周少娜　包雷

摘 要：因材施教從古到今都受到很高的推崇，其主要針對受教育者的個別差異實施不同的教學策略。但是，在教育實踐中真正貫徹因材施教原則的卻很少。本研究以筆者的訪美經(jīng)歷，介紹了美國以虛擬實驗平臺為載體因材施教的教學案例。借助虛擬實驗的可視化和及時反饋功能，學生根據(jù)自己的知識水平、個性特點和接受能力，個性化地執(zhí)行學習任務，自主建構對知識的正確理解，體現(xiàn)真正的做中學。

關鍵詞：因材施教；虛擬實驗；及時反饋；個性化任務；做中學

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）1-0071-4

對于傳統(tǒng)教學模式，特別是大班教學的環(huán)境，因材施教存在種種困難。然而，筆者在美國俄亥俄州立大學訪學期間，有幸參與了學校關于物理教育的教育研究項目——“學生對圓周運動向心力的理解和運用的教學研究”，親身體會和參與了美國教育如何利用常用的虛擬實驗有效地進行因材施教。

1 因材施教的內(nèi)涵與困境

因材施教的理念在我國淵源已久，可追溯至孔子。史載：“孔子因子路固執(zhí)而驕，故授之以敬而慎，以冉有膽小而怯，則教之以見義勇為（《論語·先進篇》提到：子路問：“聞斯行諸？”子曰：“有父兄在，如之何其聞斯行之？”冉有問：“聞斯行諸？”子曰：“聞斯行之。”釋義是：子路和冉有都問孔子“聽到一件事，就要去做嗎？”孔子對子路說：“你爸爸和哥哥在，怎能聽到什么就去做！”而孔子又鼓勵冉有聽到了就要做）?！彪m然孔子沒有直接提出因材施教的概念，但他卻是我國第一個主張和施行因材施教的教育家。首先，孔子根據(jù)學生的智力水平，把學生大致分為“上智”“中人”“下愚”（《論語·陽貨》），并對于不同智力水平的學生授予他們與智力水平相符的知識；另外，針對學生的個性特點進行教育，在《論語·顏淵》篇中記載樊遲、司馬牛、仲弓、顏淵均曾向孔子問“仁”，孔子給出了4種不同的回答：樊遲魯鈍，孔子對他只講愛仁；司馬?！岸嘌远辍?，孔子就告誡說話謹慎；仲弓不夠謙恭，孔子教導他忠恕之道；顏淵已有很高的德行，孔子用“仁”的最高標準要求他視、聽、言、行，一舉一動都要合乎禮的規(guī)范[1]。

因材施教的當代意義與古代基本相同，即“因學生之材而施教”，“教學要照顧個別差異”[2]。一般而言，因材施教的“材”指學生，就是根據(jù)學生的個別差異采取不同的教育方式和教育要求[3]，使每個學生在原有基礎上獲得最佳發(fā)展。國家教育咨詢委員會委員、中國教育學會會長顧明遠認為，因材施教應當順應孩子成長的天性，在充分了解孩子的需要、想法、特點的基礎上因勢利導[4]。在現(xiàn)代教育中，“材”也被理解為“才能”，即學生的智能。美國哈佛大學心理學教授加德納 1983 年提出一種關于智能及其性質和結構的新理論，并指出人類至少有8種智能[5]。不同的學生之間存在個體差異，包括能力、思維、興趣、性格和氣質等方面的差異，這些差異直接或間接影響學生的學習風格、內(nèi)部動機、認知方式[6]。多年來，因材施教被認為是應對教學中個體差異的有效方法。

但是由于種種原因，在我國的教育實踐中真正貫徹因材施教原則的教師卻很少[7]。其中，不可回避的原因之一是大班授課制仍然是學校教學的基本形式。對一個班級來說，集體授課既要照顧個體差異，又要面向全部學生，應該如何因材施教，究竟以什么水平的學生為中心，確實是許多教師需要面對的問題[6]。因此，在現(xiàn)實教學中，教師往往是根據(jù)多年累積的教學經(jīng)驗，以中等水平的學生為主要對象，使教學內(nèi)容和進度適合中等學生的知識水平和接受能力。再根據(jù)課堂反饋調整教學策略，盡可能地兼顧更多學生。然而，由于社會的發(fā)展和環(huán)境的變遷，即便是有經(jīng)驗的教師，也會面臨新一屆學生與往屆學生之間的差異問題。而缺乏經(jīng)驗的新教師，在把握學生水平和個別差異的問題上更顯得不足。因材施教很多時候成為一句口號，可望而不可即。

