用信息技术“点亮”物理实验

钟永江　钟绍春　尹桂萍　蔡　烨

物理实验教学应用信息技术现状，存在问题及发展趋势

1现状

当前，信息技术与课程整合取得了一定进展，探索出一些网络环境下教与学的模式，并且开发了大量的信息化教学资源。信息技术在物理实验教学中的应用一直受到中学物理教师的重视，也涌现出一些优秀作品。但信息技术在物理实验中的应用还不够系统，存在很大差距，具体现状如下。

学生应用情况：

(1)学生接触到知识传授的多，基本是教材的媒体化。

(2)学科内容比较完善，没有注意到与其他学科的整合和资源共享。

(3)网上学习大多不过只是文本的阅读，缺乏教师指导和学生协作。

教师应用情况：

(1)在学科应用中比较多，能够应用互联网络搜集相关学科信息，能够应用常用软件Powerpoint、FrontPage等进行课件制作，但基本是单机应用水平，没能发挥网络优势，共享性差。

(2)传授知识的资源比较多，培养和评价学生能力的资源比较少。

(3)部分学校和教师建设了物理专题网站，但系统性差，对知识内容体系关注较多，对物理实验关注较少。

2存在的问题

物理实验教学自身的特点及物理实验教学的现状，决定了物理实验教学中存在的具体问题如下。

(1)学生实验的个性化需求与实验教学“一齐化”的矛盾。

在实验教学中，学生的个性需求是多样的，而现行教材的实验目的、实验器材、实验原理、实验过程等都是统一的，所以得出的实验结论必然是一致的。导致很多学生失去了对物理实验的兴趣，到实验室做实验变成了“走过场”。形成了“做实验不如讲实验，讲实验不如看实验”的局面。

(2)学生实验操作的渴望和实验条件局限的矛盾。

学生对实验操作普遍具有好奇心理，都渴望进行自主操作。可是由于学校实验条件和有些物理实验内容本身的限制性，不可能满足所有学生任意操作。

(3)学生活动的局限性和物理研究内容广泛性的矛盾。

物理学的研究内容十分广泛，大到天体物理，小到微观粒子都是教学内容。而学生的生活空间是有限的，因此他们建构诸如天体物理、微观粒子等物理内容时缺乏直接经验。

(4)学生直接经验的缺乏和物理实验原理抽象性的矛盾。

许多物理实验的原理非常抽象，如波的干涉、波的衍射、波的叠加、光电效应等。学生缺乏这方面的直接经验，对这些实验原理的理解比较困难。

(5)学生记忆的短暂性和物理实验现场不可恢复陛的矛盾。

每一次物理实验操作完成后都无法再现同样的实验现场，而学生不可能完全记住实验信息，而这些信息对整个实验是非常重要的，特别是当实验记录出现错误时，再恢复实验现场是不可能的。

(6)对实验分析的任意性要求与物理实验过程连续性的矛盾。

为了便于学生理解，有时我们希望在分析实验时可以进行任意暂停，在任意位置和角度观察实验，而真实的物理实验是连续的，是不可能实现上述要求的。

(7)对信息化环境的需求和物理实验环境单调性的矛盾。

例如，在弹簧振子的简谐振动过程中，为了便于分析简谐振动的本质，我们希望能够营造在任意位置显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环境，而在传统的实验室环境和教室环境是不可能实现的。

3发展趋势

信息技术具有可交互性、可计算性、可控制性、可图示性、实时性、可复制性、可共享性、可传递性、可存储性、可检索性、大容量性、可扩大性、可程序化，可模拟性、可仿真性、可智能性、可组合性等特性，这些优势为物理实验教学提供了必要的保证。随着信息技术的不断发展，物理实验教学呈现如下趋势。

(1)虚拟实验室。

虚拟物理实验室能把很多传统实验室中无法完成的实验模拟出来，将无法实现的效果一一再现。让学生在网络环境下进入虚拟物理实验室，学生在教师的指导下自主地完成模拟实验的“操作”，观察实验现象，得出实验结论。虚拟物理实验室不受传统物理实验室的有关规章制度的限制，为学生提供了全方位、开放的“操作”环境，激发了学生的创造性思维，提高了学生的动手能力，解决了困扰物理教师多年的实验教学方面的不少难题，也使学生实现了在虚拟世界的“真实体验”。

(2)软硬件结合。

为了快速采集、处理和分析实验数据并进行实验数据的直观显示，在传统物理实验中加入传感器、电脑及实验软件。信息技术在这一方面的应用主要是将电脑做终端，接口电路、传感器和常规物理实验仪器共同组成新的智能化实验仪器。利用传感器、通过接口电路完成一些物理量的测量，其优点在于提高了数据测量的精度；而且利用计算机处理数据时，可以把实验数据的曲线绘制出来，直观性强。传感器进入中学物理实验室，不仅成为信息技术与物理课程整合、教育手段现代化的一个新的突破口，而且还能突出物理学科重实际、重应用的特点，对培养学生实践动手能力、激发学生学习科技的兴趣、提高综合素质和发展创新思维有着重要的作用。

