基础教育数字化发展研究｜鹿传旺 刘汉平 翟小铭 钱冬：基于智慧教室技术的物理科学建模实证研究
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鹿传旺 刘汉平 翟小铭 钱冬.基于智慧教室技术的物理科学建模实证研究[J].中国教育信息化,2023,29(11):097-111.DOI:10.3969/j.issn.1673-8454.2023.11.011基础教育数字化发展研究
基于智慧教室技术的物理科学建模实证研究
鹿传旺 刘汉平 翟小铭 钱冬
摘 要： 随着人工智能技术的发展，基于智慧教室技术的教学对学生核心素养发展的影响广受关注。探索教师运用智慧教室技术开展科学建模教学实践及发展学生学科核心素养可行途径成为必然。以智慧教室画图工具、教学内容和教学策略的融合程度为自变量，通过准实验方法控制自变量，将335名高中学生分为三组实施光学建模教学，研究其对学生物理模型认识和建模能力的影响。研究结果表明，“智慧教室画图工具+小组合作”的学生主动式建模略优于“智慧教室画图工具+教师讲授”的学生验证式被动建模，教师在建模活动中的讲授作用不能忽视。学生主导的小组合作主动式建模更容易使学生的建模水平发生分化，教师主导的学生被动式建模呈现出集约化发展特征，为辩证看待教与学中的师生作用再添新证。
关键词： 智慧教室；画图工具；建模教学；科学建模核心素养；小组合作
中图分类号： G434
文献标志码： B
文章编号： 1673-8454（2023）11-0097-15
作者简介： 鹿传旺，山东省淄博第一中学高级教师，淄博市物理学科基地负责人（山东淄博 255200）；刘汉平，德州学院物理与电子信息学院副教授，博士（山东德州 253023）；翟小铭，佐治亚大学（美）教育学院助理教授，博士（美国雅典 30602）；钱冬，山东省淄博第一中学中级教师（山东淄博 255200）基金项目： 2020年度山东省教育教学研究课题“智慧教室教学环境下高中物理科学建模核心素养研究”（编号：2020JXY247）一、问题提出
《普通高中物理课程标准（2017年版）》将科学建模作为物理学科核心素养的重要组成部分，对科学建模能力给予广泛关注。[1][2]研究发现，美国在30多年的科学建模教育发展过程中，相继经历要素视角、行为视角、认知视角、建构视角等不同的认识阶段。[3]有学者经过系统研究后认为，科学建模能力具备内在的心智思维和外在的科学探究两种能力的特质。[3]由于科学建模能力的复杂性，其教学、测量和评价非常困难，一直是国际科学教育领域关注的热点和难点。基于此，国内许多专家、学者、一线教师也都在进行积极的探索。例如，有学者建构了高中生物理科学建模素养模型，[4]实证研究了建模素养的测量方法，在此基础上建构其学习进阶，[5]并实践了建模教学模式，[6][7]初步研究了学生通过画图来建模的表现。其研究表明，学生的建模素养有一定的学习进阶层级；学生画图建模的能力不容乐观；将画图有效融入物理建模教学可能会提高学生的建模核心素养和对模型的认识理解（尚缺乏足够的实证研究）。然而，根据相关学者对建模能力测评的研究，[8]目前，国内外还缺乏有效的工具促进学生物理建模核心素养的发展。随着互联网技术和智慧教育的发展，通过智慧教室画图工具引导学生进行物理建模教学将有可能有效提高学生科学建模核心素养。
智慧教室为深化落实科学建模核心素养提供有效手段和平台。以“智慧教室”为标志的教学生态能够使学生的物理学习实现从数字化学习环境向智能化学习环境的根本转变。[9]然而，教育技术是否能深刻改变学习方式而不是简单替代传统教学、学生学习中是否处于积极主动的地位，对技术的使用效果有关键性影响。[10]研究表明，技术本身并不能给学习带来根本性转变，有效的学习必须实现技术与教学内容和教学策略的有效融合。[11]
本研究以建构主义理论为基础，以智慧教室技术、教学内容和教学策略的融合程度为自变量，通过准实验研究方法比较不同教学干预对高中学生物理科学建模核心素养的发展影响。
二、研究思路与方法
（一）研究对象
在实验学校选取9个班级的高中二年级学生为研究对象。每个班级大约有40人左右，共335人，男生188人，女生147人。学生通过采用平行分班的方式以保证各个班级之间具有相同的原始基础。
（二）教学内容
高中物理选择性必修1第四单元《光》共六节，涉及光的折射、全反射、干涉、衍射、偏振等内容。光学现象既抽象又难理解，为了能更好地理解光学现象的本质，可以通过画图建构光学现象模型来尝试提高学习的效率。在高中光学部分进行建模教学的实证研究非常少，且建模学习缺乏学习手段（如智慧教室画图工具）和教学策略（如教师指导学习或学生自主探究）的支撑，也没有足够实证证据来帮助学生理解模型本质。因此，以人教版最新教材为教学指导用书，以高中物理选择性必修1第四单元《光》为教学内容开展研究。
