基于混合式学习的高中物理实验教学实践探究

许 健

华东师范大学第三附属中学

一、 问题的提出

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》阐述，物理学是自然科学领域的一门基础学科，它基于观察与实验。高中物理课程引导学生经历科学探究过程，体会科学研究方法［1］。然而，高中物理的实验教学越来越弱化，程序化的实验教学模式正在扼杀学生的学习兴趣。物理实验教学中存在实验数量多与课时不足的矛盾、学生实验素养低与实验学习目标高的矛盾、各类实验教学资源多与实验资源推送困难等矛盾。应用传统的教学手段很难在实验教学中有重大突破，混合式学习可能是解决实验教学面临的窘境的有效手段。同时，基于物理学科核心素养的单元教学成为“双新”背景下高中物理教学改革的热点，单元教学体现了教学设计的系统性和学生学习的主体性，在实验教学设计上也要符合单元设计的特性。本文在实验教学中开展混合式学习的实践，同时在单元设计视域下进行实验教学设计，缓解课时与实验教学的矛盾。

二、 混合式学习概述

混合式学习（blended learning）的概念起始于1996年发表的两篇关于E-learning的论文［2］［3］。玛格丽特·德里斯科尔（Margaret Driscoll）认为，混合学习指的是四个不同的概念：利用多种网络化技术；借助教学技术产生最佳的学习成果；教学技术与面对面的教师指导的培训有效结合；紧密结合教学技术与实际工作任务，协调学习和工作［4］。邦克（Bonk）和克拉汉姆（Craham）认为，混合式教学是面对面教学和计算机辅助相结合的学习系统［5］。教育心理学家、教育技术学家戴维·梅里（David Merrill）的“首要教学原理”（又称“五星教学设计”）也是混合式学习的重要理论。他认为：“学习只有在学习者从事解决真实世界里发生的问题时，只有当学习者能够通过论证或应用而激活已知知识，并将其作为理解新知识的基础时，新知识才会被整合在学习者的世界当中。”［6］祝智庭、孟琦的论文《远程教育中的混和学习》在国内最早介绍混合式学习［7］。何克抗认为，混合式学习的内涵是把传统的学习方式的优势和在线学习的优势相互结合［8］。李克东认为：“混合式学习是人们对网络学习进行反思后，出现在教育领域，尤其是教育技术领域中较为流行的一个术语，其主要思想是把面对面教学和在线学习两种学习模式有机整合，以降低成本、提高效益的一种教学方式［9］。”因而混合式学习是指以教学目标为导向，在建构主义等多种学习理论指导下，根据学习内容、学生和教师自身条件，混合“面对面教学”、“网络学习”和“实践”三种方式来实施教学的一种策略［10］。

三、 支持混合式学习的“智慧课堂”平台搭建

混合式学习需要在线学习平台的支持。从2018年8月起，华东师范大学第三附属中学（以下简称“华师大三附中”）全面实施“智慧课堂”项目，构建了融合线上、线下的统一平台。平台的架构如图1所示。

图1 “智慧课堂”平台架构

智慧课堂以课堂终端、移动终端和云服务系统三部分为核心组成。课堂终端可以构建以教室为单元的无线局域网，实现多屏互动、资源上传和本地化存储、动态数据统计与分析等教学功能。移动终端包括教师设备和学生设备。教师设备提供“所见即所得”的备课教研工具、微课制作工具、跨空间的上课工具、立体交互工具、电子作业管理工具、电子作业动态评价与统计分析工具，支持泛在教学、碎片化教学。学生终端提供学习工具与交互工具，以实现立体交互和即时反馈。云服务系统提供SaaS服务，包含基础数据服务、资源管理系统、微课管理、课程设计与管理、家校联系、学习社区、数据统计等模块，提供教师与学生个人网络空间。实现云端大数据存储和汇聚、分类统计、数据分析与评价。

基于“智慧课堂”平台，华师大三附中全面开展混合式学习的实践研究。特别是在2020年新冠肺炎疫情背景下的居家在线学习中进行了大量的实践，加速了后疫情时期混合式学习的校园建设。笔者在物理实验教学中进行了混合式学习的实践，利用“智慧课堂”平台构建混合式学习网络，优化学习评价，促进学生自主学习。