物理实验教学理理想教学过程的设计

1基本概念

所谓理想情况下一节课的教学过程设计，是指在不考虑教学条件的情况下，突破时空限制来构思课堂教学的步骤，尽可能提高学生的学习质量和效率。

2设计的原则

(1)要以学生能够高效接受的形态提供知识和信息，设计学习内容有效呈现形态，提高学生接受知识和信息的质量和效率。

(2)要建立学生系统运用知识的环境。当学生不断地运用知识解决问题时，就会驱使学生将知识系统化、完善化、活学活用化，进而形成综合解决问题的能力。

(3)要注重培养学生的创新思维，确定领域、发现问题、抽象问题、分解问题、选择方法、提出方法、应用方法、验证方法。重点关注演绎、归纳、类比等推理能力的培养。

3理想实验教学过程设计

(1)营造理想的实验操作环境。

理想的实验环境可以为实验者提供充足的实验器材、优良的实验空间、合适的实验操作步骤、适宜的实验结果处理方法。实验环境是进行实验的大前提，它的好坏程度决定了实验的成败。

(2)实现实验操作的任意性。

教师在课堂上可以根据教学的需要对物理现象或物理过程进行任意播放、随意分解，直到教学效果完美为止。

(3)数据采集的自动性。

物理实验一般要求当堂测量数据，根据数据处理得出结论。传统的手工数据处理方法要耽误许多时间，不利于提高教学效率。理想的实验过程应实现数据的快速采集、处理和分析，同时处理实验数据可以即时得出结论，如果发现数据错误，学生可以当场补

测某些数据；同时可以使教师当场评价学生的实验数据，这样减少了教师批阅实验报告的时间，使教师能够集中精力搞好别的教学工作。

(4)实验分析的直观性。

理想的数据处理应可以把实验数据的曲线、图形绘制出来，便于实时对比分析，直观性强；能够直观演示抽象的实验原理。

共性整合点诊断

(一)整合点概念

在完成理想情况下的教学设计之后，就可以进行整合点的诊断工作了。整合点的诊断过程，首先要分析每一个理想教学步骤是否能够在常规教学手段支撑下完成，完成的效率和质量如何；然后分析信息技术手段对每一步的支撑情况如何，是否比运用常规教学手段质量或效率高，如果确实高的话，该步骤就可以诊断为整合点。

(二)整合点诊断的基本方法

一节课的整合点应从这节课的教学重点、难点所对应的教学步骤中诊断，其他目标所对应的教学步骤中即便有整合点，利用信息技术解决了这些整合点的问题，对一节课的教学质量和效率提高所起的作用也是很有限的。一节课教与学的质量和效率主要取决于重点、难点的解决程度。对于其他的教学目标所对应的教学步骤，是否分析整合点，要根据这节课的具体情况而定。

整合点的诊断，首先要解决的问题是理想状态的教学结构、教学模式及教学步骤。即针对一节课的教学目标与教学内容、教师和学生情况，确定什么样的教学结构，选择什么样的教学模式，安排哪些教学步骤。在此基础上，诊断常规教学手段在支撑教学活动时，哪些步骤中存在的困难，确定出可能的整合点。

整合点的诊断是信息技术与课程整合的基础，诊断的准确与否直接决定着整合的方向。整合点诊断的基本步骤如下。

步骤一，从教与学可能具有共性规律的角度对课程内容进行系统分类，将具有共性规律的内容分为一类，根据课程内容的具体情况，不同类型可以进一步分为子类或多级子类。

步骤二，系统研究每种内容类型有效的教学结构确定、教与学模式设计、教与学过程安排、教与学策略选择等方法。

步骤三，系统分析运用常规手段实施所安排的教与学活动过程中可能存在困难步骤，并进行系统归类。

步骤四，分析哪些困难步骤信息技术能够支撑，确定出整合点。

在上述步骤当中，教与学模式及过程设计是至关重要的，如果设计的不合理或不够科学，那么，在此基础上所诊断出的困难可能根本就不是困难。

(三)物理实验教学整合点分类及解决办法

1物理实验的共性整合点及解决办法

(1)物理模型的模拟。

物理模型是从实际中抽象出来的，学生对它缺少感性认识，一般只是凭教师的讲解让学生去想象。利用信息技术模拟可使这些模型直观化，有利于学生头脑里形成形象化的概念。

例如，热学中固体、液体、气体分子模型，可以用Flash制作动画，模拟固体、液体、气体分子的特点。画面既简洁，对比性又强，对于学生在头脑中建立微观分子模型给予了很大帮助。

(2)瞬间发生的物理过程的慢放。

演示实验是物理现象的真实反映，它可使要研究的现象重现在课堂上，但对于一些瞬间发生的复杂物理现象，只能观测到其结果，而无法观察其变化的具体过程。采用Flash制作成的动画课件，可以形象逼真地模拟物理现象瞬间发生的变化过程，使学生在头脑中描绘出清晰的物理图像。