（三）智慧教室技术
本研究中的智慧教室画图工具，所支持的建模实践活动包括如下功能：利用手写笔（画笔）进行手绘，用测量绘图工具包（如直尺、三角板、量角器等）精确画图，嵌入几何画板工具，绘制变量间复杂关系模型，等等。学生在平板上利用上述画图工具将画好的物理模型上传到教师终端，或与其他同学分享；教师也可将指导意见、参考模型等推送至学生平板，从而帮助学生改进模型。
（四）教学方式及研究问题
学生主导的教学1：基于问题驱动的方式，让学生通过主动探究、小组合作来完成学习。在课堂上组织学生使用“智慧教室”画图工具来完成画图和模型建构。教师在这个过程中提供最低限度的指导。
学生主导的教学2：基于问题驱动的方式，让学生通过主动探究、小组合作来完成学习。不在课堂上组织学生使用“智慧教室”画图工具。教师在这个过程中提供最低限度的指导。
教师主导的教学：教师讲述主要内容，学生在教师指导下建构模型，不采用小组合作学习的方式；学生使用“智慧教室”画图工具验证教师的一些讲述内容，画出模型。教师将针对学生的建模进行指导讲解。
本研究回答以下三个问题：①与学生主导的教学2及教师主导的教学相比，经过学生主导的、小组合作的在线画图方式学习《光》单元后能否更好地促进学生对科学模型以及科学建模本质的理解？②与学生主导的教学2及教师主导的教学相比，通过学生主导的、小组合作的在线画图方式能否更好地提升学生对建构光学模型的能力？③与学生主导的教学2及教师主导的教学相比，通过学生主导的、小组合作的在线画图方式能否更好地促进学生对物理科学学习态度的转变和兴趣的提升？
（五）研究方法与教学过程实施
采用对比实验的方式将9个高中二年级班级随机分为A组、B组、C组。三组之间严格控制实验变量，进行一个单元（四周）的教学。两个实验变量分别为学习手段、教学方式：学习手段，是否采用平板电脑上的“智慧教室”画图工具画模型方式。教学方式，学生主导的教学1或2，教师主导的教学。A组为实验组，采用学生主导的教学1；B组为控制组，采用教师主导的教学；C组为控制组，采用学生主导的教学2。为了回答研究问题，对每个班级实验教学前一周内进行测试（前测），实验教学后一周内进行测试（后测），前测→实验教学→后测共历时6周。研究设计如图1所示。
（六）测量与统计工具
为回答“问题①”，选用相关学者编制的学生对科学模型的理解量表（Students’ Understanding of Models in Science，简称SUMS）[12]为测量工具，据此测试学生对科学模型以及科学建模本质的理解。该量表从五个维度共计27个题目对学生的建模和模型理解进行深入测评，这五个维度分别为：①科学模型的多重表征性；②模型的实物等同性；③模型作为工具的解释性；④科学模型的使用；⑤科学模型的可变性。SUMS采用5分制Likert（李克特）型量表呈现，“1” 代表非常不同意，“2”代表不同意，“3”代表不确定，“4”代表同意，“5”代表非常同意。经可靠性检测，前测数据信度值α=0.871，后测数据信度值α=0.801，可信度高。
为回答“问题②”，让学生通过画图方式来建构模型解释光学现象，根据建模素养学习进阶框架建构评分标准，[5]来评定学生的建模能力及素养水平。前测、后测分别使用三个相同的测试题目：题目1要求学生建构光学模型解释海市蜃楼现象；题目2要求学生建构光学模型来解释渔夫叉鱼现象；题目3要求学生建构光学模型解释彩虹现象。三个测试题目分别有三个评价维度（情境概念化、概念理解、模型表征）共29个评分点，每个评分点分三个等级（水平1、2、3）。前测、后测由同一位教师评分，然后再由另一位教师复核，保证评价的一致性和平等性。在每个评分项目上，评分教师依据评价标准和评分细则在水平1、2、3栏目内进行评定。
为回答“问题③”，选用美国科罗拉多州立大学开发的物理科学学习态度测量量表（Colorado Learning Attitudes about Science Survey，简称CLASS）为测量工具，[13]据此测量学生的物理科学学习态度及兴趣。该量表从八个维度三个层面共计42个问题对学生的物理科学学习态度及兴趣进行深入测评，三个层面八个维度分别为：①个人兴趣；②物理与生活的联系；此为情感层面。③概念间联系；④概念理解与应用；⑤意义建构；这三个为认知层面。⑥解决一般问题的能力；⑦解决问题的信心；⑧解决复杂问题的能力；以上三个为应用层面。CLASS采用5分制Likert（李克特）型量表呈现，“1” 代表完全不同意，“2”代表不太同意，“3”代表中立，“4”代表比较同意，“5”代表完全同意。经可靠性检测，前测数据信度值α=0.839，后测数据信度值α=0.853，可信度高。
