基于元认知理论下的现代技术在物理学习中的应用_华彬.pdf

第 44 卷 第 1 期 广西物理 GUANGXI PHYSICS Vol.44 No.1 2023224基于元认知理论下的现代技术在物理学习中的应用华彬（江苏省靖江高级中学，江苏靖江214500）摘要：学生是信息时代原住民，现代技术方面似乎有先天性的储备，如多媒体技术、软硬件的安装和使用，手机app 的使用和一些隐藏功能的挖掘等等，现代技术引进物理课堂是适应学生学习、生活方式的，迎合学生的兴趣才会收获双向配合的效果。本文主要也在思考如何利用学生的“元认知”水平将不可能变为可能，将手机、电脑等电子产品在合适的时机回到学生手中，对物理学习进行正向的帮助，并且能取代游戏、视频等“瘾”力。我们可以利用现代技术让学生明确为何学，学什么，怎么学，不断提升自己的元认知能力，并在元认知的支配下让物理学习真正发生。关键词：元认知；现代技术；角色互换；图形拟合中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-7551(2023)01-0224-030引言高中物理最难学已成为大部分学生的共识，主要表现在从初中到高中的一个跨度中的不适应，有的表现在物理思维上，有的表现在学习行为上。现在在“双减”的政策下，学生更加不可能像刚开始接触物理一样花额外的时间反复学，学反复以形成一种死板的识记印象，从而不能接受高中的物理学习过程中的灵活多变。这就要求在学习物理过程中主动对自己认知过程进行规划、监管、预估、评价，形成由外驱力转为内驱力并能够自主自觉控制自己有效的认知过程，即提升学生的元认知能力。众所周知，现代技术手段在物理学科中的应用是必不可少，如：“教学与娱乐相结合，提高学生的兴趣和学习物理的积极性，弥补课堂实验的不足，易攻克教学难点，提高课堂教学效率，优化课堂教学过程等等”但这些还是只停留在“教”的层面，教师是现代技术的参与者、实践者，学生只是被动地从“欣赏”到“迎合”到“观看”久而久之丧失新鲜感，如何让“现代技术”回到学生手中，并在元认知的支配下让物理学习真正发生，我有以下几点思考：1发挥学生“现代技术原住民”的优势学生是信息时代原住民，现代技术方面似乎有先天性的储备，如多媒体技术、软硬件的安装和使用，手机app 的使用和一些隐藏功能的挖掘等等，2020 年底，华东师范大学国家教育宏观政策研究院课题组对 1.8 万中小学生调查拥有个人专属电子产品（手机、平板电脑、电脑等）的数据显示：高中 77.4%；初中 64.6%；小学50.7%，现代技术引进物理课堂是适应学生学习、生活方式的，只有迎合学生的兴趣，教育教学才会收获双向配合的效果。2虚拟世界的闪光点转移再利用学生在虚拟世界中实际上有很多闪光点，如：“兴趣、成就感、团队合作、存在感、创新精神、很强的接受能力等等”，这些恰恰都是物理学习中迫切需要的，我们可以大力开发基于物理规律的物理实验 app 或软件，收稿日期：2022-12-07通讯作者：第 44 卷 第 1 期 广西物理 GUANGXI PHYSICS Vol.44 No.1 2023225类似现在比较常用的“物理实验室 AR”“phyphox”等等，同时进行宣传和介绍（通过微博或微信公众号来接收相关 app 或软件的信息等），可以从物理发展史以及发展的现状和物理的未来等方面以新代旧同时植入生活元素，将学生的注意力转移到此类 app 或软件上来，让广大学生欣然接受并愿意在上面花时间研究；也可以从趣味实验书本实验创新实验来进行设计，让学生产生兴趣，乐于学习，敢于创新；又或者可以从题目设计方法分析变化拓展方面来设计，一改枯燥的题海训练，让学生感到自己也能出题，自己也能做题，自己也能变题，意识到自己才是学习的主角，自己沉浸去探索，感悟并获得快乐才能让自己的学习真正发生，同时建议坚决取缔搜答案这种惰化学生思维的 app。