2 虛擬實驗成為因材施教載體的優(yōu)勢

2.1 虛擬實驗體現(xiàn)教學重難點

在普通課堂的演示實驗中，由于受到常規(guī)實驗儀器本身的限制，有些實驗無法達到應有的效果。虛擬實驗可以通過計算機技術仿真模擬一些重要的、在現(xiàn)實實驗環(huán)境下難以完成的實驗[8-10]。特別是對于重難點的理解，需要學生擁有豐富的空間想象力，或者輔助動態(tài)變化的實驗過程得以理解。虛擬實驗可以在視覺上詳細而具體地反映知識的本質，逼真地模擬實際的環(huán)境，幫助學生更好地突破知識的重、難點，發(fā)展思維能力，最終使學生建立科學的認識論和方法論。

2.2 可視化與實時反饋功能

可視化是實現(xiàn)科學探究第一要素——“觀察”的關鍵。只有經(jīng)過認真觀察思考，才可以發(fā)現(xiàn)問題。虛擬實驗能夠將實驗可視化，并實時反饋給學生，讓學生第一時間獲得信息以便判斷自己的猜想或者自己對實驗的操作行為是否正確，以便幫助學生清楚地認識自己對知識的認知。

本文以“圓周運動向心力”為例，介紹筆者訪美期間參與的關于“學生對圓周運動向心力的理解和運用的教學研究”項目，其虛擬實驗平臺如圖1所示：該平臺是本文作者之一，美國俄亥俄州立大學包雷教授所開發(fā)[11-12]，主要任務是讓學生施加合外力給物體（小球），使小球實現(xiàn)勻速圓周運動。平臺的主界面是小球運動的區(qū)域，通過輔助外界方向控制器（圖2）人為地施加一外力給小球，讓小球在規(guī)定的范圍內(nèi)運動。左邊窗口的菜單欄是各種條件的控制器，可以調節(jié)小球的初始狀態(tài)、運用環(huán)境和對其施力的大小。

該虛擬實驗平臺實現(xiàn)圓周運動向心力教學的主要功能有以下兩個方面：（1）知識運用考查：檢驗學生是否能夠將自己對向心力的理解運用于實際任務中；（2）概念轉變：假設學生懂得知識，但是運用出錯，該平臺將學生的錯誤實時反饋出來，以供學生糾正錯誤，建構對知識的真正理解。這兩點是得益于虛擬實驗平臺的可視化和實時反饋功能，讓學生能觀察到自己每一個操作的對錯，在認知沖突中不斷探索，努力去完成任務，從而使學生對知識建構和正確運用有一個全新的理解，體現(xiàn)的是杜威提出的“做中學”的思想。

2.3 個體可控性高

虛擬實驗平臺具有個體化可控性，每一位同學都可以在虛擬實驗平臺上進行獨立的學習、探索和操作。當教師發(fā)布學習任務后，學生可以根據(jù)自己的學識水平、行為習慣來控制完成任務的進度。當學生認為該學習任務在自己的能力范圍之內(nèi)可以駕馭，并且通過短時間的任務執(zhí)行之后，系統(tǒng)也給予正確的反饋信息，學生可以較早結束和完成學習任務，或者是進行深入的個性化探究；當學生在執(zhí)行任務時頻頻出現(xiàn)困難，可以根據(jù)系統(tǒng)的反饋信息思考問題所在，進而改變方案，重新嘗試，在多次努力下克服困難，完成任務，也可以達到學習的目的。

虛擬平臺的個性化可控性，使學生能夠根據(jù)個體差異來控制虛擬任務。只要平臺的設置合理，耗時不長，每個學生都在給定的時間內(nèi)對學習任務進行個性化的探索，達到學習效果。因此，虛擬實驗平臺可以成為實施“因材施教”的載體或媒介。

3 利用虛擬實驗引導學生“做中學”——美國因材施教的實證案例

下面介紹在美國利用該虛擬實驗進行因材施教的實證案例，包括教學核心任務、學習任務的流程和學生的表現(xiàn)。

關于“圓周運動向心力”教學的核心要點是要讓學生明白“做勻速圓周運動的物體所受合外力方向是時刻在變化，且始終指向圓心，因此稱之為向心力”。只有對向心力的方向掌握清楚，學生才能更好地理解“為何物體可以做勻速圓周運動？”才可以繼續(xù)去探索“向心力與什么因素有關”等問題。

由于教學以概念的形式展示什么是向心力，因此很多學生都可以將“向心力指向圓心”念得滾瓜爛熟，可以對物體的受力情況進行正確的分析，甚至可以很好地計算與向心力相關的題目。然而，學生是否對向心力真正理解，或只是單純記住了教材的定義，或僅記住教師給予的結論，沒有經(jīng)過研究或許只停留在猜測的層面。本研究項目主要針對“向心力方向”的學習要點，設計一系列的任務，增強學生對圓周運動向心力方向的理解和運用能力。

學習任務以問題探究（problem-based learning）的形式在講義中呈現(xiàn)給學生，讓學生結合問題和虛擬實驗平臺進行學習，包含幾個流程：（1）預測任務：對小球做勻速圓周運動合外力方向進行預測；（2）嘗試任務：在虛擬實驗平臺上嘗試性施力，使小球做勻速圓周運動，若失敗，分析系統(tǒng)反饋的原因；（3）個性化完成任務：根據(jù)自己的特點不斷努力直至使小球做勻速圓周運動，總結其合外力的方向；（4）反思任務：從虛擬實驗平臺的學習中收獲到什么。整個學習任務在半個小時內(nèi)可完成。