SUMS量表和CLASS量表均为英文问卷，为保证翻译符合中文阅读习惯及准确性，该问卷由从事科学教育研究的佐治亚大学助理教授执笔翻译。所使用的统计工具为适用于电脑版的SPSS 25.0统计分析软件。
三、数据分析与讨论
（一）SUMS量表数据分析
1.分析说明
当科学家对抽象和未知的实体进行建模时，通常实际的外观是未知的，或者是不相关的。[12]因此，不能简单地将科学模型看成是实际事物的复制品。对于量表中的第9项，模型应该是实际事物的复制品；第10项，模型应该与实际事物相近似；第11项，模型应该非常精确地接近实际事物，从而该模型才无法被别人推翻；第15项，模型应当呈现出实际物体的功能及模样；第16项，实物模型应该比实际物体同比例变大或缩小。学生理解得越准确，就越会选择“不同意或非常不同意”，导致赋分低。为了与其它项保持正向一致赋分（理解越准确赋分越高），对这几项实行反向赋分。赋分标准调整之后，整份量表得分越高表明学生对科学模型及其本质的理解越好。因第5、14、15项兼具两个维度的特征，在进行各维度比较时，第5项分别加到科学模型的多重表征性和模型作为工具的解释性两个维度上，第14、15项分别加到模型的实物等同性和模型作为工具的解释性上，整份量表的平均分与各维度的均分算出的平均分略有差别，不影响结论。
将数据用SPSS进行标准化处理，删掉标准化值绝对值大于2的异常值，在用协方差分析前后测的差异因素时，删掉标准化残差值大于3的异常值。总有效样本量为287，其中，A组为104，B组为93，C组为90。在进行前后测配对t检验以及单因素协方差分析时，分别对数据进行相关检验，数据符合选用方法需要的前提条件。
2.整份量表前后测组内变化及配对检验
各组学生对科学模型以及科学建模本质的理解呈现整体上升趋势，如图2所示，A组学生上升幅度最大，B组次之，C组最小。分别对A组、B组、C组进行组内前后配对t检验，如表1所示。检验结果表明，A组前后测试得分差异极其显著，说明A组学生经过《光》单元学习之后学生对科学模型以及科学建模本质的理解有极其显著的提升；B组前后测试得分差异显著，说明B组学生也有显著的提升；C组前后测试得分差异不显著，尚不能说明C组学生对科学模型以及科学建模本质的理解有显著提升。
图2 三组学生前后测试得分变化情况（SUMS）
表1 ABC 三组教学前后配对检验结果（SUMS）3.整份量表后测组间差异检验及比较
对数据进行单因素协方差分析，排除不同组间学生前测得分对后测得分的影响，结果如表2所示。数据显示，不同的教学干预对学生在科学模型以及科学建模本质的理解上存在差异。事后检验（多重比较调节使用邦弗伦尼法）结果提示：使用不同的教学干预教学后，实验A组与控制C组差异显著，A组效果好于C组，表明使用智慧教室画图工具进行物理科学建模，能更有效促进学生对科学模型以及科学建模本质的理解；实验A组与控制B组无显著差异，表明学生主导的小组合作学习相较于教师主导的教学在促进学生对科学模型以及科学建模本质的理解上不相伯仲；两控制组B、C差异不显著。
表2 调整前测前后后测组间检验结果（SUMS）4.A、B、C三组分别在各维度上的表现及差异比较
三个组在各维度上前后总体表现如图3所示。A组在模型的多重表征性、模型的实物等同性、模型的功能、模型的可变性四个维度上表现为提升态势，仅在模型的解释性维度上与前测相仿。B组在模型的多重表征性、模型的解释性、模型的功能、模型的可变性四个维度上表现为提升态势，但在模型的实物等同性上与前测相比出现明显的降低。C组在模型的多重表征性、模型的可变性两个维度上有提升态势，在模型的解释性上持平，在模型的功能上略有下降，但在模型的实物等同性上与前测相比出现明显的降低。
图3 三组学生在各维度上的前、后测试情况比较（SUMS）
（二）基于SUMS量表数据结果对研究问题的讨论
1.智慧教室画图工具的运用对学生建模及理解模型的影响
模型建构的过程是在对客观事物进行抽象和概括的基础上，抓住其关键因素，构建能反映其本质特征的理想模型的科学抽象过程。[16]反映在物理学科核心素养上就是学生通过科学建模学习形成科学抽象思维的过程。A组与C组相比，A组学生建模过程中使用智慧教室画图工具，在平板上完成画图建模，然后分享给同伴和教师，通过小组合作进行交流、论证和改进，建模过程的“改进—分享—交流—论证”易于实现多次反复。同时，A组学生模型建构过程是外显的，容易被同伴和教师“看得见”，容易获得同伴和教师的改进建议。C组学生不使用智慧教室画图工具建模，模型建构过程不易表达和分享，模型建构过程是内隐的，没有明确的“显现目标”。即使进行小组合作，交流也会受到很大的限制，不容易获得来自同伴和教师的改进建议。智慧教室画图工具能使小组合作效率更高，高效的合作使学生对物理模型的认识和理解变得更加丰富和全面。反映在检测结果上，A组在四个维度上显著提升，一个维度无显著变化，整体上显著提升；C组三个维度没有显著变化，一个维度显著下降，仅有一个维度显著提升，整体上无显著变化。由此看来，出现上述结果是合理的。
