人机协同下的初中物理实验精准教学模式探究
——以物理“凸透镜成像的规律”教学为例

付 邦

（广州大学附属中学，广东 广州 510000）

0 引言

随着人工智能、大数据和学习分析技术的迅猛发展，精准教学作为一种有力的教育理念和实践方法，引起了教育界的广泛关注。同时，2017 年，国务院印发《新一代人工智能发展规划》，明确提出了人工智能发展的战略态势。人工智能的兴起和发展为教育领域带来了前所未有的机遇。在此背景下，人机协同成为探索教育领域的重要议题。人机协同的理念强调教师、学生和机器之间的紧密合作与互动，通过充分利用机器智能分析和数据处理的能力，个性化地满足学生的学习需求，提供精准的教学支持。

然而，当前人机协同在教育领域的研究成果相对有限。虽然国内外一些机构和学者已经开始关注人机协同教学，但在初中物理实验精准教学方面的探索还较为薄弱。因此，本研究旨在通过对物理“凸透镜成像的规律”教学案例的深入研究，探索如何在人机协同的模式下实施精准教学，为初中物理实验教学的改进和创新提供有益的借鉴和参考。

1 人机协同下的初中物理实验精准教学思路

1.1 人机协同下的初中物理实验精准教学的基本概念

人机协同教学是指教师和机器作为教学主体，通过相互合作和互补，利用先进的技术和智能系统来提供个性化、适应性强的教学支持。在初中物理实验中，人机协同教学可以强调教师和机器在教学过程中的分工合作，充分发挥各自的优势。教师在人机协同教学中发挥着重要的指导和引导作用。他们通过熟悉学生的学习需求和特点，设计和组织适应性强的物理实验教学环境，提供个性化的教学策略和资源。教师还能借助智能技术实时监测学生的学习进展和困难，并及时给予针对性地指导和反馈。与此同时，机器在人机协同教学中扮演着重要的角色。通过智能系统和数据分析技术，机器可以收集和分析学生的学习数据，识别学生的学习特点和需求。基于这些信息，机器能够提供个性化的学习资源和活动推荐，辅助教师进行教学决策和干预。人机协同下的初中物理实验精准教学注重教师与机器之间的密切合作，共同实现教学目标。教师通过深入理解学生的学习情况和需求，结合智能技术的支持，能够更好地调整教学策略，提供个性化的学习支持。机器的参与则能够提供大量的学习数据和个性化的推荐，帮助教师更准确地了解学生的学习进展，并作出有针对性的教学决策。

1.2 人机协同下的初中物理实验精准教学的关键要素

教师角色是人机协同下初中物理实验精准教学的首要要素之一。教师在教学过程中扮演着指导者和引导者的角色。他们不仅需要具备扎实的物理知识和教学技能，还要具备敏锐的观察力和分析能力，能够理解学生的学习需求和困难。同时，教师还应通过合理设计实验活动、提供个性化教学资源和策略，激发学生的学习兴趣和动机。学生的积极参与是人机协同下初中物理实验精准教学的另一个重要因素。学生需要积极参与实验活动，发现问题、提出疑问，并通过探究和实践来构建知识和解决问题。学生参与的程度和深度将影响教学效果和学习成果。此外，学生还需要具备合作和沟通的能力，与教师和同学进行互动和交流。智能技术的应用是人机协同下初中物理实验精准教学的关键要素之一。智能技术包括数据分析、人工智能和虚拟现实等，能够收集和分析学生的学习数据，并根据个体差异提供个性化的学习支持和反馈。例如，智能系统可以根据学生的学习进展和需求，推荐适合其水平和兴趣的学习资源和活动，以促进个性化学习和理解。

1.3 人机协同下的初中物理实验精准教学的实施策略

人机协同下的初中物理实验精准教学的实施策略包括教师的角色与活动、学生的参与和发展，以及机器的支持与功能。教师通过制定动态的教学目标、提供个性化的教学支持和反思，引导学生积极参与实验活动与学习，而机器通过数据分析和对学生的学习过程进行监测与分析，为教师提供个性化的学习反馈和干预建议。

