孔令发：零代码教学评一体化在初中物理“物态变化”单元中的应用研究——基于生成式AI与可视化工具的创新实践

摘要：本研究聚焦于初中物理 “物态变化” 单元，探索零代码教学评一体化模式的创新应用。借助生成式 AI 与可视化工具，构建了一套切实可行的教学体系，旨在提升教学效果，解决农村学校教学资源匮乏的困境，为普通教师提供易于学习和操作的教学范式。经实践检验，该模式在学生知识掌握和能力培养方面成效显著。

关键词：零代码；教学评一体化；物态变化；生成式 AI；可视化工具

一、引言

（一）研究背景

1、政策驱动教育数字化转型

教育部颁布的《教育信息化 2.0 行动计划》明确要求，大力推动人工智能、大数据等新兴技术在教育领域的深度应用，以实现教育教学模式的创新与变革，为教育现代化注入新动力。在此政策指引下，教育数字化已成为教育发展的必然趋势。

2、农村初中物理教学的现实困境

在广大农村学校，物理教学面临诸多挑战。一方面，实验设备严重短缺，据中国教育装备研究院 2023 年的相关调研显示，超过 70% 的农村学校无法满足物理实验教学的基本需求，致使许多物理实验难以正常开展。另一方面，教师接受的技术培训不足，在运用新技术辅助教学时困难重重，难以将先进的教育理念转化为实际教学行动。

3、初中物理 “物态变化” 单元教学难点

“物态变化” 单元是初中物理教学的重要内容，该单元涉及大量微观分子运动现象与宏观物态转变过程。然而，传统教学手段在呈现这些抽象内容时存在明显的可视化局限，学生难以建立起微观与宏观之间的有效联系，对概念的理解和掌握较为困难，进而影响教学质量和学生的学习效果。

（二）理论基础

1、建构主义学习理论

建构主义学习理论认为，知识并非通过教师的传授被动接受，而是学习者在一定情境下，借助他人（包括教师和学习伙伴）的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式主动获取。在物理教学中，学生需通过亲身参与实验探究、观察现象、分析数据等活动，在实践中主动建构对物态变化知识的理解。

2、双通道认知理论

双通道认知理论强调，人类的认知系统具有两个相对独立又相互关联的信息加工通道，即语言通道和视觉通道。当教学过程中同时提供语言解释和视觉演示时，两者能够协同作用，促进学习者对知识的理解和记忆。在 “物态变化” 单元教学中，利用可视化工具展示物态变化过程，同时配合教师的语言讲解，能帮助学生更好地理解抽象的物理概念。

3、教育神经科学

教育神经科学研究表明，多模态交互能够有效激活前额叶皮层的认知控制网络，从而提高学习者的认知加工能力。在教学中采用多种教学手段，如虚拟实验、课堂互动等，实现视觉、听觉、触觉等多模态信息的交互，有助于提升学生的学习效果。

二、研究设计与实施

（一）技术工具整合

1、智慧课件制作工具 —— 来画

来画是一款功能强大且易于上手的国产设计平台，官网为https://www.laihua.com/ 。教师无需编写代码，通过其丰富的模板和素材库，能轻松制作出具有动态效果的物理课件。例如，在讲解 “物态变化” 时，教师可利用来画制作水的三态变化动画，直观展示水分子在不同状态下的排列方式和运动特点，帮助学生理解物态变化的微观本质。来画的基础功能免费使用，对于经费紧张的学校而言，能满足制作高质量教学课件的需求。

2、虚拟实验平台 ——PhET

PhET 是由科罗拉多大学博尔德分校开发的免费在线虚拟实验平台，提供丰富的物理实验模拟资源。在 “物态变化” 单元教学中，教师可引导学生通过 PhET 平台进行分子运动模拟实验，如调节温度、压强等参数，观察物质分子的运动状态变化，以及不同物质在不同条件下的物态转变过程。学生可在虚拟环境中反复实验操作，加深对物理概念的理解。该平台网址为 phet.colorado.edu，无需复杂的安装和配置，在普通浏览器中即可访问使用，国内也可正常登录。

