开源软件在物理教学中的辅助效果

汪智 刘露

【摘 要】在信息技术融合学科教学的实践创新中，开放性源代码的软件教学资源较为丰富，其中视频分析软件Tracker、互动式仿真软件PhET与高中物理教学内容和方法契合度较高，因此对相关开源软件在物理教学中的具体应用效果进行研究有现实意义。本文从混合研究路径出发，通过对开源软件应用下的高中物理教学进行实验研究，发现开源软件对学生的物理成绩有显著影响，且具有大规模效应量。

【关键词】开源软件;Tracker;PhET;物理教学

物理是一门实验科学，在高中课堂上使用视频分析软件Tracker和互动式仿真软件PhET等一些开源软件来辅助教学是有益的，让学生通过实验探究学习物理是可取的[1]。本研究旨在用实践的方式，探索在具体的学科内容模块知识点下，开源软件提升物理教学效率的程度。本研究建立起一套以成绩数据可视化为基础的教学反馈系统，该系统的内容如图1所示。

首先是在集体备课的基础上，教师组织各班级学生学习同一内容。其次是在教学后，教师给学生设置统一化的练习或检验，学生独立完成，教师批改。再次是收集学生的原始成绩数据，形成学生成绩Excel文件。最后是教师通过Tableau将学生的成绩数据可视化，直观地观察分析学生的学情，制定下一段教学计划，实现因材施教。

1   研究过程

研究过程中，严格按照研究设计概况图（如图2）的流程收集一些学生成绩。这些数据包括学生的前测成绩和后测成绩，学生前测成绩为学生中考时的理化成绩，学生后测成绩为实验组教学的成绩和控制组教学的成绩。这些数据经过分析将作为中期结果和部分后期结果。

处理数据主要使用的软件是Tableau 9.1、SPPS 24.0。图3是使用Tableau软件获得的成绩图，在同一张箱体图中，可以清晰地体现不同班级之间所有学生的物理成绩差异，同时又可以通过加入颜色差异来反映学生的中学基础情况（在图3中，中考理化得分用颜色来标识，蓝色程度越深代表学生的中考理化成绩越高，红色越深则代表中考理化成绩越低）。这意味着通过这一幅可视化的学习成绩分布图，任教教师可以清楚地判断物理成绩较高的学生是否是基础比较好的学生。

使用视频分析软件Tracker辅助教学的16班、17班分别是实验班1和实验班2，对照班级为15班。

其中对照班也就是15班中较高四分位点为69.5分，中位数为59分，较低四分位点为49分;实验班1也就是16班中较高四分位点为80分，中位数为67分，较低四分位点为57分;实验班2也就是17班中较高四分位点为81分，中位数为70分，较低四分位点为56分。

以上数据整体反映出了实验班和对照班的成绩分布，可知实验班的成绩整体上要优于对照班，同时也可以发现学生成绩与一些变量的关系。如本研究发现中考理化基础不同的学生在经过开源软件辅助教学后成绩变化可能不同，性别不同的学生在经过开源软件辅助教学后成绩变化可能不同。这些将通过统计软件进一步分析。

2   数据分析

利用SPPS 24.0分析學生的测验得分，经过信度分析得出克龙巴赫系数为0.644，研究信度尚可。

测试包括测试1和测试2，测试1是普通高中课程标准实验教科书必修一第一章第三节“运动快慢的描述——速度”的相关内容测试。测试2是普通高中课程标准实验教科书必修一第一章第五节“运动变化快慢的描述——加速度”的相关内容测试。

针对测试1，对实验班1和对照班的成绩进行方差相等假设检验，两组数据的方差是相等的。独立样本检验结果中t=-3.371，对应的P=0.000<0.05，因此可得两组数据总体的平均值存在着统计意义下的显著性差异，在这里拒绝虚无假设，即使用开源软件来辅助教学的实验班级与对照班级在测试1中存在显著性差异，实验班1测试1的成绩要显著优于对照班。实验班1的平均分为68.63分，对照班的平均分为59.43分，再通过两者的平均值和标准差计算出效应量ES=0.65，属于大规模效应量，说明两个群体的物理测试1成绩有很大比例不重叠，表明实验班1测试1的成绩大规模优于对照班级。

针对测试1，对实验班2和对照班的成绩进行方差相等假设检验，两组数据的方差是相等的。独立样本检验结果中t=-3.158，对应的P=0.001<0.05，因此可得两组数据总体的平均值存在着统计意义下的显著性差异，在这里拒绝虚无假设，即使用开源软件来辅助教学的实验班2与对照班在测试1中存在显著性差异。在测试1中，实验班2的平均分为69.33分，对照班的平均分为59.41分，再通过两者的平均值和标准差计算出效应量ES=0.65，属于大规模效应量，说明两个群体的物理测试1成绩有很大比例不重叠。这说明使用开源软件来辅助教学的实验班级在成绩上较大幅度优于对照班级。

对测试2成绩进行分析，实验班1和对照班两组数据的方差是相等。独立样本检验结果中t=-0.898，对应的P=0.186>0.05，因此可得两组数据总体的平均值存在着统计意义下的无显著性差异，在这里不拒绝虚无假设，即使用开源软件来辅助教学的实验班1与对照班在测试2中不存在显著性差异。实验班2和对照班两组数据的方差相等。独立样本检验结果中t=-1.589，对应的P=0.055>0.05，因此可得两组数据总体的平均值存在着统计意义下的无显著性差异，在这里不拒绝虚无假设，即使用开源软件来辅助教学的实验班2与对照班在测试2中不存在显著性差异。

将中考理化成绩前50%的学生定义为提高组，中考理化成绩后50%的学生定义为基础组。研究表明，实验班1、2的提高组与对照班的提高组的中考理化成绩无显著性差异。

测试1中实验班1、2的提高组优于对照班的提高组，实验班1、2的基础组优于对照班的基础组，统计数据表现出显著性差异，效应量均为大规模效应量。在测试2中实验班1、2的提高组优于对照班的提高组，统计数据表现出显著性差异，效应量均为大规模效应量。在测试2中实验班1、2的基础组与对照班的基础组无显著性差异。

将学生的性别作为变量，继续检验，发现在高中物理教学中使用视频分析软件Tracker后，男生和女生的成绩没有显著性差异。

3   结论

综合研究结果，本研究认为：①高中物理教学中每周使用开源软件1—2次会显著提高高一年级学生标准测试的成绩，且成绩的效应量属于大规模效应量;②高中物理教学中使用视频分析软件Tracker会显著地提高学生运动学标准测试的成绩，且成绩的效应量属于大规模效应量;③高中物理教学中使用PhET互动式仿真软件会显著提高学生电磁学标准测试的成绩;④高中物理教学中使用视频分析软件Tracker会显著地提高优生运动学标准测试的成绩，且成绩的效应量属于大规模效应量;⑤高中物理教学中使用视频分析软件Tracker后，男生和女生的成绩没有显著性差异。

【参考文献】

[1]葛文静.高中物理教学中科学思维迁移能力培养途径研究[D].伊宁：伊犁师范大学，2020.