在模型的实物等同性维度上，A组和C组差异尤其显著。C组学生对物理模型的理解仍然脱不掉实物模型的影子，其整体表现为更加的不确定性。A组学生对物理模型的理解更倾向于科学模型，这与他们用画图的方式建构模型有关系。科学模型是通过高度概括和抽象形成的图景（也可以是图像、公式等），A组学生在用画图工具建模时，需要把这个抽象的图景用适当的画图语言表征出来，这是一个抽象变具象的过程，这个具象（模型的形状）是用来表征或解释事物的某方面的特征，不容易被理解为实物的放大或缩小。因此，画出的模型与实物是有很大区别的，A组学生在这一点上表现更好是合理的结果。在模型的可变性维度上，A组学生随着认识的不断变化，用智慧教室画图工具对模型不断修改的体验，使他们非常认可模型是可变的，C组缺少这样的体验，在认识上无显著变化是合理的。
2.教学方式对学生建模及理解模型的影响
在模型的实物等同性维度上，A组和B组差异显著，说明在对实物模型和科学模型差别的理解上，学生主动式建模优于被动验证式建模。A组学生在主动建构模型的时候，会出现实物模型和科学模型的认知冲突，他们会在小组合作与师生互动的过程中解决掉这些冲突。同时，A组学生在主动建构模型的过程中会体验到科学模型与实物模型的不同。B组学生的建模方式是被动的、接受式的，导致B组学生缺少主动建构的体验。通过访谈了解到，B组教师在建模教学过程中尽可能地屏蔽掉学生建模过程中的干扰因素，这些干扰因素带来的认知冲突也会被屏蔽掉。所以，他们在这一维度上表现出不确定性是合理的。
B组在其余四个维度上的表现与A组无显著差异，其中，在模型的多重表征性、模型的解释性两个维度上均值略好于A组。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变量之间的关系”“模型可以是图像、图片、地图，或者照片”，需要学生有足够的建模经历和丰富的多学科知识才能更好地理解。数据显示，B组学生表现较好。教师对模型的理解远高于学生，教师可以带领学生处于一个较高水平的建模氛围中，B组教师主导的讲授式的建模教学更容易将这些理解传授给学生。建立在教师建模经验基础上的B组学生有好的表现，这一点也获得数据结果的支撑。在模型的可变性维度上，主动建构模型的A组学生体验感更强；B组学生主要验证教师引领他们构建的模型，在对模型的可变性上更相信权威，容易受到对科学公认模型相对不变性的影响。A组学生表现好一点是容易理解的。
（三）学生画图建构光学模型数据分析与讨论
1.分析说明
样本与前面SUMS量表分析的样本完全一一对应，依据先赋分再划分等级的原则形成等级数据。水平1、2、3分别赋1分、2分、3分，满分为87分，在0～87分间划分为5个等级。等级“1”（0～17分），等级“2”（18～35分），等级“3”（36～53分），等级“4”（54～70分），等级“5”（71～87分），以此来评价学生建模表现的能力和素养。三组学生在前测、后测的等级表现及检验结果如表3所示。
表3 画图建模表现前、后测试等级结果及多重比较2.学生画图建模等级表现
为方便查看和比较，在一个等级中选取其中一个题目的图形来说明学生画图建模的表现情况，如图4所示。在情境概念化上，等级1显示，学生能意识到海面上的雾气特征并进行分层处理，但不知道光路是怎么行进的；等级2、3、4显示，学生正确地表示出光路的行进方向，对海面上的雾气特征理解得更深，用较多的分层来展现光路的弯曲情况；等级4中，学生还用带箭头的线段和语言表征雾气高低层的折射率差异。在概念理解上，都能体现出学生对折射、全反射概念的运用。处于等级1的学生没能建立起光学原理和观测现象之间的因果关系；等级2、3、4中的学生能用光路及反向观测线表征出这种关系。在模型的表征上，等级4显示，学生用两条光线构建光路图模型来确定物点的像，并用字母和图形标记出物像位置，他们用语言说明其它点的物像关系，指出人眼的观察特点及楼宇的虚像特征；等级3则缺少语言表征，等级2用一条光线构建光路图无法定位物像位置，也没有用其它的方式进行补充说明。等级5不但具备等级4达到的水平，而且优于等级4的是运用了数学表征，并进行充分的量化表征。
3.分析讨论
表3中的前测数据表明，在画图构建光学模型的等级水平上，绝大多数学生处于等级1的水平， A、B、C三组分别达到92.3%、93.5%、88.9%。处于等级2和等级3水平上的学生较少。经检验显示，三组无显著差异（H=1.340，p=0.512>0.05），可认为三组学生的初始水平相同。后测数据表明，三组存在显著差异（H=39.684，p<0.001）。事后的两两比较显示，A、C两组学生存在显著差异（p<0.001），A、B两组学生存在显著差异（p=0.007<0.05），B、C两组学生存在显著差异（p=0.004<0.005）。基于研究的问题，下面对A、C两组及A、B两组分别进行对比分析。