四、 基于混合式学习的高中物理实验教学设计

辛格（Singh）和里德（Reed）将混合式学习定义为在“适当”的时间，通过应用“适当”的学习技术与“适当”的学习风格相契合，对“适当”的学习者传递“适当”的能力，从而取得最优化的学习效果的学习方式［11］。为了实现这5个“适当”，混合式学习的实验教学设计要体现提供学习资源的灵活性、个性化学习的多样性和教学的高效性。

混合式学习的实验教学设计框架由3个模块和8个要素组成（图2）。

图2 混合式学习的实验教学设计框架

模块一是前端分析，包括教材分析、学情分析和实验教学目标设计［12］。教材分析是指基于课程标准解读和剖析实验教学的内容、类型和价值等；学情分析是指学生的知识储备和认知水平，以此可以确定学习的难点；实验教学目标设计是指在教材分析和学情分析的基础上，确定实验教学的目标。

模块二是活动、作业与资源设计，包括混合式学习总体设计、学习活动设计、双线作业设计和双线资源设计。混合式学习总体设计是指通过分析教学重点和学习难点，选择合适的实验教学方法和策略；学习活动设计是实验教学设计的重点；双线作业设计具有整体性、多样性和创新性等特点；双线资源设计具有适切性、多元性和整合性等特点。其中实验教学目标设计是整个实验教学设计的关键［13］。

模块三是混合式学习评价设计。混合式学习评价设计分为过程性评价和形成性评价，在线平台呈现学习过程的相关数据，有利于开展过程性评价；在线平台的诊断和反馈，有利于实现形成性评价。学习评价对混合式学习有诊断、激励和调节的功能，可以促进混合式学习总体设计的优化。

五、 基于混合式学习的实验教学实践——以“生活中常见的力”为例

“生活中常见的力”是上海科学技术出版社出版的《普通高中教科书 物理 必修第一册》第三章第一节内容。在教材分析和学情分析的基础上，进行实验教学目标设计，划分实验类型，建构实验结构图（图3）。

图3 “生活中常见的力”的实验结构图

（一） 依据课程标准，丰富学习活动

依据课程标准，将实验与内容要求对应（表1），确定实验类型。教材中原有的实验包括2个自主实验和1个学生实验，2个自主实验分别是“观察桌面的微小形变”和“测量静摩擦力的大小（DIS）”，1个学生实验是“探究弹簧弹力与形变量的关系”。由此可以确定核心实验就是“探究弹簧弹力与形变量的关系”。由于这是学生接触的第一个探究实验，教师需要引导学生主动探究和建构知识，培养学生基于实验数据获得初步结论的能力。

表1 实验与内容对照表

要让教学设计更加符合学生的认知规律，我们需要加入其他实验，以此来丰富学生的学习活动。在认识重力的过程中，加入了“寻找物体的重心”的实验，让学生会判断不同物体重心的位置。由于学生在初中阶段已经会运用悬挂法寻找不规则薄板的重心，故而以在线活动的形式进行实验。教师将实验的资料以在线资源的形式推送给学生，学生在课外完成实验，最后把获得的实验结论上传平台。实验的设计如下：

线上活动——寻找物体的重心：大家使用过各种各样的尺，如直尺、三角尺和量角器等，寻找它们的重心。用文字叙述、图片描述或视频记录等方法，将寻找的过程和结论上传至平台。

（二） 依据学习能力，优化双线资源

双线资源设计要切合学生学习活动的需要，符合学生的认知特征，有利于提升学科的核心素养。基于课程标准，将“生活中常见的力”一节设定为3课时。为了解决有限的课时与海量的教学内容之间的矛盾，教师应该追求资源的多元化，利用好一切可用的教学资源。

教材在阐述力的定义、力的三要素、力的图示、重力的定义和判断重心等内容时，使用了很小的篇幅。教材这样编写是默认学生已经掌握了这些内容，然而这些内容是学生在初中阶段八年级第一学期第三章“运动和力”中所学习的，由于距现在时间比较久远，此时必须给学生提供在线的学习资源（表2）。

