用信息技術“點亮”物理實驗

物理實驗教學應用信息技術現(xiàn)狀，存在問題及發(fā)展趨勢

1 現(xiàn)狀

當前，信息技術與課程整合取得了一定進展，探索出一些網(wǎng)絡環(huán)境下教與學的模式，并且開發(fā)了大量的信息化教學資源。信息技術在物理實驗教學中的應用一直受到中學物理教師的重視，也涌現(xiàn)出一些優(yōu)秀作品。但信息技術在物理實驗中的應用還不夠系統(tǒng)，存在很大差距，具體現(xiàn)狀如下。

學生應用情況：

(1)學生接觸到知識傳授的多，基本是教材的媒體化。

(2)學科內(nèi)容比較完善，沒有注意到與其他學科的整合和資源共享。

(3)網(wǎng)上學習大多不過只是文本的閱讀，缺乏教師指導和學生協(xié)作。

教師應用情況：

(1)在學科應用中比較多，能夠應用互聯(lián)網(wǎng)絡搜集相關學科信息，能夠應用常用軟件Powerpoint、FrontPage等進行課件制作，但基本是單機應用水平，沒能發(fā)揮網(wǎng)絡優(yōu)勢，共享性差。

(2)傳授知識的資源比較多，培養(yǎng)和評價學生能力的資源比較少。

(3)部分學校和教師建設了物理專題網(wǎng)站，但系統(tǒng)性差，對知識內(nèi)容體系關注較多，對物理實驗關注較少。

2 存在的問題

物理實驗教學自身的特點及物理實驗教學的現(xiàn)狀，決定了物理實驗教學中存在的具體問題如下。

(1)學生實驗的個性化需求與實驗教學“一齊化”的矛盾。

在實驗教學中，學生的個性需求是多樣的，而現(xiàn)行教材的實驗目的、實驗器材、實驗原理、實驗過程等都是統(tǒng)一的，所以得出的實驗結(jié)論必然是一致的。導致很多學生失去了對物理實驗的興趣，到實驗室做實驗變成了“走過場”。形成了“做實驗不如講實驗，講實驗不如看實驗”的局面。

(2)學生實驗操作的渴望和實驗條件局限的矛盾。

學生對實驗操作普遍具有好奇心理，都渴望進行自主操作。可是由于學校實驗條件和有些物理實驗內(nèi)容本身的限制性，不可能滿足所有學生任意操作。

(3)學生活動的局限性和物理研究內(nèi)容廣泛性的矛盾。

物理學的研究內(nèi)容十分廣泛，大到天體物理，小到微觀粒子都是教學內(nèi)容。而學生的生活空間是有限的，因此他們建構諸如天體物理、微觀粒子等物理內(nèi)容時缺乏直接經(jīng)驗。

(4)學生直接經(jīng)驗的缺乏和物理實驗原理抽象性的矛盾。

許多物理實驗的原理非常抽象，如波的干涉、波的衍射、波的疊加、光電效應等。學生缺乏這方面的直接經(jīng)驗，對這些實驗原理的理解比較困難。

(5)學生記憶的短暫性和物理實驗現(xiàn)場不可恢復陛的矛盾。

每一次物理實驗操作完成后都無法再現(xiàn)同樣的實驗現(xiàn)場，而學生不可能完全記住實驗信息，而這些信息對整個實驗是非常重要的，特別是當實驗記錄出現(xiàn)錯誤時，再恢復實驗現(xiàn)場是不可能的。

(6)對實驗分析的任意性要求與物理實驗過程連續(xù)性的矛盾。

為了便于學生理解，有時我們希望在分析實驗時可以進行任意暫停，在任意位置和角度觀察實驗，而真實的物理實驗是連續(xù)的，是不可能實現(xiàn)上述要求的。

(7)對信息化環(huán)境的需求和物理實驗環(huán)境單調(diào)性的矛盾。

例如，在彈簧振子的簡諧振動過程中，為了便于分析簡諧振動的本質(zhì)，我們希望能夠營造在任意位置顯示振子的受力方向和大小、速度方向和大小以及加速度方向和大小的信息化環(huán)境，而在傳統(tǒng)的實驗室環(huán)境和教室環(huán)境是不可能實現(xiàn)的。

3 發(fā)展趨勢

信息技術具有可交互性、可計算性、可控制性、可圖示性、實時性、可復制性、可共享性、可傳遞性、可存儲性、可檢索性、大容量性、可擴大性、可程序化，可模擬性、可仿真性、可智能性、可組合性等特性，這些優(yōu)勢為物理實驗教學提供了必要的保證。隨著信息技術的不斷發(fā)展，物理實驗教學呈現(xiàn)如下趨勢。