3角色互换，学生复制课堂到设计课堂定期开设现代技术下的物理课堂，介绍相关 app 和软件在物理课堂上的可用方法或是完整的探究过程，让学生在家也能用身边的电子产品进行探究过程的复制，好奇心和成就感会使学生对 app 或软件上相关于物理的功能做进一步的研究。尤其在经典物理学中，宏观低速，“近物”的世界，运用现代技术使学生由“观众”变“主角”研究会站得更高，看得更远，明察细节，拓宽视野。物理学中的规律需要定性定量、创设情境、构建模型而后得出，尤其对实验室硬件相对较差的学校，实验完成率和成功率很低，这样会影响学生的学习动机，学习效率大打折扣，而此时哪怕只用简单的多媒体技术将大千世界带到学生的眼前，定会激起学生的求知欲。比如在“简谐运动”教学中如何突破弹簧振子位移时间图像描绘的这一难点？现代技术相比较传统技术，在数据采集，定性定量，分析问题，解决问题等方面确实带来了很大的简便性、趣味性。学生本身是了解视频一些的重要参数（如帧率），也会使用“KMPlayer”播放软件，但不一定知道软件其中的“高级捕获”功能可以进行截帧操作从而动中取静，将连续变化的动态过程拆解成一张张等时间间隔的静态画面，进一步转化为物理上读数所需要的物理量。相比较而言如果只是给学生看一幅频闪照片，有些学生没有去理解现代技术的原理和亲自操作的一个过程，甚至连研究对象都弄不清楚。同样如何证明图像在各种简谐运动过程中的普适性？我们可以采用手机及内置加速度传感器设计成竖直弹簧振子，利用“phyphox”app 描绘出竖直弹簧振子 a-t 图，结合简单的二阶导数反推竖直弹簧振子位移时间图像和水平弹簧振子一样也遵循正弦变化规律。利用手机自带传感器（生活常见，不同机型有所不同）结合可探测到手机传感器的软件进行验证，此操作相对于 dislab（实验室才有）更便于携带，操作和控制。再者讲到“振动”内涵的拓展学生会看到一些变化复杂的周期性振动图像，通过抖音“傅里叶无穷级数”相关视频就可以了解到再复杂的振动图像都可以理解为是由 n个简谐运动图像按照不同方式进行的叠加。整个课堂从提出问题（简谐运动位移随时间变化规律是怎样？）猜想假设（猜想图像是否满足正弦变化规律？）制定方案（围绕如何定量描绘出 x-t 图像）获取数据（笔记本电脑安装 kmplayer 替代频闪照相机）数据处理和图形的拟合（excel 图形拟合替代繁琐的计算、描点、作图）误差分析（得出标准的弹簧振子模型应该是理想化的）交流合作竖直弹簧振子（手机 app“phyphox”替代实验室传感器），学生会发现原来自己也能进行一节完整的现代技术物理探究课，当然会下意识地去管控好自己的学习过程，并且会去思考还有哪些实验可以用此类方法进行？如：测自由落体加速度、做功与速度变化关系、验证机械能守恒定律，验证碰撞过程中动量守恒等等。下面以“简谐运动”一课为例来进行可复制课堂的设计：3.1创设情境通过生活中相关实例，激发学生学习兴趣。演示“鸟儿飞离枝头”“带有 LED 灯的弹性铁丝”“水平弹簧振子”学生体会什么是机械振动和“视觉暂留”效应，并引导学生通过观察，说出这些振动中的一些特点。由学生提出平衡位置，周期性，老师引导学生关于弹簧振子的位移表示和读数方式为接下来探究实验做进一步准备，并对学生进行规范读数的训练。3.2实验探究以水平弹簧振子为例探究弹簧振子位移随时间变化规律，并同步介绍物理探究过程。提出问题：水平弹簧振子位移随时间变化规律是怎样？制定方案：学生知晓帧率的概念，能说出视频是由一帧一帧画面连续快速播放，由于视觉暂留效应而形成的。