基于的物理教学案例分析

▶2.4　基于IMMEX的物理教学案例分析

魏慧军

一、背景

IMMEX即Interactive Multimedia Exercises，是多媒体互动益智测训平台，IMMEX（Interactive Multimedia Exercises-China），是在继承美国IMMEX多媒体互动益智测训平台核心理念的基础上，结合中国教育对提高学生创新思维和解决实际问题能力的需求而研发的具有人工智能的练习和评估系统。

在IMMEX系统平台的基础上，教师可以开展一系列的教学设计，期望能从学生思维过程图的分析中，深入了解学生的思维过程，发掘学生的思维优势和弱点，客观科学地辨别学生思维的特点，从而能更好地因材施教，更好地促进学生的个性化思维的发展。

二、教学过程展现

1.提出问题情景

2011年3月29日，我校开展以培养学生学习素养为核心的学校课程建设的研究与实践的展示活动。笔者在高一（1）班开设了一节“飞跃火车”的IMMEX教学展示课。

上课开始，学生就被“飞跃火车”的问题情景吸引了。你是电影“正义先锋2”的一名特技替身演员。导演找到你，问你是否能做一个火车行进中的飞跃特技。你必须跨越正在行驶的列车的车厢！如果跳跃得太早或太迟，你就会撞到火车上。起跳时间必须精确计算！作为一名经验丰富的特技演员，你决定让你的汽车车头从其中两节火车车厢之间的平板接口空当之间穿过，使这次行动有最大的成功可能。你将道具车开到火车轨道旁，以车前保险杠的中心位置为准，在铁轨上留下一个记号。你必须算出从这个点到火车给你加速信号的地点该有多长的距离。学生都想扮演这样一个惊险的角色，他们渴望自己成功！学生的兴趣调动起来了，思维的初始阶段很成功，学生能集中精力投身于这个问题的思考中。

2.对问题的思考

学生很快就进入问题解决的思考阶段。学生才真正意识到这不是一道单纯的物理题，关于火车信息就有19个信息项，而建立火车与汽车之间的关系涉及了更多的信息。哪些是有用信息呢？教师发现学生对大量信息的筛选遇到了很大问题。时间不等人，学生没有有效地进行信息的筛选就急匆匆地开始尝试物理的建模和物理过程的分析。

教师又发现，大多数学生能分析物理原理：从知识点上讲，火车一直做匀速运动，汽车先做匀加速直线运动后做匀速运动。但是，如何建立火车与汽车在时间上、位移上的关系又成了学生解决问题的障碍。

3.遇到的关键问题分析

这道题有1～10个变式，学生首先尝试变式1。火车的速度可以通过三种途径计算，学生应该知道汽车停放点距离铁轨的距离，这样才有可能通过距离同速度的比值算出汽车从这个点开始到飞跃火车点所需要的时间。学生可以获得的有用信息有：汽车距离铁轨的距离；汽车的长度，这个长度应该计算在总的飞跃距离中；汽车的加速度（这里又有两个获得信息的途径，既可以通过文字信息获取，也可以通过汽车的速度—加速度图得到）；汽车进行飞跃时要求的飞跃速度；直接从汽车运动轨迹图中得出汽车的速度，完成飞跃距离需要花费的时间。

图5-19

在每个变式中，学生应该了解的信息很多，铁轨旁边均匀排列的柱子，每两根柱子之间的距离，整列火车通过一根柱子的时间；火车各个部分的长度；火车的总质量（干扰信息）；汽车的总质量和驾驶人员的身高、体重（干扰信息）；汽车的加速度（可以通过文字或读图表数据获取）；汽车的飞越速度（可以通过文字或图表数据获取）；汽车停放点距离飞越点的距离；汽车的宽度（干扰信息）；道路的宽度（干扰信息）；以上信息都是不断变化，教师应从学生点击干扰信息的频率，判断学生已经在形成有效思维策略，当学生的干扰信息不再出现时，可以认为学生已经很好地理解和解决问题了。

4.教师对学生的干预与指导

很多学生首次遇到这么多信息的题目，他们大多没有解题技巧，无目的地用鼠标点击信息。而学生每次电脑上的动作，都记录下来，通过软件分析，给学生提供学习思维过程的图表，如图5-20所示，是高一（1）班陈同学的思维过程图。为了培养学生的思维能力而不是单纯地解出题目的答案，教师在第一节课上，没有对学生进行解题方法的指导。第一节后，学生拿到了自己的思维过程报告。学生可以自己分析自己的思维过程，哪些是有效的，哪些是无效的；学生互相交流，自主研究思考，从而拓展思维角度，自主地改进自己的思维策略。

