更多覺得自己學(xué)懂某個(gè)物理知識(shí)點(diǎn)后，用它解題不會(huì)感到有困難，通常能夠找到解物理題的思路。綜合A、C組學(xué)生的表現(xiàn)，可以認(rèn)為智慧教室技術(shù)運(yùn)用與否對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及態(tài)度產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致學(xué)生的物理科學(xué)的學(xué)習(xí)產(chǎn)生較大差異。

2.教學(xué)方式對(duì)學(xué)生物理科學(xué)學(xué)習(xí)態(tài)度及興趣的影響

A組與B組相比，A組學(xué)生建模過程中采用學(xué)生主導(dǎo)小組合作為主的教學(xué)方式， B組學(xué)生建模過程中采取教師主導(dǎo)講授為主的教學(xué)方式，整體數(shù)據(jù)上沒有呈現(xiàn)出顯著差異，學(xué)生主觀能動(dòng)性在與教師經(jīng)驗(yàn)的較量中各有千秋，說明兩種教學(xué)方式在對(duì)學(xué)生物理科學(xué)學(xué)習(xí)的態(tài)度及興趣方面的影響不相伯仲。

但在某些維度的指標(biāo)上還是存在差異，主要表現(xiàn)在概念應(yīng)用、解決問題的信心、解決復(fù)雜問題的能力維度上的某些指標(biāo)上。例如，A組學(xué)生比B組學(xué)生更認(rèn)可“在做物理題時(shí)，若一種方法行不通，通常會(huì)盡力嘗試其他可行的方法”，反映出學(xué)生主導(dǎo)的合作學(xué)習(xí)更能激發(fā)學(xué)生尋求多種解決問題的意識(shí)，在解決問題時(shí)的抗擊打能力表現(xiàn)得更好，呈現(xiàn)出良好的意志品質(zhì)。再有，A組學(xué)生比B組學(xué)生更認(rèn)可“我通常能夠找到解物理題的思路”，更多的否定“我做物理題時(shí)一旦卡住了，就無法獨(dú)立解答出這道題”，展現(xiàn)出A組學(xué)生良好信心品質(zhì)，也折射出他們較強(qiáng)解決問題的能力。A組教學(xué)方式通過問題驅(qū)動(dòng)在激發(fā)學(xué)生的自我效能方面存在優(yōu)勢(shì)。B組則較依賴于教師的個(gè)人能力對(duì)學(xué)生的引導(dǎo)，同時(shí)也需要學(xué)生對(duì)教師的極大認(rèn)可，“親其師，信其道”很好地印證了這一點(diǎn)。[15]若教師的自身素質(zhì)不夠高，教學(xué)水平較低，個(gè)人魅力較弱，采用B組的教學(xué)方式效果會(huì)較差，這一點(diǎn)也在教學(xué)實(shí)踐中被廣泛證實(shí)。

四、結(jié)論、評(píng)析、建議

（一）結(jié)論

基于以上數(shù)據(jù)的分析和討論，得到如下結(jié)論：

1.從技術(shù)運(yùn)用角度看，用智慧教室畫圖工具進(jìn)行建模教學(xué)能夠促進(jìn)學(xué)生對(duì)物理模型認(rèn)識(shí)及本質(zhì)的理解；能夠提升學(xué)生建構(gòu)光學(xué)模型的能力。

2.從技術(shù)與教學(xué)策略和教學(xué)內(nèi)容融合角度來看，在光學(xué)建模上，“智慧教室畫圖工具+小組合作”的學(xué)生主動(dòng)式建模略優(yōu)于“智慧教室畫圖工具+教師講授”的學(xué)生驗(yàn)證式被動(dòng)建模，教師在建?；顒?dòng)中的講授作用不能忽視。

3.從發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)角度看，“智慧教室畫圖工具+小組合作”的學(xué)生主動(dòng)式建模對(duì)發(fā)展學(xué)生科學(xué)建模核心素養(yǎng)具有更好的效果。學(xué)生基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)主動(dòng)建構(gòu)物理模型的過程，也是主動(dòng)進(jìn)行抽象概括、分析綜合、分析論證、質(zhì)疑批判、檢驗(yàn)修正等科學(xué)思維的過程，同時(shí)也是逐步認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)、形成嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度的過程，這些正是物理學(xué)科核心素養(yǎng)有機(jī)組成部分。

4.從學(xué)生個(gè)體發(fā)展角度看，學(xué)生主導(dǎo)的小組合作主動(dòng)式建模更容易使學(xué)生的建模水平發(fā)生分化，有利于學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展。教師主導(dǎo)的學(xué)生被動(dòng)式建模呈現(xiàn)出集約化發(fā)展特征。