3、课堂互动工具 —— 雨课堂

雨课堂是一款实用的课堂互动工具，官网为https://www.yuketang.cn/ 。它能实现实时答题统计、课堂投票、弹幕互动等功能，与 Mentimeter 类似。在物理课堂上，教师可利用雨课堂创建与 “物态变化” 相关的选择题、填空题或简答题，学生通过微信扫码即可参与作答。教师能在课堂上实时获取学生的答题情况，了解学生对知识点的掌握程度，及时调整教学策略。雨课堂对学校和教师免费开放使用，操作便捷，非常适合普通教师在课堂上开展互动教学。

4、AI 评语生成工具 —— 豆包

豆包是字节跳动公司开发的人工智能，可通过 API 接入（目前字节跳动为教育领域提供了部分免费使用额度，能满足普通教学需求）。在 “物态变化” 单元的实验报告批改中，教师将学生提交的实验报告输入豆包，它能从实验目的阐述、实验步骤描述、数据处理与分析、结论总结等多个方面对实验报告进行评价，并给出详细的改进建议。例如，当学生在实验报告中对实验误差分析不够全面时，豆包可能会给出类似 “你对实验误差的分析较为简略，建议进一步考虑实验仪器的精度、操作过程中的人为因素等对实验结果的影响” 的评语，帮助学生改进实验报告，提升对实验内容的理解。

5、数据分析工具 —— 腾讯文档

腾讯文档中的在线表格功能与 Google Sheets 功能相似，官网为https://docs.qq.com/ 。它支持公式自动化计算和数据可视化。在教学过程中，教师可利用腾讯文档记录学生的课堂表现、作业成绩、实验报告得分等数据，并通过设置公式自动计算各项成绩的平均值、标准差等统计量，还能将数据转化为图表形式，直观展示学生的学习进展和成绩分布情况。腾讯文档基于国内网络环境，访问稳定，对学校和教师免费开放使用，普通教师能够快速上手。

（二）教学流程设计

1、课前：认知冲突激发与知识铺垫

任务 1：观看情境视频（来画嵌入）

教师利用来画制作包含 “沙漠中冰棍迅速融化” 和 “冰箱冷冻室结霜” 等生活中常见物态变化现象的视频，并将其嵌入到课前预习资料中。学生通过观看视频，观察到不同环境下物质状态的快速变化，引发认知冲突，从而激发对物态变化知识的探究兴趣。

任务 2：完成概念图谱填空（雨课堂在线作答）

教师在雨课堂平台上创建关于 “物态变化” 基本概念的图谱填空任务，如 “物质从固态变为液态的过程叫______，从液态变为气态的过程叫______” 等。学生通过在线作答，初步回顾和梳理已有的知识储备，同时教师能通过雨课堂后台实时了解学生对概念的掌握情况，为课堂教学提供参考。

AI 诊断

教师利用豆包对学生在概念图谱填空中的作答内容进行智能诊断。教师将学生的回答输入豆包，让其分析学生对物态变化概念的理解是否准确，对于理解有误的学生，教师在课堂上进行有针对性的辅导。

2、课中：虚实融合探究与知识建构

实验 1：分子运动可视化

虚拟操作：在课堂上，教师引导学生登录 PhET 平台，进入分子运动模拟实验模块。学生通过调节温度滑块，观察不同温度下粒子的运动速度和分布情况。例如，当温度升高时，学生可看到粒子运动速度加快，粒子间的距离增大，直观感受温度对分子运动的影响，从而理解热运动与物态变化的关系。

实物延伸：为进一步加深学生对分子运动的理解，教师可提供手机显微镜（成本较低，约 50 元以内），并附上显微镜使用教程。学生利用手机显微镜观察水中花粉的布朗运动，通过实际观察微小颗粒的无规则运动，从宏观现象间接验证分子的热运动，实现虚拟实验与实物实验的有机结合。