图5-20

图5-21

图5-22

第二节课，教师点评第一节课中学生典型的思维策略特点，分析学生遇到的问题。如图5-21所示，这位同学明显没有好好审题，没有思维过程，直接就猜答案，给予批评，当然只有一位学生出现这种状况，教师的干预方法是与学生单独面谈，并对学生基础知识进行补充与复习，让他掌握应具有的基础知识后，他就有信心一步一步地进行思考了。很多学生出现类似如图5-22所示的情况，表明他点击了很多信息，反复思考问题，应该表扬他认真、仔细、不怕困难、不断思考、不断探索的精神，但也看出这位学生重复点击了问题描述，演员的身高等干扰信息也点击了很多，说明他不仔细看问题描述，没有很好地区分干扰信息和有效信息，无法抽象出问题的关键信息，对丰富复杂的信息盲目点击，导致效率低下；关键信息的遗漏、无法根据问题条件和数据构建情景与物理模型，从而导致解题失败。教师的干预方法是引导学生进行双向推理：利用已知条件进行顺向推理，运用未知条件引导思维方向，帮助学生理清逻辑关系。

面对全班学生，教师采取的有效的干预措施是让不同思维特点的学生分组，交流自己的问题解决策略，讨论哪些信息是干扰信息，哪些是关键的有效信息。学生再次尝试独立的解题，寻求策略的稳定。

图5-23

图5-24

如图5-23所示，这位学生虽然两次失败后并没有气馁，最后他成功地得到了正确答案。但他形成了稳定的解题策略了吗？没有。他必须在变式问题的解决过程中稳定解题策略。图5-24告诉我们这位学生第一次解题失败，第二次解题成功，但解题成功，他的具体思维过程就完美无缺了吗？实际上出现一个正确的结果会有很多的思维过程。

图5-25

图5-26

从图5-25和图5-26可以看出两位学生不同的思考方法，思维过程也不同，如果让这两位学生交流讨论，他们会拓展思维角度，更深刻理解题目中涉及的各种信息。教师的干预目的是引导学生克服思维定式，寻求多种解题思路，拓展性思维培养，通过指导学生间交流讨论来引导学生对不同思维策略的比较与评价，寻求最优策略，摈弃低效率及错误策略。

学生继续独立探索汽车安全飞跃火车的问题。通过变式的分析，建立优化的思维策略。

IMMEX-C系统将学生对资源库中信息取舍的随机思维过程一一记录在案，通过马科夫模型分析归纳，在解题结束后的短时间内，向学生本人，任课教师提供不同层面对解题的策略、方式和过程的分析。如果物理知识点不清楚，教师将提醒学生认真学习相关物理概念、原理；如果学生不能有效地提取有效信息，教师将通过小组讨论的方式让学生自己发现问题，自己寻找解决问题的途径；如果学生计算上有问题，教师则建议学生把每一步计算写在草稿本上进行检查、核对；如果学生对问题的解决不感兴趣，教师则从学生的思想态度上给予鼓励和支持等。

三、反思与总结

1. IMMEX系统为物理教学提供了交互式平台

IMMEX系统软件创立了一个激励学习的环境；系统能够实时记录学生策略的形成和运用的过程并对其进行分析；系统能为学生提供有针对性的案例来记录其思维能力随着时间的进展，所以IMMEX提供的交互式平台是真正意义上的人机对话。

2. IMMEX系统为师生展现了思维过程，为创新能力的培养提供有利条件

学生通过交流解题策略，提高了问题解决的成功率；学生可以通过不同途径解决一个物理量，这种发散思维的训练提高了学生的创新能力；通过阅读大量信息，培养学生对无用信息的剔除的能力，从而使学生快速地分析问题、解决问题。

3. IMMEX提供了一个科学的评价系统

IMMEX系统提供了一个科学的评价系统，有助于学生校正思维角度，开拓多角度思维。IMMEX系统的过程记录和分析评估区域能为学生和教师提供不同程度和形式的评估报告。这些报告能提供即时在线的学生群体解题的效率和成功率，提供学生的解题过程和随时策略选取变化数据分析的图解，教师可根据认知理论对学生今后思维发展进行预测和有效干预，更有助于教师因材施教，对不同的学生采取不同的干预措施，进行个性化辅导，有助于物理课程的有效教学。

4.总结

在IMMEX平台上，通过“飞跃火车”这一教学的设计和实施，学生都感到对IMMEX问题的解题过程不是单纯地解出答案，而是学生不断地深入思考，调整解题策略，从而建立优化、稳定的思维策略过程，是实时反映学生思维过程并给予评估的过程。教师如能有效地利用这一平台，将激发学生创新思维，在物理教学上更好地提高学生思维能力。

参考文献

张晓英，杨开城，赵国庆.IMMEX教学应用的初步研究［J］.开放教育研究，2010（2）