（二）評(píng)析

1.使用智慧教室畫圖工具進(jìn)行建模教學(xué)的作用與意義

模型建構(gòu)過程往往是內(nèi)隱的，沒有明確的“顯現(xiàn)目標(biāo)”，借助智慧教室畫圖工具把心智模型畫出來，就是將“內(nèi)隱”顯現(xiàn)出來，師生基于“顯現(xiàn)模型”的分析論證更易提高建模效率。學(xué)生將每一階段對(duì)模型的認(rèn)識(shí)適時(shí)通過畫圖工具畫出來，其實(shí)是將自己的“思維畫出來”、階段性思維實(shí)現(xiàn)“可視化”、建模過程思維呈現(xiàn)在“陽(yáng)光下”。學(xué)生可以從第三角度觀察自己前階段的思維過程，能夠避免“云深不知處，只在此山中”的尷尬學(xué)習(xí)處境。所以，教師需要重視智慧教室畫圖工具在物理建模教學(xué)中的作用。如果不具備本研究所述的智慧教室學(xué)習(xí)環(huán)境，可讓學(xué)生將自己的心智模型畫在紙上、白板上、黑板上等，實(shí)現(xiàn)建模思維的可視化呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)自我內(nèi)隱思維的多方審視。

2.智慧教室技術(shù)、建模教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式的融合

課題組分別從三個(gè)角度進(jìn)行融合策略的研究與實(shí)踐：①基于智慧教室技術(shù)的融合，即依據(jù)技術(shù)優(yōu)勢(shì)思考實(shí)現(xiàn)怎樣的建模教學(xué)；②基于建模教學(xué)內(nèi)容的融合，即依據(jù)建模教學(xué)內(nèi)容思考選擇何種技術(shù)與教學(xué)方式；③基于建模教學(xué)方式的融合，即以教學(xué)方式統(tǒng)領(lǐng)技術(shù)與內(nèi)容。

從技術(shù)角度去融合，能拓寬建模教學(xué)思路，創(chuàng)新學(xué)習(xí)方式，優(yōu)化教學(xué)環(huán)節(jié)，增強(qiáng)學(xué)生的體驗(yàn)感，提高學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)興趣。但也容易出現(xiàn)技術(shù)使用過度造成“炫技”問題。在教學(xué)設(shè)計(jì)過程中如果做到“教學(xué)需要的恰當(dāng)”，還是非常好的融合策略，同時(shí)也是未來教學(xué)的發(fā)展方向。

從建模內(nèi)容角度去融合，能根據(jù)建模內(nèi)容和教學(xué)設(shè)計(jì)的需要去選擇適合的技術(shù)，能夠突出建模教學(xué)的主體內(nèi)容。但容易出現(xiàn)的問題是，教學(xué)思路偏窄，學(xué)生的課堂體驗(yàn)感和參與度不足。 用建模教學(xué)模式來統(tǒng)領(lǐng)兩種融合思路會(huì)增加融合的深度，可有效解決這些問題。

3.“智慧教室畫圖工具+小組合作”發(fā)展學(xué)生科學(xué)建模核心素養(yǎng)

學(xué)生基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的過程，是抽象概括、分析綜合、分析論證、質(zhì)疑批判、檢驗(yàn)修正等科學(xué)思維的過程，也是逐步認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)、形成嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度的過程，這些正是物理學(xué)科核心素養(yǎng)有機(jī)組成部分。技術(shù)加持下的科學(xué)建模小組合作學(xué)習(xí)活動(dòng)，更容易實(shí)現(xiàn)模型的反復(fù)多次改進(jìn)。學(xué)生更容易意識(shí)到科學(xué)認(rèn)識(shí)是不斷被完善的，科學(xué)本身是處在不斷發(fā)展變化當(dāng)中的，需要用發(fā)展的眼光來看待科學(xué)，從而助力學(xué)生形成正確的科學(xué)本質(zhì)觀，這些正是物理學(xué)科核心素養(yǎng)中科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的必然要求。