(1)虛擬實驗室。

虛擬物理實驗室能把很多傳統(tǒng)實驗室中無法完成的實驗模擬出來，將無法實現(xiàn)的效果一一再現(xiàn)。讓學生在網(wǎng)絡環(huán)境下進入虛擬物理實驗室，學生在教師的指導下自主地完成模擬實驗的“操作”，觀察實驗現(xiàn)象，得出實驗結(jié)論。虛擬物理實驗室不受傳統(tǒng)物理實驗室的有關規(guī)章制度的限制，為學生提供了全方位、開放的“操作”環(huán)境，激發(fā)了學生的創(chuàng)造性思維，提高了學生的動手能力，解決了困擾物理教師多年的實驗教學方面的不少難題，也使學生實現(xiàn)了在虛擬世界的“真實體驗”。

(2)軟硬件結(jié)合。

為了快速采集、處理和分析實驗數(shù)據(jù)并進行實驗數(shù)據(jù)的直觀顯示，在傳統(tǒng)物理實驗中加入傳感器、電腦及實驗軟件。信息技術在這一方面的應用主要是將電腦做終端，接口電路、傳感器和常規(guī)物理實驗儀器共同組成新的智能化實驗儀器。利用傳感器、通過接口電路完成一些物理量的測量，其優(yōu)點在于提高了數(shù)據(jù)測量的精度；而且利用計算機處理數(shù)據(jù)時，可以把實驗數(shù)據(jù)的曲線繪制出來，直觀性強。傳感器進入中學物理實驗室，不僅成為信息技術與物理課程整合、教育手段現(xiàn)代化的一個新的突破口，而且還能突出物理學科重實際、重應用的特點，對培養(yǎng)學生實踐動手能力、激發(fā)學生學習科技的興趣、提高綜合素質(zhì)和發(fā)展創(chuàng)新思維有著重要的作用。

物理實驗教學理理想教學過程的設計

1 基本概念

所謂理想情況下一節(jié)課的教學過程設計，是指在不考慮教學條件的情況下，突破時空限制來構思課堂教學的步驟，盡可能提高學生的學習質(zhì)量和效率。

2 設計的原則

(1)要以學生能夠高效接受的形態(tài)提供知識和信息，設計學習內(nèi)容有效呈現(xiàn)形態(tài)，提高學生接受知識和信息的質(zhì)量和效率。

(2)要建立學生系統(tǒng)運用知識的環(huán)境。當學生不斷地運用知識解決問題時，就會驅(qū)使學生將知識系統(tǒng)化、完善化、活學活用化，進而形成綜合解決問題的能力。

(3)要注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，確定領域、發(fā)現(xiàn)問題、抽象問題、分解問題、選擇方法、提出方法、應用方法、驗證方法。重點關注演繹、歸納、類比等推理能力的培養(yǎng)。

3 理想實驗教學過程設計

(1)營造理想的實驗操作環(huán)境。

理想的實驗環(huán)境可以為實驗者提供充足的實驗器材、優(yōu)良的實驗空間、合適的實驗操作步驟、適宜的實驗結(jié)果處理方法。實驗環(huán)境是進行實驗的大前提，它的好壞程度決定了實驗的成敗。

(2)實現(xiàn)實驗操作的任意性。

教師在課堂上可以根據(jù)教學的需要對物理現(xiàn)象或物理過程進行任意播放、隨意分解，直到教學效果完美為止。

(3)數(shù)據(jù)采集的自動性。

物理實驗一般要求當堂測量數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)處理得出結(jié)論。傳統(tǒng)的手工數(shù)據(jù)處理方法要耽誤許多時間，不利于提高教學效率。理想的實驗過程應實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速采集、處理和分析，同時處理實驗數(shù)據(jù)可以即時得出結(jié)論，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤，學生可以當場補測某些數(shù)據(jù)；同時可以使教師當場評價學生的實驗數(shù)據(jù)，這樣減少了教師批閱實驗報告的時間，使教師能夠集中精力搞好別的教學工作。

(4)實驗分析的直觀性。

理想的數(shù)據(jù)處理應可以把實驗數(shù)據(jù)的曲線、圖形繪制出來，便于實時對比分析，直觀性強；能夠直觀演示抽象的實驗原理。

共性整合點診斷

(一)整合點概念

在完成理想情況下的教學設計之后，就可以進行整合點的診斷工作了。整合點的診斷過程，首先要分析每一個理想教學步驟是否能夠在常規(guī)教學手段支撐下完成，完成的效率和質(zhì)量如何；然后分析信息技術手段對每一步的支撐情況如何，是否比運用常規(guī)教學手段質(zhì)量或效率高，如果確實高的話，該步驟就可以診斷為整合點。