在高等级（4、5等级）分布上，A组人数占比远大于C组。A组学生在等级4上占比达到33.7%，C组学生仅达到17.8%；在等级5上，A组学生占比19.2%远高于C组学生的1.1%。在低等级（1、2等级）分布上，C组人数占比远大于A组。C组学生在等级1上占比为18.9%，A组学生仅为1.0%；在等级2上，C组学生占比31.1%远高于A组学生的17.3%。在中间等级3上两组差别不大，A组占比为28.8%，C组占比是31.1%。整体来看A组学生分布等级高于C组。因此，A组学生建构光学模型的水平高于C组学生。同时也表明，智慧教室画图工具的使用能够促进学生建构光学模型的能力及素养提升，这与SUMS测试量表反映的结果具有一致性，反映出学生对模型的认识和本质的理解越好，画图建构光学模型的水平也越高。
B组学生在等级3上占比最高，达到总人数的35.5%，分布在等级2和等级4上的占比非常接近，只相差1人。学生水平主要分布在等级2、3、4上，达到总人数的95%，等级5上只有4人，占比4%，学生的等级分布非常紧凑。B组在等级4、5上占比为33.3%，比A组的52.9%少19.6%，B组在等级2、3上占比为65.1%，比A组的46.1%高出19%。由此看出，A组学生趋向于中高等级分布，B组学生趋向于中低等级分布。这种分布说明，A组学生的画图建构光学模型水平高于B组学生，这与前面SUMS测试量表反映的结果（无显著差别）有所不同。看来，在建构光学模型解决实际问题方面，学生主导的小组合作主动式建模效果好于教师主导的被动验证式建模。B组学生等级分布与A组比更紧凑，说明学生分化差别小，表现出教师主导式建模的集约化发展特征。对于C组学生，他们的分化差别也大于B组的学生。表现出学生主导的小组合作主动式建模能够充分发挥学生个体的学习潜能，有利于实现学生的个性化发展。
（四）CLASS量表数据分析
1.分析说明
CLASS量表是通过比对“学生意见”和“专家意见”的符合程度来检测学生对物理科学学习态度及兴趣的水平。专家在问卷中的第4、7、9、33、41题上持有不同的意见导致无法比对，数据分析时将这些题目排除。第31题（我们用这一题来筛查没有认真阅读问题的人，此题请选“选项④”）是测试被测试者对待问卷调查态度的，依据此题将不认真参与问卷的学生问卷排除。除去这6道题目，剩下的36个题目的学生问卷意见纳入数据分析，其中26个题分属到前面所述的八个维度，其余10题归为其它。为了便于将“学生意见”和“专家意见”进行比对，学生意见中的“完全不同意”和“不太同意”算成同一答案，“完全同意”和“比较同意”算成同一答案，学生的五种意见归为三种意见。“学生意见”与“专家意见”一致分数为2，相反分数为0，保持中立分数为1。每位学生在36个题目上的平均得分越接近“2”说明越接近专家意见，依据学生的平均得分来测评他的物理科学学习态度及兴趣水平。为保证研究的可比性，样本与前面SUMS量表分析的样本完全一一对应。
2.整份量表前后测组内变化及配对检验
各组学生对物理科学学习态度及兴趣水平呈现整体上升趋势，如图5所示，A组学生上升幅度最大，B组次之，C组最小。分别对A组、B组、C组进行组内前后配对t检验，如表4所示。检验结果表明，A组前后测试得分差异极其显著，说明A组学生经过《光》单元学习之后学生对物理科学学习态度及兴趣水平有极其显著的提升；B组前后测试得分差异显著，说明B组学生也有显著的提升；C组前后测试得分差异不显著，尚不能说明C组学生对物理科学学习态度及兴趣水平有显著提升。
图5 三组学生前后测试得分变化情况（CLASS）
表4 ABC三组教学前后整体情况对照（CLASS）3.整份量表后测组间差异检验及比较
对数据进行单因素协方差分析，排除不同组间学生前测得分对后测得分的影响，结果如表5所示。数据显示，不同的教学干预对学生的物理科学学习态度及兴趣水平的影响存在差异。事后检验（多重比较调节使用邦弗伦尼法）结果提示：使用不同的教学干预教学后，实验A组与控制C组差异显著，A组效果好于C组，表明使用智慧教室画图工具进行物理科学建模能有效提升学生对物理科学学习态度及兴趣的水平；实验A组与控制B组无显著差异，表明学生主导的小组合作学习相较于教师主导的教学在提升学生对物理科学学习态度及兴趣的水平上不相伯仲；两控制组B、C差异显著，结合A组与B组、A组与C组的比较结果，可认为使用智慧教室画图工具进行物理科学建模能有效提升学生对物理科学学习态度及兴趣的水平，学生主导还是教师主导的教学对物理科学学习态度及兴趣的水平影响有限。