(3)实验细节的展示。

有些物理实验的现象，读数和结果细小而不易观察，给教学带来了一定的难度，运用多媒体教学课件，通过大屏幕投影放大展示，可以弥补这类实验的不足，教学效果较好。

例如，在游标卡尺的使用及其读数的教学中，仪器小、刻度细微、精度高，给教学演示带来较大难度，运用计算机的人机交互性及智能性，设计课件来模拟游标卡尺的测量过程，测量值随机多变，具有真实感，并将仪器尺寸和刻度线充分放大，方便了讲解和学生学习。

(4)实验隋景创设，实验现象模拟。

为了克服对实验分析的任意性要求与物理实验过程连续性的矛盾，可利用信息技术创设实验情景，模拟实验现象。

例如，分子运动特点，原子核式结构模型，玻尔模型，带电粒子在电、磁场中的运动等都无法直接用实验演示，可采用计算机技术进行模拟演示实验，增强实验教学效果。

(5)历史实验的重现。

一些在物理学发展史上起重要作用的物理实验，有的受条件限制，在教学中只能靠讲解与图形来描述，对学生的说服力不强，可以通过计算机来模拟实验的过程，激发学生的学习兴趣和求知欲。

例如，α粒子散射实验，将实验装置及实验过程制成三维动画，重现卢瑟福发现原子核式结构的过程，使学生在学习中不再感到枯燥难学，对原子核式结构有更深刻的理解。另外，还可利用计算机模拟危险性的演示实验，既能避免事故发生，又能收到良好效果。

为了克服学生直接经验的缺乏和物理实验原理抽象性的矛盾以及对信息化环境的需求和物理实验环境的单一性的矛盾，可利用信息技术形象直观的展示物理实验原理。

例如，示波管原理的介绍，气体压强的微观解释，平抛运动的分解，力的合成与分解，简谐振动，光的干涉、衍射、电动机原理、汽油机原理、发电机原理等的演示和讲解等。

2物理实验的分类及整合点解决办法

(1)物理实验的分类。中学物理学生实验主要有练习性实验、研究性实验、测定性实验、验证性实验。

(2)每类实验整合办法。

①练习使用物理仪器的学生实验。

此类学生实验是专门练习使用物理仪器的，如练习使用游标卡尺和螺旋测微器，练习使用打点计时器，练习使用多用电表等。此类实验的教学重点是练习仪器的操作规程和正确的使用方法，因此，对于此类实验，可设计开发专门的软件进行模拟，重点要放在交互性和指导性上，学生可通过调节参数进行实际模拟操作训练。

②观察和研究物理现象的学生实验。

此类学生实验是观察和研究某些物理现象的，如观察光的衍射现象，机械波、水波的干涉，研究电磁感应现象等。此类实验的教学重点是展示物理现象以及解释形成现象的原理。因此对于此类实验，重点是设计开发现象的演示和原理的讲解的软件。

③测定物理量的学生实验。

此类学生实验是为了测定某些物理量，如用单摆测重力加速度，测匀变速直线运动的加速度，测金属丝的电阻率，测电源的电动势和内电阻，伏安法测电阻等。此类实验的教学重点是实验原理、实验设计、实验实施、实验的数据处理以及实验拓展等。因此对于此类实验，重点是设计开发交互性和指导性强的软件，学生可通过软件模拟实验操作。

④验证物理规律的学生实验。

此类学生实验是为了验证某些物理规律，如验证牛顿第二定律，验证机械能守恒定律等。此类实验重点在可验证物理量之间的相互关系和变化规律。因此，对于此类实验，重点是设计开发具有实验过程指导的教学软件。学生可通过软件模拟实验并能记录实验数据和进行实验数据整理与分析，最后得出实验结论。

整事点金石

信息化的实验手段可以拓展学生探究日常生活中物理现象的能力，从而能激发学生探究的欲望；强大的数据处理能力和开放的平台有利于学生通过努力发现问题、寻找规律，有利于学生将所掌握的信息技术知识引入物理实验。传感器技术应用于物理实验教学是一次教学手段的革新，是教育技术的进步，无论理论还是实践都证明了传感器技术应用于教学具有非常独到的优点，在教学方法上实现了多样化；在教学模式上，使个别化学习和交互式教学成为可能；在教育观念上，为教育的发展提供了新思路，体现了信息技术对物理教学的整合。

但同时也应看到，信息技术与物理课程教学的整和是一个新事物，还有许多问题需要我们去研究、探索和实践。

本文主要探究了信息技术与物理实验课程如何进行教学设计，设计的原则及策略，在理想状态教学设计的基础上如何诊断整合点及诊断的基本方法；信息技术如何支撑这些整合点等一系列问题，希望笔者的观点能引起有关专家、学者、同行们的关注，以促进物理实验教学的发展。