3.1 預測任務——奠定學習信心

為了獲得每一位學生對向心力方向的理解程度。首先，要求學生對以下的場景作出預測，在圖3中畫出小球做勻速圓周運動時各點的合外力方向。

當一個小球在一個沒有摩擦的平面上以速度v沿直線運動（如圖3的A點所示），如果要讓小球繞圖3中的虛線做勻速圓周運動，整個過程應該給小球施加什么方向的力？請畫出圖3中A、B、C、D、E、F各點施加給小球的力的方向。

本預測任務并不難，只要記住“向心力指向圓心”的學生都可以順利地畫出力的方向。如圖3是某個學生的預測圖，該學生正確畫出了各點力的方向，并標記力是合外力或凈合力。從參加本次任務的52名美國學生來看，至少三分之二以上的學生在該任務上都給出了正確的答案。

3.2 嘗試任務——引發(fā)認知沖突

本任務是學生嘗試性地通過方向控制器施加外力給小球，觀察是否能夠讓小球做勻速圓周運動（為了重點突破向心力方向的難點，系統(tǒng)可人為設定力的大小一定）。嘗試幾次后，描述自己完成任務的情況，并通過虛擬系統(tǒng)反饋的情況，解釋自己失敗的原因。該環(huán)節(jié)旨在讓學生對小球實施動態(tài)控制，在操作任務中體驗自己在運用知識時存在的問題，認識到理論與實踐產(chǎn)生的沖突，為調整操作策略提供線索。

由前面的預測任務可知很多學生都知道“向心力指向圓心”，然而學生在嘗試任務中“運用向心力”的環(huán)節(jié)卻出現(xiàn)各種各樣的狀況，如圖4所示，圖中箭頭表示學生對小球施力的方向。

（1）73%的學生在第一次嘗試時，初始施力點位置不準確，沒有在圓周上開始施力，說明學生對勻速圓周運動合力垂直于切線且指向圓心這個概念掌握不牢固，即使自己覺得懂，也是停留在記憶層面上，而不是在應用上。

（2）合外力沒有時刻指向圓心，部分力沿運動方向、或沿豎直方向、或指向圓內(nèi)但不向心，這些都導致小球不能沿著虛線做勻速圓周運動。

3.3 個性化完成任務——不斷調整策略

本系統(tǒng)界面能夠對學生的行為作出實時反饋，一個方面是反饋小球的運動軌跡，另一方面是動態(tài)顯示學生對小球的施力方向。學生可以根據(jù)自己對系統(tǒng)反饋信息的理解來判斷自己的操作是否出現(xiàn)問題，進而調整自己對小球施力的方向。反應靈敏、悟性高的學生較早地發(fā)現(xiàn)問題并及時調整策略，這樣便能夠很快完成操作任務。如圖5所示，有的學生需要多次反復執(zhí)行任務，直至發(fā)現(xiàn)問題根源所在才能作出正確的調整，這樣完成任務所需時間較長。

3.4 反思任務——重新建構知識

在最后一個環(huán)節(jié)，給學生設置一個反思問題：“從虛擬實驗平臺的學習中你收獲到什么？”這個問題主要是讓學生對這節(jié)課的學習進行總結，讓學生回顧自己在完成任務的每一個環(huán)節(jié)，從一開始沒有正確地對小球施加指向圓心的力到最后完成任務，在運用知識的過程中重新建構“向心力時刻指向圓心”的要點，也是讓學生體會“做中學”的樂趣和收獲。

4 總 結

因材施教從古至今都受到很高的推崇。但是，如何更好地將因材施教的原則貫穿于實際教學之中，這是值得每一位教育者思考的問題?！耙虿氖┙獭迸c“以學生為本”的出發(fā)點是一致的，本著從學生的角度出發(fā)，根據(jù)學生的個性差異實施不同的教學策略。教學策略的不同可以是教學方法的不同、教學內(nèi)容的不同、教學難度的不同抑或是教學進度的不同等。本次美國的教學研究項目以虛擬實驗平臺為載體，讓學生在執(zhí)行實驗任務的過程中建構對“向心力時刻指向圓心”的深刻理解。考慮到不同學生的學識水平差異、個性特性差異和接受能力的差異，讓學生進行個性化的探索和學習，踐行因材施教的原則，讓學生自主考查自己對知識的理解和運用，在虛擬實驗的可視化和實施反饋下進行概念轉變，建構對知識的真正理解。這種教學融合了因材施教的教育原則，采用了虛擬實驗的信息技術手段，達到了“做中學”的教育目標，也培養(yǎng)了學生的情感態(tài)度價值觀，對我國基礎教育具有借鑒作用。

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（欄目編輯 鄧 磊）