表5 前测成绩调整前后后测成绩均值及差异性比较（CLASS）4.A、B、C三组分别在各维度上的表现及差异比较
三个组在各维度上前后总体表现如图6所示。A组在八个维度上均有提升，在概念联系、概念应用、解决问题的信心和解决问题的能力等维度上提升幅度相对较大。B组在个人兴趣和解决复杂问题的能力两个维度上前后基本持平，在物理与生活联系、概念联系、解决一般问题的能力三个维度上提升幅度相对较大，在概念应用、意义建构、解决问题的信心、解决复杂问题的能力四个维度上提升幅度相对较小。C组在物理与生活、概念联系两个维度上有小幅度提升，在概念应用、意义建构、解决一般问题的能力三个维度上前后基本持平，在个人兴趣、解决问题的信心、解决复杂问题的能力三个维度上有小幅下降。
图6 三组学生在各维度上的前、后测试情况比较（CLASS）
（五）基于CLASS量表数据结果对研究问题的讨论
1.智慧教室画图工具的运用对学生物理科学学习态度及兴趣的影响
A组与C组相比，A组学生建模过程中使用智慧教室画图工具，C组学生建模过程中不使用智慧教室画图工具，整体上呈现出的显著差别说明，智慧教室画图工具的使用能够有效促进学生对物理科学学习的态度及兴趣，在发展学生学科核心素养上起到积极有效的作用。
从智慧教室技术使用上看：①学生通过平板使用画图软件进行画图建模，借助智慧教室的丰富技术进行有效互动、展示、分享、改进甚至开展竞赛，有助于课堂中“游戏”成分的融入，使学生充满兴趣，提高学习效率。②智慧教室技术的运用为教学环节的实施提供多种方案。例如，心智模型构建前对物理现象的观察，分组实验是最好的方式，若限于条件无法实现，通过智慧教室技术将录制的视频资料推送到学生平板上，供学生观察；如果能做演示实验，为方便距离远的学生观察，用平板当摄像头进行“现场直播”，借助多屏联动技术实现学生用自己的平板进行观察，这些技术的使用提供的学习场景更能够增强学生的体验感。③教师利用云端数据与交互技术调整优化建模环节，将暴露心智模型并使模型的初步表征前移到预习环节。④使用画图软件实现无纸化建模，学生在平板上画图建模并分享自己的心智模型，实现建模过程的外显化和交互化。⑤利用平台的数据分析统计功能适时进行学情反馈与指导。教师利用平板或智慧黑板掌握学生的建模情况，及时指导和点评。通过屏幕共享与交互技术实现内容的呈现、学习方式与互动方式的选择，学生自主获取建模资源（教师也可推送学习资源给学生）进行自主学习；学生通过平板分享或接收同伴建构的模型实现生生合作（组内合作和组间合作）。由此看来，技术加成下的科学建模学习活动，更容易实现模型的反复多次改进，学生更容易意识到科学认识是不断被完善的，科学结论是相对的真理，[14]科学本身是处在不断发展变化当中的，需要用发展的眼光来看待科学，从而助力学生形成正确的科学本质观，这些正是物理学科核心素养中科学态度与责任的必然要求。
从具体维度差异上看：①个人兴趣维度上的差异主要体现在“我会琢磨日常生活中所经历的物理问题”和“我要彻底弄清楚事物的来龙去脉才会感到满意”两个问题上，显示出A组学生对物理学科学习具有很强的兴趣。②概念间联系维度上，C组在知识之间的联系和融会贯通方面表现不好。学生觉得自己学懂某个物理知识点后，用它解题还会感到有困难，在考试中如果忘记了解题要用的公式，就没有其它办法（合法）得知这个公式。概念间的联系属于比较抽象的高阶认知，在智慧教室技术的辅助下更容易实现由“抽象”到“具象”，更易诱发学生的深度认知。③概念理解与应用维度上，A、C两组的差异与前述两个维度的差异是符合逻辑的。C组学生更多认为做物理题时，会利用题目给出的已知物理量找到一个公式，然后代入具体的数值求解，一旦卡住了，就无法独立解答出这道题；如果打算用解决某个物理题的方法来解决另一个题，新问题的情境必须和前一个很相似。这些充分说明学生缺乏运用相应概念及规律深度分析问题的意识和能力。④解决复杂问题的能力维度上也正好印证前面维度的差异。A组学生更多觉得自己学懂某个物理知识点后，用它解题不会感到有困难，通常能够找到解物理题的思路。综合A、C组学生的表现，可以认为智慧教室技术运用与否对学生的学习兴趣及态度产生较大影响，导致学生的物理科学的学习产生较大差异。
2.教学方式对学生物理科学学习态度及兴趣的影响
A组与B组相比，A组学生建模过程中采用学生主导小组合作为主的教学方式， B组学生建模过程中采取教师主导讲授为主的教学方式，整体数据上没有呈现出显著差异，学生主观能动性在与教师经验的较量中各有千秋，说明两种教学方式在对学生物理科学学习的态度及兴趣方面的影响不相伯仲。