通过视频（逐帧画面快速播放引起的视觉暂留效果）编辑软件对真实的实验视频逐帧提取。第 44 卷 第 1 期 广西物理 GUANGXI PHYSICS Vol.44 No.1 2023226测定数据：每秒 25 帧，即每隔 0.04 秒读一次位移。猜想假设：计算机作图并进行图形拟合。实验验证：学生读数描点作图，猜想图像是否满足正弦变化规律。通过最大位移以及运动周期，学生写出正弦函数表达式，利用 excel 将之前各帧对应时刻代入求得满足正弦规律变化的位移，利用软件来处理物理探究的一些过程，与当代学生的感知、兴趣更为贴近，能够吸引学生注意力。与实验测得的读数进行比较；或分别将上述两组数据进行作图比较，在误差允许范围内是否相同，进而由学生得出结论，增强学生的成就感。误差分析：对上述数据或图像存在的微小差异进行分析，从而得出弹簧振子是理想化模型，简谐运动是理想化的运动。交流合作：利用手机加速度传感器描绘竖直弹簧振子的加速度随时间变化图。进而总结规律：振动图像遵从正弦函数规律的振动为简谐运动。教师此时可以引导学生根据位移的二阶导数（数理结合）可表示加速度反推其振动图像应该也遵循正弦规律。3.3拓展学习哪些描述机械振动图像的方法？展示振动的现实意义，说明常见的变化规律比较复杂的振动图像实际上都是可以由 n 个简谐运动图像按一定方式叠加而成（简介傅里叶级数）。接着让学生观看现实生活中的一些振动图像，并且可以和学生互动，让学生高唱国歌，体会传感器及手机软件描绘图像的过程，教师用手机上的声音传感器测定声音振幅变化来表现学生的爱国热情，进而让学生认知广义化。3.4课堂总结收获：本节课同学们学到了哪些物理观念，了解了科学探究有哪些过程和科学思维方法？本节课从物理核心素养培养目标上来看，从以下几个方面进行了体现：1.物理观念：知道什么是机械振动，简谐运动。认识生活中的相关实例；知道物理研究过程遵循从易到难的规律，会描绘和理解简谐运动中位移随时间变化规律；知道弹簧振子是理想化模型，简谐运动是理想化的运动。2.科学思维：将动态连续画面变成类似于频闪照片的静态图片读数，拟合数据或图形，验证猜想；培养学生学科融合的意识，如数理结合等。3.科学探究：培养学生进行探究性实验的能力，熟悉实验探究的过程。4.科学态度与责任：尊重事实，用真实的实验真实的数据合理推导规律；能够将振动的意义“生活化”“广义化”“情境化”，了解振动的现实意义并能应用；通过探究过程激发学生学习物理的兴趣，并能主动发现简谐运动的“对称美”；通过实例和学生活动激发学生的爱国热情。整个探究过程从物理观念出发，进行实验探究，锻炼了学生的科学思维，提升了学生科学态度和责任，整个实验过程学生可操作，可自行预估，监管和评估，利用学生感兴趣的现代技术手段，切换角色，学生体会到自己也能当老师的成就感，包括课后思考作业的一改常态的布置，学生自然而然会自我控制自我认知的有效过程，长期坚持，一定会改变对死板课堂的依赖。4结语当然，现代技术也不能完全取代物理学习中动手的本源，也不能完全替代学生对课堂的回应，物理学习中一些科学本质的感知，科学态度和责任的培养还是需要“动手”来实现。但我们可以利用现代技术让学生明确为何学，学什么，怎么学，不断提升自己的元认知能力。参考文献1 马廷钧.现代物理技术及应用 M.北京:国防工业出版社,2002:1-9.2 大卫迪绍夫.元认知：改变大脑的顽固思维 M.北京:机械工业出版社,2014:19-27.3 李涛.现代科学与技术 M.西安:西北大学出版社,2005:56-68.4 泰德卡兹比.超越元认知：五大认知缺陷及应对策略 M.北京：中译出版社,2022:55-68.