表2 实验资源表

（三） 依据学习目标，规划双线作业

1. 双线作业的整体性特征

双线作业要做到设计过程的整体化，要充分利用教材，体现课标对学习水平的要求，从而保证作业目标的完整性，最终满足学生知识建构的系统性需求。使用教材章节的首图，设计如下作业：

如图4所示，运动员正在攀登峭壁。假如运动员处于静止状态，以运动员为对象，岩壁对运动员手、足部均有作用力，画出运动员受到的弹力和摩擦力的示意图。

图4 攀岩运动员

2. 双线作业的多样性特征

双线作业设计要根据作业的功能和目标，设计不同类型的作业。除了常见的选择题、填空题、综合题以外，教师通过改编或自编，设计实践题、长时作业等，以此来丰富作业的类型。在学生了解胡克定律后，教师设计了弹簧应用的实践题，使学生在完成作业的过程中加深对物理观念的理解，逐步提升学生的科学实践能力。作业设计如下：

利用提供的器材——弹簧（一端带挂钩）、钩码若干、直尺、铁架台（配套铁夹），制作一个简易弹簧秤。画出制作成品的示意图，并说明测量原理和仪器放置的要求，以及如何直接读出质量的值。

3. 双线作业的创新性特征

在信息爆炸的时代，双线作业设计应该紧跟社会热点，与学生进行对话，激发学生的学习兴趣。以2020年东京奥运会为话题，设计的作业如下：

2021年7月25日，在东京奥运会男子举重61公斤级决赛中，中国选手李发彬在挺举环节成功举起了166公斤，还做出了一个“金鸡独立”的动作，令观众们目瞪口呆。李发彬举起杠铃后，一度左脚单脚站立，右腿完全悬空，这相当于一只脚受力近2200 N。请画出人的重心位置，并思考：杠铃受到的弹力是什么发生形变产生的？李发彬向前伸出的右腿起到了什么作用？赛后李发彬坦言，不建议模仿“金鸡独立”的动作。请思考：一旦失误，这样的动作会造成怎样的后果？

（四） 依据学习评价，改进混合式学习总体设计

教学评价对于实验教学有诊断、激励和调节教学的功能。测试作为形成性评价的一种方式，它的诊断功能得到了大家的认可。“智慧课堂”平台将传统的纸笔测试方式转变为在线测试方式，云服务系统能够实现自动批阅主观题，统计得分、错题，推送反馈等功能，有效地减少了教师的大量重复工作。然而，实验教学更加关注过程性评价，注重对学生的激励作用。按照实验方案、实验过程、实验结论和实验创新等维度，设计了学生实验活动评价量表（表3）。

表3 学生实验活动评价量表

教师在线进行活动评价，利用云服务系统进行数据统计和分析，促成混合式学习总体设计的改进，不断追问哪些活动和资源适合学生自主学习，又有哪些适合传统课堂。

混合式学习真正地实现了教师的主导性和学生的主体性。教师可以围绕核心问题展开课堂教学，根据学情和学生的困惑选择“适当”的时候，选择“适当”的学习资源，选择“适当”的方式推送给学生，并且可以对学生的学习过程进行过程性评价。学生同样拥有了自主选择权：课前基于自身的已备知识选择预习资源，课后基于对自身的评价选择反馈资源。混合式学习让教师和学生的选择基于真实需求、主动高效，让教师更加注重对学生进行学科核心素养的培育。

六、 结束语

《教育信息化2.0行动计划》提出，坚持融合创新，发挥技术优势，变革传统模式，推进新技术与教育教学的深度融合。后疫情时代，虽有大量信息化平台融入课堂教学，但融入的深度还远远不够。比如，在线批阅仅限于选择、填空类客观题，主观题还是需要教师花费大量的时间进行手动批阅。因而需要将人工智能融入云端系统，消除教师、学生与云端的隔阂，有效地减少大量的重复性工作。这样才能让教师更加关注学生的活动和感受，而不是疲于应付技术的应用。

实验教学具有内容丰富、更关注过程的特性，基于混合式学习的教学设计有利于促进学生思维发展的延续性和系统性，有助于提升学生自主学习的能力。混合式学习正在改变教学的形态，通过与其他学习方式的融合，为学习活动提供了最“适当”的支持。教师不应该固守原来的教学模式，而应逐步转变观念，不断地实践混合式学习，才能落实“双新”教学。