但在某些维度的指标上还是存在差异，主要表现在概念应用、解决问题的信心、解决复杂问题的能力维度上的某些指标上。例如，A组学生比B组学生更认可“在做物理题时，若一种方法行不通，通常会尽力尝试其他可行的方法”，反映出学生主导的合作学习更能激发学生寻求多种解决问题的意识，在解决问题时的抗击打能力表现得更好，呈现出良好的意志品质。再有，A组学生比B组学生更认可“我通常能够找到解物理题的思路”，更多的否定“我做物理题时一旦卡住了，就无法独立解答出这道题”，展现出A组学生良好信心品质，也折射出他们较强解决问题的能力。A组教学方式通过问题驱动在激发学生的自我效能方面存在优势。B组则较依赖于教师的个人能力对学生的引导，同时也需要学生对教师的极大认可，“亲其师，信其道”很好地印证了这一点。[15]若教师的自身素质不够高，教学水平较低，个人魅力较弱，采用B组的教学方式效果会较差，这一点也在教学实践中被广泛证实。
四、结论、评析、建议
（一）结论
基于以上数据的分析和讨论，得到如下结论：
1.从技术运用角度看，用智慧教室画图工具进行建模教学能够促进学生对物理模型认识及本质的理解；能够提升学生建构光学模型的能力。
2.从技术与教学策略和教学内容融合角度来看，在光学建模上，“智慧教室画图工具+小组合作”的学生主动式建模略优于“智慧教室画图工具+教师讲授”的学生验证式被动建模，教师在建模活动中的讲授作用不能忽视。
3.从发展学生核心素养角度看，“智慧教室画图工具+小组合作”的学生主动式建模对发展学生科学建模核心素养具有更好的效果。学生基于经验事实主动建构物理模型的过程，也是主动进行抽象概括、分析综合、分析论证、质疑批判、检验修正等科学思维的过程，同时也是逐步认识科学本质、形成严谨科学态度的过程，这些正是物理学科核心素养有机组成部分。
4.从学生个体发展角度看，学生主导的小组合作主动式建模更容易使学生的建模水平发生分化，有利于学生的个性化发展。教师主导的学生被动式建模呈现出集约化发展特征。
（二）评析
1.使用智慧教室画图工具进行建模教学的作用与意义
模型建构过程往往是内隐的，没有明确的“显现目标”，借助智慧教室画图工具把心智模型画出来，就是将“内隐”显现出来，师生基于“显现模型”的分析论证更易提高建模效率。学生将每一阶段对模型的认识适时通过画图工具画出来，其实是将自己的“思维画出来”、阶段性思维实现“可视化”、建模过程思维呈现在“阳光下”。学生可以从第三角度观察自己前阶段的思维过程，能够避免“云深不知处，只在此山中”的尴尬学习处境。所以，教师需要重视智慧教室画图工具在物理建模教学中的作用。如果不具备本研究所述的智慧教室学习环境，可让学生将自己的心智模型画在纸上、白板上、黑板上等，实现建模思维的可视化呈现，实现自我内隐思维的多方审视。
2.智慧教室技术、建模教学内容和教学方式的融合
课题组分别从三个角度进行融合策略的研究与实践：①基于智慧教室技术的融合，即依据技术优势思考实现怎样的建模教学；②基于建模教学内容的融合，即依据建模教学内容思考选择何种技术与教学方式；③基于建模教学方式的融合，即以教学方式统领技术与内容。
从技术角度去融合，能拓宽建模教学思路，创新学习方式，优化教学环节，增强学生的体验感，提高学生的参与度和学习兴趣。但也容易出现技术使用过度造成“炫技”问题。在教学设计过程中如果做到“教学需要的恰当”，还是非常好的融合策略，同时也是未来教学的发展方向。
从建模内容角度去融合，能根据建模内容和教学设计的需要去选择适合的技术，能够突出建模教学的主体内容。但容易出现的问题是，教学思路偏窄，学生的课堂体验感和参与度不足。用建模教学模式来统领两种融合思路会增加融合的深度，可有效解决这些问题。
3.“智慧教室画图工具+小组合作”发展学生科学建模核心素养
学生基于经验事实建构物理模型的过程，是抽象概括、分析综合、分析论证、质疑批判、检验修正等科学思维的过程，也是逐步认识科学本质、形成严谨科学态度的过程，这些正是物理学科核心素养有机组成部分。技术加持下的科学建模小组合作学习活动，更容易实现模型的反复多次改进。学生更容易意识到科学认识是不断被完善的，科学本身是处在不断发展变化当中的，需要用发展的眼光来看待科学，从而助力学生形成正确的科学本质观，这些正是物理学科核心素养中科学态度与责任的必然要求。
学生建模过程中使用智慧教室画图工具，在平板上完成画图建模，然后分享给同伴和教师，通过小组合作进行交流、论证和改进，建模过程的“改进—分享—交流—论证”易于实现多次重复。同时，学生模型建构过程是外显的，容易被同伴和教师“看得见”，容易获得同伴和教师的改进建议。智慧教室画图工具能使小组合作效率更高，高效的合作使学生对物理模型的认识和理解变得更加丰富和全面。学生在主动建构模型的时候，会出现实物模型和科学模型的认知冲突，他们会在小组合作与师生互动的过程中解决掉这些冲突。学生在教师讲授下的建模方式是被动的、接受式的，导致他们缺少主动建构的体验。教师为提高所谓的“课堂效率”，会尽可能地屏蔽掉学生建模过程中的干扰因素，致使这些干扰因素带来的认知冲突也会被屏蔽掉，不利于科学思维活动的开展。