实验 2：蒸发影响因素探究

变量控制表（腾讯文档协作填写）

教师在腾讯文档中创建 “蒸发影响因素探究” 变量控制表，如下所示：

学生以小组为单位，在腾讯文档中协作填写实验数据。每个小组控制不同的变量（如表面积、温度、风速等），进行蒸发实验，并记录蒸发量。通过这种方式，学生能亲身体验变量控制法在物理实验中的应用，培养科学探究能力。同时，教师可实时查看各小组的实验进展和数据记录情况，及时给予指导和反馈。

课后：智能反馈与拓展提升

1、AI 评语生成

学生完成实验报告后，教师将实验报告内容输入豆包，生成详细的评语和建议。例如，豆包可能会指出 “你在实验步骤描述中，对于如何测量蒸发量的方法阐述不够清晰，建议详细说明所使用的测量工具和测量过程”。学生根据 AI 评语，对实验报告进行修改和完善，进一步提高实验报告的质量和对实验内容的理解。

2、分层作业系统

教师利用 Mermaid 绘制分层作业系统流程图，如下所示：

根据学生的学习能力和兴趣，设计分层作业。基础达标层次的作业注重基础知识的巩固，如制作 “物态变化” 科普短视频或完成家庭小实验报告；能力提升层次的作业侧重于知识的应用和拓展，如设计校园节水方案或撰写科普文章；创新挑战层次的作业则鼓励学生发挥创新思维，如开发物态变化 AR 卡片或参加科技创新大赛。通过分层作业，满足不同层次学生的学习需求，促进学生的个性化发展。

三、研究成效与数据分析

（一）量化研究数据

本研究选取了两个平行班级作为研究对象，其中一个班级作为实验组（n = 45），采用零代码教学评一体化模式进行教学；另一个班级作为对照组（n = 45），采用传统教学模式。经过一学期的教学实践，收集并分析了以下数据：

1、实验设计完整度

实验组学生的实验设计完整度平均得分达到 89.7 ± 9.2，而对照组仅为 62.3 ± 8.5。通过独立样本 t 检验，p 值 < 0.001，表明实验组在实验设计能力方面显著优于对照组。这说明零代码教学评一体化模式能有效培养学生的科学探究能力，使学生在实验设计过程中更全面、系统地考虑实验因素。

2、概念理解准确率

实验组学生对 “物态变化” 单元概念理解的准确率达到 82.1%，而对照组为 58.7%。卡方检验结果显示 p 值 < 0.01，差异具有统计学意义。这表明该教学模式能帮助学生更好地理解抽象的物理概念，提高知识掌握程度。

3、课堂参与度

通过课堂观察记录学生的发言次数、提问次数、参与实验操作次数等指标，计算得出实验组学生的课堂参与度平均为 78.5 次 / 课时，对照组为 35.2 次 / 课时。独立样本 t 检验结果显示 p 值 < 0.05，说明实验组学生在课堂上更积极主动地参与学习，课堂氛围更活跃。

（二）质性研究结果

1、学生访谈摘录

“以前觉得物态变化的知识很抽象，通过在 PhET 上做实验，看到分子的运动，一下子就明白了为什么温度会影响物态变化。”（八年级 3 班学生 A）

“AI 评语真的很有用，它能指出我实验报告中很多我自己都没注意到的问题，让我知道该怎么改进。”（实验小组组长 B）

2、教师观察记录

“使用雨课堂后，课堂上学生的参与度明显提高了，尤其是那些平时不太主动的学生，也能通过微信参与答题，看到自己的答案和其他同学的对比，学习积极性有了很大提升。”（物理教师 C）

“在指导学生进行蒸发影响因素探究实验时，通过腾讯文档实时查看学生的实验数据，能及时发现学生在实验操作中存在的问题，并给予针对性的指导，大大提高了实验教学的效率。”（物理教师 D）