(二)整合點診斷的基本方法

一節(jié)課的整合點應從這節(jié)課的教學重點、難點所對應的教學步驟中診斷，其他目標所對應的教學步驟中即便有整合點，利用信息技術解決了這些整合點的問題，對一節(jié)課的教學質(zhì)量和效率提高所起的作用也是很有限的。一節(jié)課教與學的質(zhì)量和效率主要取決于重點、難點的解決程度。對于其他的教學目標所對應的教學步驟，是否分析整合點，要根據(jù)這節(jié)課的具體情況而定。

整合點的診斷，首先要解決的問題是理想狀態(tài)的教學結(jié)構、教學模式及教學步驟。即針對一節(jié)課的教學目標與教學內(nèi)容、教師和學生情況，確定什么樣的教學結(jié)構，選擇什么樣的教學模式，安排哪些教學步驟。在此基礎上，診斷常規(guī)教學手段在支撐教學活動時，哪些步驟中存在的困難，確定出可能的整合點。

整合點的診斷是信息技術與課程整合的基礎，診斷的準確與否直接決定著整合的方向。整合點診斷的基本步驟如下。

步驟一，從教與學可能具有共性規(guī)律的角度對課程內(nèi)容進行系統(tǒng)分類，將具有共性規(guī)律的內(nèi)容分為一類，根據(jù)課程內(nèi)容的具體情況，不同類型可以進一步分為子類或多級子類。

步驟二，系統(tǒng)研究每種內(nèi)容類型有效的教學結(jié)構確定、教與學模式設計、教與學過程安排、教與學策略選擇等方法。

步驟三，系統(tǒng)分析運用常規(guī)手段實施所安排的教與學活動過程中可能存在困難步驟，并進行系統(tǒng)歸類。

步驟四，分析哪些困難步驟信息技術能夠支撐，確定出整合點。

在上述步驟當中，教與學模式及過程設計是至關重要的，如果設計的不合理或不夠科學，那么，在此基礎上所診斷出的困難可能根本就不是困難。

(三)物理實驗教學整合點分類及解決辦法

1 物理實驗的共性整合點及解決辦法

(1)物理模型的模擬。

物理模型是從實際中抽象出來的，學生對它缺少感性認識，一般只是憑教師的講解讓學生去想象。利用信息技術模擬可使這些模型直觀化，有利于學生頭腦里形成形象化的概念。

例如，熱學中固體、液體、氣體分子模型，可以用Flash制作動畫，模擬固體、液體、氣體分子的特點。畫面既簡潔，對比性又強，對于學生在頭腦中建立微觀分子模型給予了很大幫助。

(2)瞬間發(fā)生的物理過程的慢放。

演示實驗是物理現(xiàn)象的真實反映，它可使要研究的現(xiàn)象重現(xiàn)在課堂上，但對于一些瞬間發(fā)生的復雜物理現(xiàn)象，只能觀測到其結(jié)果，而無法觀察其變化的具體過程。采用Flash制作成的動畫課件，可以形象逼真地模擬物理現(xiàn)象瞬間發(fā)生的變化過程，使學生在頭腦中描繪出清晰的物理圖像。

(3)實驗細節(jié)的展示。

有些物理實驗的現(xiàn)象，讀數(shù)和結(jié)果細小而不易觀察，給教學帶來了一定的難度，運用多媒體教學課件，通過大屏幕投影放大展示，可以彌補這類實驗的不足，教學效果較好。

例如，在游標卡尺的使用及其讀數(shù)的教學中，儀器小、刻度細微、精度高，給教學演示帶來較大難度，運用計算機的人機交互性及智能性，設計課件來模擬游標卡尺的測量過程，測量值隨機多變，具有真實感，并將儀器尺寸和刻度線充分放大，方便了講解和學生學習。

(4)實驗隋景創(chuàng)設，實驗現(xiàn)象模擬。

為了克服對實驗分析的任意性要求與物理實驗過程連續(xù)性的矛盾，可利用信息技術創(chuàng)設實驗情景，模擬實驗現(xiàn)象。

例如，分子運動特點，原子核式結(jié)構模型，玻爾模型，帶電粒子在電、磁場中的運動等都無法直接用實驗演示，可采用計算機技術進行模擬演示實驗，增強實驗教學效果。

(5)歷史實驗的重現(xiàn)。

一些在物理學發(fā)展史上起重要作用的物理實驗，有的受條件限制，在教學中只能靠講解與圖形來描述，對學生的說服力不強，可以通過計算機來模擬實驗的過程，激發(fā)學生的學習興趣和求知欲。