2 人机协同下的初中物理实验精准教学模式构建

2.1 精准教学目标的设定

在人机协同下的初中物理实验精准教学模式中，精准教学目标的设定是关键的第一步。教师与学生共同参与目标设定过程，确保学习目标具体、可衡量，并与实验内容和学生需求紧密对应。教师通过充分了解学生的学习特点和需求，结合教学大纲和实验内容，制定明确的教学目标。这些目标应该具有可操作性和可评估性，能够指导学生进行实验活动，并在实践中实现学科知识和实验技能的全面发展。在设定精准教学目标时，教师需要考虑学生的不同水平和兴趣，确保目标的个性化和差异化。同时，目标应与实验活动的特点相匹配，能够引导学生进行实践探究和问题解决，促进他们的思维能力和创新意识的培养。机器在精准教学目标设定中发挥着重要的作用。通过学习分析和数据挖掘技术，机器可以提供学生的学习数据和特征信息，为教师提供个性化目标设定的参考。机器的智能算法可以根据学生的学习表现和需求，生成相应的目标建议，帮助教师制定更加精准和有效的教学目标。通过精准教学目标的设定，教师与学生共同明确学习的方向和目标，为后续的实验设计、学习导引和教学反馈提供了坚实的基础。这将有助于提高学生的学习动机和学习效果，促进他们在物理实验中的全面发展和成长。

以物理“凸透镜成像的规律”教学为例，初中物理实验精准教学模式中教学目标如表1 所示：

表1 “凸透镜成像的规律”精准教学模式下教学目标

2.2 实验设计与学习导引

通过人机协同下的实验设计与学习导引，促进学生对“凸透镜成像的规律”进行全面而深入的学习。教师的引导和支持以及机器的辅助工具和学习资源共同推动学生的学习过程，使其在实践中不断探索和发现，从而达到精准教学的目标。

具体而言，教师借助机器的支持，通过模拟软件或虚拟实验平台模拟凸透镜成像过程，帮助学生更直观地理解光线的折射和聚焦过程。同时，通过可视化工具展示不同参数变化对成像结果的影响，帮助学生更好地理解凸透镜成像规律。在实验设计方面，教师可以结合机器的辅助工具，设计具有一定挑战性的实验任务。通过设定不同的条件，如不同的物距、透镜焦距和物体尺寸等，学生可以进行多次实验观察，并记录实验数据。学生借助机器提供的数据记录工具，如实验记录表格或图表，准确地记录实验结果。随后，机器可以帮助学生对实验数据进行分析和处理，通过图像或图表展示成像结果的变化，帮助学生更清晰地观察、分析和总结实验数据，进一步掌握凸透镜成像规律。在学习导引方面，教师可以引导学生通过对实验结果的观察和分析，与理论知识进行联系。教师可以提出问题、给予思考提示，激发学生的思维，帮助他们将实验结果与凸透镜成像规律联系起来。机器可以提供相关的学习资源，如教学视频、参考资料或交互式课件，辅助学生在学习导引过程中深入理解凸透镜成像规律。

2.3 智能学习分析与反馈

通过智能学习分析与反馈，教师能够更好地了解学生的学习情况和需求，调整教学策略并提供个性化指导。同时，机器的智能分析和推荐功能可以帮助学生更高效地学习凸透镜成像规律，拓展知识面。具体而言，利用学生的学习数据，如实验记录、练习题答案等，进行数据分析。通过应用数据挖掘和机器学习技术，机器能够识别学生的学习模式、学习偏好和学习困难等关键信息。基于学习数据的分析结果，机器能够提供个性化的反馈。这包括针对学生的学习困难给予解题提示、错误纠正和深入解释等。个性化反馈帮助学生更好地理解凸透镜成像规律，并促进他们的学习进步。实时监测学生的学习进展。通过追踪学生在不同学习阶段的表现和理解程度，识别学生的强项和薄弱项，为教师提供详细的学生学习报告。利用学习数据和分析结果，为学生提供智能推荐的学习资源。根据学生的学习需求和个性化特点，机器可以推荐适合他们的教材、学习资料和在线学习平台，以支持他们在凸透镜成像规律学习中的进一步探索。