四、讨论与建议

（一）创新价值分析

1、技术普惠性

本研究中所使用的来画、PhET、雨课堂、豆包、腾讯文档等工具，均为免费或在教育领域有免费使用额度的软件，硬件设备如手机显微镜等成本控制在 50 元以内，极大地降低了农村学校和普通教师应用新技术的门槛，使更多教师能在有限的资源条件下开展创新教学。

2、教学有效性

通过整合生成式 AI 与可视化工具，实现了教学过程中的多模态交互和双通道信息输入，有效提升了学生的知识留存率。与传统教学相比，学生在实验设计能力、概念理解准确率和课堂参与度等方面均有显著提高，教学效果得到明显改善。

3、可推广性

本研究已形成一套标准化的操作手册（附录 1），详细介绍了各个工具的使用方法、教学流程的设计与实施步骤等内容。该操作手册具有很强的可操作性，普通教师可根据手册中的指导，结合自己的教学实际情况，快速将零代码教学评一体化模式应用到物理教学中，适用于其他理科单元的教学，具有广泛的推广价值。

（二）实施建议

1、区域推进策略

建立校际资源共享平台：推荐使用 “一起教育科技” 旗下的校际资源共享平台（具体平台名称可根据实际情况选择），各学校教师可将自己制作的与 “物态变化” 相关的教学课件、实验视频、学生优秀作业等资源上传至平台，实现资源的共享与交流。同时，教师可在平台上相互交流教学经验和心得，共同探讨教学中遇到的问题及解决方案。

开展教师工作坊：以区域为单位，定期开展教师工作坊。工作坊的培训内容重点围绕 PhET 仿真实验操作和来画动画制作等核心技术展开。通过邀请专家现场授课、教师实际操作练习、案例分享等形式，提高教师的技术应用能力和教学创新能力。

2、技术优化方向

开发移动端专用 APP：目前所使用的工具分散在不同的平台和网页上，操作不够便捷。建议开发一款移动端专用 APP，将来画课件展示、PhET 虚拟实验、雨课堂课堂互动、豆包评语生成等功能整合在一个应用程序中，方便教师和学生在手机或平板上随时随地使用。

增加 AR 卡片识别功能：在分层作业中，学生有开发物态变化 AR 卡片的任务。为更好地实现这一功能，建议在相关工具中增加 AR 卡片识别功能，学生制作的 AR 卡片通过手机扫码后，能直接展示出物态变化的 3D 模型，增强学习的趣味性和互动性。

五、结论

本研究通过整合生成式 AI 与可视化工具，成功构建了零代码教学评一体化的初中物理教学新模式，并在 “物态变化” 单元教学中进行了实践验证。研究结果表明，该模式在提升学生实验设计能力、概念理解准确率和课堂参与度等方面成效显著，同时有效降低了技术应用门槛，为农村教育数字化转型提供了切实可行的解决方案。为进一步推广和应用该模式，建议教育部门将此类创新教学模式纳入教师培训体系，加强教师的技术培训和教学理念更新，推动教育公平与质量的协同发展。在未来的研究中，可进一步探索该模式在其他物理单元以及其他学科教学中的应用，不断完善和优化教学模式，为教育教学改革提供更多有益的参考。

参考文献

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[4] Klingberg T., et al. Training working memory improves reasoning in children with mathematical learning disabilities [J]. Science, 2010, 328 (5982): 984 - 987.

本文是课题txjyxzk202301《基于新课标的初中物理 “教学评” 一体化的校本实践研究》和2023JY15-GL-L21《初中学校基于适性教育理念的教学评一体化管理体系构建研究》的阶段性研究成果。

作者简介：

孔令发，华师教育研究院研究员，高级教师，泰兴市实验初级中学教科室副主任，泰兴市学科带头人，泰兴市第三届初中物理名师工作室领衔人；泰州市学科带头人，泰州市优秀班主任；多篇论文发表在物理教学方面核心期刊；作为核心成员参加江苏省物理学会“十五”规划课题，主持泰州市“十三五”教育科学规划课题《“泰微课”在初中理科差异化中的实践研究》，等等。