例如，α粒子散射實驗，將實驗裝置及實驗過程制成三維動畫，重現(xiàn)盧瑟福發(fā)現(xiàn)原子核式結(jié)構的過程，使學生在學習中不再感到枯燥難學，對原子核式結(jié)構有更深刻的理解。另外，還可利用計算機模擬危險性的演示實驗，既能避免事故發(fā)生，又能收到良好效果。

為了克服學生直接經(jīng)驗的缺乏和物理實驗原理抽象性的矛盾以及對信息化環(huán)境的需求和物理實驗環(huán)境的單一性的矛盾，可利用信息技術形象直觀的展示物理實驗原理。

例如，示波管原理的介紹，氣體壓強的微觀解釋，平拋運動的分解，力的合成與分解，簡諧振動，光的干涉、衍射、電動機原理、汽油機原理、發(fā)電機原理等的演示和講解等。

2 物理實驗的分類及整合點解決辦法

(1)物理實驗的分類。中學物理學生實驗主要有練習性實驗、研究性實驗、測定性實驗、驗證性實驗。

(2)每類實驗整合辦法。

①練習使用物理儀器的學生實驗。

此類學生實驗是專門練習使用物理儀器的，如練習使用游標卡尺和螺旋測微器，練習使用打點計時器，練習使用多用電表等。此類實驗的教學重點是練習儀器的操作規(guī)程和正確的使用方法，因此，對于此類實驗，可設計開發(fā)專門的軟件進行模擬，重點要放在交互性和指導性上，學生可通過調(diào)節(jié)參數(shù)進行實際模擬操作訓練。

②觀察和研究物理現(xiàn)象的學生實驗。

此類學生實驗是觀察和研究某些物理現(xiàn)象的，如觀察光的衍射現(xiàn)象，機械波、水波的干涉，研究電磁感應現(xiàn)象等。此類實驗的教學重點是展示物理現(xiàn)象以及解釋形成現(xiàn)象的原理。因此對于此類實驗，重點是設計開發(fā)現(xiàn)象的演示和原理的講解的軟件。

③測定物理量的學生實驗。

此類學生實驗是為了測定某些物理量，如用單擺測重力加速度，測勻變速直線運動的加速度，測金屬絲的電阻率，測電源的電動勢和內(nèi)電阻，伏安法測電阻等。此類實驗的教學重點是實驗原理、實驗設計、實驗實施、實驗的數(shù)據(jù)處理以及實驗拓展等。因此對于此類實驗，重點是設計開發(fā)交互性和指導性強的軟件，學生可通過軟件模擬實驗操作。

④驗證物理規(guī)律的學生實驗。

此類學生實驗是為了驗證某些物理規(guī)律，如驗證牛頓第二定律，驗證機械能守恒定律等。此類實驗重點在可驗證物理量之間的相互關系和變化規(guī)律。因此，對于此類實驗，重點是設計開發(fā)具有實驗過程指導的教學軟件。學生可通過軟件模擬實驗并能記錄實驗數(shù)據(jù)和進行實驗數(shù)據(jù)整理與分析，最后得出實驗結(jié)論。

整事點金石

信息化的實驗手段可以拓展學生探究日常生活中物理現(xiàn)象的能力，從而能激發(fā)學生探究的欲望；強大的數(shù)據(jù)處理能力和開放的平臺有利于學生通過努力發(fā)現(xiàn)問題、尋找規(guī)律，有利于學生將所掌握的信息技術知識引入物理實驗。傳感器技術應用于物理實驗教學是一次教學手段的革新，是教育技術的進步，無論理論還是實踐都證明了傳感器技術應用于教學具有非常獨到的優(yōu)點，在教學方法上實現(xiàn)了多樣化；在教學模式上，使個別化學習和交互式教學成為可能；在教育觀念上，為教育的發(fā)展提供了新思路，體現(xiàn)了信息技術對物理教學的整合。

但同時也應看到，信息技術與物理課程教學的整和是一個新事物，還有許多問題需要我們?nèi)パ芯俊⑻剿骱蛯嵺`。

本文主要探究了信息技術與物理實驗課程如何進行教學設計，設計的原則及策略，在理想狀態(tài)教學設計的基礎上如何診斷整合點及診斷的基本方法；信息技術如何支撐這些整合點等一系列問題，希望筆者的觀點能引起有關專家、學者、同行們的關注，以促進物理實驗教學的發(fā)展。