學(xué)生建模過程中使用智慧教室畫圖工具，在平板上完成畫圖建模，然后分享給同伴和教師，通過小組合作進(jìn)行交流、論證和改進(jìn)，建模過程的“改進(jìn)—分享—交流—論證”易于實(shí)現(xiàn)多次重復(fù)。同時(shí)，學(xué)生模型建構(gòu)過程是外顯的，容易被同伴和教師“看得見”，容易獲得同伴和教師的改進(jìn)建議。智慧教室畫圖工具能使小組合作效率更高，高效的合作使學(xué)生對(duì)物理模型的認(rèn)識(shí)和理解變得更加豐富和全面。學(xué)生在主動(dòng)建構(gòu)模型的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)實(shí)物模型和科學(xué)模型的認(rèn)知沖突，他們會(huì)在小組合作與師生互動(dòng)的過程中解決掉這些沖突。學(xué)生在教師講授下的建模方式是被動(dòng)的、接受式的，導(dǎo)致他們?nèi)鄙僦鲃?dòng)建構(gòu)的體驗(yàn)。教師為提高所謂的“課堂效率”，會(huì)盡可能地屏蔽掉學(xué)生建模過程中的干擾因素，致使這些干擾因素帶來的認(rèn)知沖突也會(huì)被屏蔽掉，不利于科學(xué)思維活動(dòng)的開展。

實(shí)證研究過程中發(fā)現(xiàn)，在光學(xué)建模上，“智慧教室畫圖工具+小組合作”的學(xué)生主動(dòng)式建模略優(yōu)于“智慧教室畫圖工具+教師講授”的學(xué)生驗(yàn)證式被動(dòng)建模，教師在建?；顒?dòng)中的講授作用不能忽視。說明學(xué)生間的合作可能帶來層次過低的問題。因此，小組合作中應(yīng)適當(dāng)增加教師的成分，充分發(fā)揮教師在建模教學(xué)中的作用。教師需要多種方式參與小組合作，提高小組合作學(xué)習(xí)的質(zhì)量和效率。例如，通過講授分享建模經(jīng)驗(yàn)，通過問題驅(qū)動(dòng)和參與表達(dá)見解營(yíng)造更高層次的思維活動(dòng)，加強(qiáng)小組合作建構(gòu)模型中的管理和組織，等等。

4.學(xué)生建模水平的集約與分化

學(xué)生主導(dǎo)的小組合作主動(dòng)式建模能夠充分發(fā)揮學(xué)生個(gè)體的學(xué)習(xí)潛能，有利于實(shí)現(xiàn)學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展，發(fā)生分化是必然的結(jié)果。社會(huì)需要不同專業(yè)、不同層次的人才，教育教學(xué)促進(jìn)學(xué)生學(xué)業(yè)發(fā)展，在這個(gè)過程中實(shí)現(xiàn)學(xué)生個(gè)體分化，為國(guó)家、社會(huì)培養(yǎng)多樣性的人才，這應(yīng)當(dāng)是一個(gè)大的教育目標(biāo)。如果教師的因素干擾太多，會(huì)造成“千佛一面”的集約化特征，使學(xué)生看不清自己，致使很多高三學(xué)生在高考志愿填報(bào)時(shí)很盲目，影響到自己的未來規(guī)劃，妨礙學(xué)生個(gè)體終身發(fā)展。因此，利用教育技術(shù)實(shí)現(xiàn)高層次的自主學(xué)習(xí)，讓不同層次的學(xué)生在各自的基礎(chǔ)上能得到更好的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)學(xué)生發(fā)展的“均衡性”（合理分化），而非“集約性”。教育技術(shù)不是用來“壓高提低”平均化的教學(xué)工具，學(xué)生的學(xué)習(xí)分化是正常的，不宜進(jìn)行過多的干預(yù)。

（三）建議

1.發(fā)揮智慧教室技術(shù)作用，樹立技術(shù)、策略和內(nèi)容深度融合意識(shí)

在智慧教室提供的豐富教學(xué)環(huán)境下，教師不要只停留在簡(jiǎn)單的視聽?wèi)?yīng)用上，更重要的是把技術(shù)作為促進(jìn)學(xué)生自主構(gòu)建物理模型的認(rèn)知工具、小組深度合作交流的工具；教師要充分利用技術(shù)來優(yōu)化建模教學(xué)環(huán)節(jié)，創(chuàng)設(shè)具有更豐富情感體驗(yàn)的教學(xué)環(huán)境，增強(qiáng)學(xué)生的體驗(yàn)感和參與積極性，激發(fā)學(xué)生的求知欲和創(chuàng)新欲，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)建模核心素養(yǎng)。在物理建模教學(xué)中，教師可依據(jù)建模教學(xué)內(nèi)容，立足智慧教室提供的豐富教育技術(shù)，選擇合適的教學(xué)策略，加強(qiáng)三者的深度融合，構(gòu)建有效的融合策略和建模教學(xué)實(shí)施流程。教師需注重多重融合思路，增加融合的深度和有效性，如從學(xué)情的角度思考三者的融合、從促進(jìn)師生合作的角度去融合等等。