2.4 合作与互动学习模式

在人机协同下的初中物理实验精准教学中，合作与互动学习模式作为一种重要策略，通过学生之间的合作和互动以及机器的支持，有助于实现精准教学的目标。在这种模式中，学生被组织成小组，通过集体合作的方式参与实验活动。他们可以分享实验观察结果、数据记录以及实验心得，共同探讨和解决问题，从而提升彼此的学习成效。机器作为协同伙伴，提供在线协作平台或多媒体交互工具，为学生创设合作学习的环境，并提供相关资源和参考资料，以促进小组合作中的学习活动。这种合作与互动学习模式旨在激发学生的积极参与和主动学习，培养他们的合作与沟通能力，并促进知识的共享和理解。通过人机协同的方式，合作与互动学习模式能够更好地实现精准教学的目标，提供个性化的学习支持和指导，使学生能够深入理解凸透镜成像规律，并培养科学思维和探究能力。这种学习模式在实践中能够引导学生主动构建知识，培养他们的批判性思维和问题解决能力，为其未来的学习和发展奠定坚实基础。

2.5 反思与调整教学策略

在精准教学中，知识网络体系和层级关系的建立是灵活可调整的，其目的是根据学生的学习情况和需求进行相应的调整和优化。教师在教学过程中要持续观察和分析学生的学习表现，以便及时调整教学策略，确保教学的针对性和有效性。教师应该具备敏锐的观察力，通过细致观察学生的学习表现，了解他们在知识掌握、思维能力和学习态度方面的特点和需求。通过细致观察，教师能够准确判断学生对不同知识点的理解程度，发现他们存在的困惑和学习障碍，从而有针对性地进行调整和优化。在调整方面，重新组织知识的层级关系，使其更加贴合学生的认知和学习路径；调整教学内容和教学方法，以满足学生的学习需求和兴趣；提供不同难度和深度的学习资源，以适应学生的学习进度和能力水平。充分利用技术手段，如学习管理系统和智能化教学软件，通过数据分析和反馈机制获取更全面的学生学习信息，以便更精准地进行教学调整。通过技术的支持，教师能够及时获知学生的学习情况，发现他们的问题和困难，并根据学习数据提供个性化的教学支持和指导。

在物理“凸透镜成像的规律”教学实践中，人机协同发挥了重要作用，帮助教师进行反思与调整教学策略。教师通过利用智能化教学软件和学习管理系统，结合学生的学习数据和反馈，进行深入分析和评估。通过技术手段，教师能够及时获知学生的学习情况，发现他们在凸透镜成像规律方面的问题和困难。基于学习数据的多维细粒度分析，机器能够提供个性化的教学支持和指导，为教师的教学调整提供有力依据。在实践中，教师通过观察学生在实验中遇到的困惑和障碍，以及机器提供的学习数据和反馈，反思教学策略并进行相应的调整。例如，教师注意到使用教材中的实验器材，如蜡烛、凸透镜、光屏和刻度尺，可能会导致蜡烛的火焰受气流影响晃动不稳定等问题。为了解决这个问题，教师进行了反思并进行了调整。教师意识到使用光具座可以更好地解决调节焰心、光心和光屏中心在同一直线和同一高度的问题。通过使用光具座，可以固定蜡烛的位置，减少气流的影响，保证实验过程的稳定性和准确性。在这个实践中，教师的观察力和敏锐性起到了关键作用。他们通过观察学生在实验中遇到的困惑和障碍，发现使用传统实验器材可能会影响实验结果的稳定性。基于这一观察，教师决策调整实验器材，选择更适合的光具座，以确保学生能够更准确地观察和分析凸透镜成像过程。因此，人机协同在精准教学中扮演着重要角色，教师利用机器提供的学习数据和智能分析结果，得以深入了解学生的学习进展和困难，并基于这些信息进行反思与调整教学策略，以提供更精准的教学支持和指导，从而确保教学的针对性和有效性。

3 结语

人机协同下的初中物理实验精准教学模式为教学提供了新的视角和思路，通过精准教学的理念和人机协同的支持，教师能够更好地满足学生个性化学习需求，提供针对性的教学支持和指导。同时，机器的智能学习分析和反馈机制使教学过程更加科学、精确和有效。教师应合理利用教师、学生和机器的优势，实施精准教学策略和实践应用，促进学生的学习效果和兴趣，推动教学的创新和发展。