实证研究过程中发现，在光学建模上，“智慧教室画图工具+小组合作”的学生主动式建模略优于“智慧教室画图工具+教师讲授”的学生验证式被动建模，教师在建模活动中的讲授作用不能忽视。说明学生间的合作可能带来层次过低的问题。因此，小组合作中应适当增加教师的成分，充分发挥教师在建模教学中的作用。教师需要多种方式参与小组合作，提高小组合作学习的质量和效率。例如，通过讲授分享建模经验，通过问题驱动和参与表达见解营造更高层次的思维活动，加强小组合作建构模型中的管理和组织，等等。
4.学生建模水平的集约与分化
学生主导的小组合作主动式建模能够充分发挥学生个体的学习潜能，有利于实现学生的个性化发展，发生分化是必然的结果。社会需要不同专业、不同层次的人才，教育教学促进学生学业发展，在这个过程中实现学生个体分化，为国家、社会培养多样性的人才，这应当是一个大的教育目标。如果教师的因素干扰太多，会造成“千佛一面”的集约化特征，使学生看不清自己，致使很多高三学生在高考志愿填报时很盲目，影响到自己的未来规划，妨碍学生个体终身发展。因此，利用教育技术实现高层次的自主学习，让不同层次的学生在各自的基础上能得到更好的发展，实现学生发展的“均衡性”（合理分化），而非“集约性”。教育技术不是用来“压高提低”平均化的教学工具，学生的学习分化是正常的，不宜进行过多的干预。
（三）建议
1.发挥智慧教室技术作用，树立技术、策略和内容深度融合意识
在智慧教室提供的丰富教学环境下，教师不要只停留在简单的视听应用上，更重要的是把技术作为促进学生自主构建物理模型的认知工具、小组深度合作交流的工具；教师要充分利用技术来优化建模教学环节，创设具有更丰富情感体验的教学环境，增强学生的体验感和参与积极性，激发学生的求知欲和创新欲，发展学生的科学建模核心素养。在物理建模教学中，教师可依据建模教学内容，立足智慧教室提供的丰富教育技术，选择合适的教学策略，加强三者的深度融合，构建有效的融合策略和建模教学实施流程。教师需注重多重融合思路，增加融合的深度和有效性，如从学情的角度思考三者的融合、从促进师生合作的角度去融合等等。
2.构建将学生引向深度认知的教学机制
进行深度教学理论的学习与培训，把握好方向，实现科学引领；进行高中三年的统筹规划，立足学生的阶段性学情特点，设置阶段性的思维达标规范，让学生便于获得成功感，从心理层面产生积极的自我肯定，同时通过检测指标分析学生的思维水平，改进下一步的方案；将小组合作与教师引领相结合，依据教学内容进行合理的教学设计；引导教师对教学内容进行深度研究和挖掘，设计层层递进的问题，设置好思维台阶将学生思维引向深入；合理运用技术工具构建抽象思维与形象思维的桥梁，让学生“想一想，看得见”“再想想，又看得见”，形成如此循环螺旋上升的思维策略；充分发挥教师在建模教学中的作用，小组合作中适当增加教师的成分，教师参与小组合作，防止出现思维层次过低的问题。教师通过讲授分享建模经验，通过问题驱动和参与表达见解营造更高层次的思维活动。教师要加强小组合作建构模型中的管理和组织，提高小组合作学习的质量和效率。
3.打造高素质教师队伍
首先，运用好现代科技发展成果打造一支掌握先进教育技术的教师队伍，推动教师教学方式的变革，以满足核心素养对学生的发展要求。其次，运用好教科研武装教师，倡导教师“自助型”武装自己，即倡导教师进行问题研究，教学科研机构将大课题拆解成一个一个的小问题，形成自助餐的形式，供教师选择，允许教师将教学实践生成的问题放入科研部门设置的“研究菜单”，形成上下一体、横向分享的研究模式。教学科研机构将研究指导、结题方式等化大为小，化繁为简，及时对教师加以肯定，提高解决问题的效率，助力教师的专业发展。
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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
编辑：王天鹏 校对：王晓明
期刊简介
《中国教育信息化》创刊于1995年8月，是由中华人民共和国教育部主管，教育部教育管理信息中心主办，面向国内外公开发行的国家级学术期刊。期刊内容力求全面深入地记录我国教育信息化的建设进展、研究与应用成果和行业发展状况，开展我国教育信息化发展状况调研和教育信息化国际比较研究，服务于国家教育宏观决策；力求全面准确地把握教育信息化相关的方针政策和标准规范，及时追踪ICT前沿技术的发展趋势及其与教育的融合，深度挖掘教育信息化建设与应用的体制、机制创新，服务于我国教育信息化实践。
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