2.構(gòu)建將學(xué)生引向深度認(rèn)知的教學(xué)機(jī)制

進(jìn)行深度教學(xué)理論的學(xué)習(xí)與培訓(xùn)，把握好方向，實(shí)現(xiàn)科學(xué)引領(lǐng)；進(jìn)行高中三年的統(tǒng)籌規(guī)劃，立足學(xué)生的階段性學(xué)情特點(diǎn)，設(shè)置階段性的思維達(dá)標(biāo)規(guī)范，讓學(xué)生便于獲得成功感，從心理層面產(chǎn)生積極的自我肯定，同時(shí)通過檢測(cè)指標(biāo)分析學(xué)生的思維水平，改進(jìn)下一步的方案；將小組合作與教師引領(lǐng)相結(jié)合，依據(jù)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行合理的教學(xué)設(shè)計(jì)；引導(dǎo)教師對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行深度研究和挖掘，設(shè)計(jì)層層遞進(jìn)的問題，設(shè)置好思維臺(tái)階將學(xué)生思維引向深入；合理運(yùn)用技術(shù)工具構(gòu)建抽象思維與形象思維的橋梁，讓學(xué)生“想一想，看得見”“再想想，又看得見”，形成如此循環(huán)螺旋上升的思維策略；充分發(fā)揮教師在建模教學(xué)中的作用，小組合作中適當(dāng)增加教師的成分，教師參與小組合作，防止出現(xiàn)思維層次過低的問題。教師通過講授分享建模經(jīng)驗(yàn)，通過問題驅(qū)動(dòng)和參與表達(dá)見解營(yíng)造更高層次的思維活動(dòng)。教師要加強(qiáng)小組合作建構(gòu)模型中的管理和組織，提高小組合作學(xué)習(xí)的質(zhì)量和效率。

3.打造高素質(zhì)教師隊(duì)伍

首先，運(yùn)用好現(xiàn)代科技發(fā)展成果打造一支掌握先進(jìn)教育技術(shù)的教師隊(duì)伍，推動(dòng)教師教學(xué)方式的變革，以滿足核心素養(yǎng)對(duì)學(xué)生的發(fā)展要求。其次，運(yùn)用好教科研武裝教師，倡導(dǎo)教師“自助型”武裝自己，即倡導(dǎo)教師進(jìn)行問題研究，教學(xué)科研機(jī)構(gòu)將大課題拆解成一個(gè)一個(gè)的小問題，形成自助餐的形式，供教師選擇，允許教師將教學(xué)實(shí)踐生成的問題放入科研部門設(shè)置的“研究菜單”，形成上下一體、橫向分享的研究模式。教學(xué)科研機(jī)構(gòu)將研究指導(dǎo)、結(jié)題方式等化大為小，化繁為簡(jiǎn)，及時(shí)對(duì)教師加以肯定，提高解決問題的效率，助力教師的專業(yè)發(fā)展。

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Examining the Impact of Modeling-based Inquiry with Smart Classroom

on High School Students’ Physics Learning

Chuanwang LU1， Hanping LIU2， Xiaoming ZHAI3， Dong QIAN1

（1.Shandong Zibo No.1 Middle School， Zibo 255200， Shandong;

2.College of Physics and Electronic Information， Dezhou University， Dezhou 253023， Shandong;

3.Mary Frances Early College of Education， University of Georgia， Athens， Georgia 30602， USA）

Abstract： With the development of artificial intelligence technology， the impact of teaching based on smart classroom technology on the development of students’ core literacy is widely concerned. It has become inevitable to explore feasible ways for teachers to use smart classroom technology to carry out scientific modeling teaching practice and develop students’core discipline literacy. Taking the integration degree of drawing tools， teaching contents， and teaching strategies in the smart classroom as the independent variable， and controlling the independent variable through quasi-experimental methods. We recruited 335 high school students and randomly assigned them to three groups to implement optical modeling teaching and study its impact on students’ understanding of physical models and modeling ability. The results show that the student-activated modeling with “smart classroom drawing tool + group collaboration” is slightly better than the student-validated passive modeling with “smart classroom drawing tool + teacher’s lecture”. Of course，" the role of teacher’s lecture in the modeling activities cannot be ignored. Student-led group cooperative active modeling is more likely to differentiate students’ modeling level， and teacher-led student passive modeling shows intensive development characteristics， which adds new evidence to the dialectical view of the roles of teachers and students in teaching and learning.

Keywords： Smart classroom; Drawing tools; Modeling teaching; Core literacy of scientific modeling; Group collaboration

編輯：王天鵬" "校對(duì)：王曉明