CAI 在高中物理教学中的应用

蓝 ,高继伟

(长春师范学院物理学院,吉林长春 130032)

CAI(Computer-Assisted Instruction)是指用计算机帮助或代替教师执行部分教学任务,传递教学信息,向学生传授知识和训练技能,直接为学生服务。

1 CAI的产生和发展

计算机技术在教育领域中的应用是上个世纪后半期教育发展的重大成就之一,也是当今教育现代化的一个重要标志。因此,计算机辅助教学 (CAI)也应运而生。上个世纪60年代末和70年代初,美国许多著名大学和计算机公司相继开展了计算机辅助教育的研究和开发工作,同时一些发达国家,如加拿大、英国、日本、德国、法国等也开始了计算机辅助教学领域的研究。我国计算机辅助教学工作开展得较晚,但发展迅速,成绩令人瞩目。80年代初期,北京师范大学和上海师范大学等牵头成立了全国计算机辅助教育学会。80年代后期,许多高等院校开设了相关课程并成立了CAI研究所、CAI中心实验室等机构。现在,全国各级教育部门,软件公司都在积极从事CAI软件的开发,新的软件不断涌现,质量不断提高。

在高校,工作在第一线的教师开始广泛使用计算机辅助教学。并开发了适合教学实际和学生实际的软件。随着CAI技术在广大教师中的普及,CAI手段已成为传统教学方式的重要补充,在提高学生素质和教学质量方面起到越来越重要的作用。

2 CAI在物理教学中的作用

随着计算机技术的迅猛发展及计算机的大量普及,很多中学已经配备了微机室、专用多媒体教室,建立电教中心,为计算机辅助教学 (CAI)打下了硬件基础。事实上,在教学中善于使用现代化多媒体教学手段进行教学,有利于增强教学的直观性、生动性和时代性,增加教学容量;有利于学生理解教学内容的科学性、系统性;有利于增加师生交流机会,使教学氛围更加生动活泼,更好地因材施教,提高课堂教学的效率和质量。实践证明,教学媒体的现代化是实现素质教育的技术基础和重要环节[1-2]。

总体说,计算机辅助教学会使学生增强独创性及学习的主动性,更有利于培养他们的创造能力。具体来说,在物理教学中,计算机能方便而全面地展示各种物理情景,有助于培养学生的学习能力和科学素质,尤其是在培养其抽象能力、空间能力、观察归纳能力方面。有效地利用计算机辅助教学,往往能达到事半功倍的效果[3];在某些侧面上,计算机能超越教师的能力。

第一,CAI教学能将难点简单化,提高教学质量。不少物理教师常采用CAI教学手段进行物理教学,把难以用传统教学表达的重点、难点利用CAI教学手段,或制作相应的动画、或模拟实验现象、或人为控制模拟实验过程,让抽象、现有实验设备难以完成的物理现象呈现在学生面前,使学生如见其人、如闻其声、如临其境,从而将难点简单化。

第二,CAI可以进行必要的重复,要想掌握好知识就必然要经过重复实践和练习。例如在研究欧姆定律时,可以通过多媒体给学生演示电流与电压的关系,通过改变电压 (或者电流)让同学们观察,总结规律,使学生认识到导体本身、流过导体的电流、导体两端电压之间存在着制约关系,可以让学生加深对这个关系的认识。

图1 平抛运动的频闪图

图2 铀核的裂变

第三,CAI可以避免乏味、单调。多媒体声像并茂的效果有助于避免乏味、单调,调动起学生学习的积极性。把软件设计成游戏型的,使学生把注意力集中于找出隐蔽信息,出于得高分的欲望,必须进行快速反应,在不知不觉之中学习了知识。CAI为教学创设了生动有趣的教学情境,化无声为有声,化静为动,激发了学生的学习兴趣,提高了学生的学习积极性。计算机多媒体教学能够使静止的物体可以按指定的轨迹运动,静态的图可以像动画一样移动,可以像流水般呈现一幅幅变幻的图像。例如,在讲解作用力与反作用力时,为了让学生积极投入到课堂中来,在开课时,可以用计算机播放一段精彩的足球录像,使学生的注意力立即被吸引,视听神经迅速兴奋起来,此时,便把教学引到了心理层面。使学生真切体会物体间力的作用是相互的,由此引出作用力与反作用力的概念。

第四,CAI可以帮助学生更细致、深入地了解物理情景。在物理教学中,有很多物理现象出现的时间极短,当学生还没来得及看清时,该过程就已经结束,学生就理解不了其中的本质,给教学带来困难。如对平抛运动,我们就可以使用数码相机把其运动全过程拍下来,然后进行制作,利用计算机可反复操作,使学生认识其过程,同时还可以利用它的某一时刻的静止画面来解释它下落时的特点 (图1)。教学中的难点就容易突破,省时方便。

第五,应用CAI能够实现从微观向宏观转移。由于条件限制,物理教学中有些实验在课堂教学中无法演示,学生只能从理论上了解。像原子物理这部分内容,学生理解不深刻、记不劳。教师可以应用多媒体的三维动画进行动态的模拟演示。例如,把中子、铀核等用不同颜色区别,让中子撞击铀核,伴随着一声巨响,看到裂变过程 (图2)。当学生受此震撼时,其内容自然记忆深刻。

第六,应用CAI便于师生间双向交流。传统的物理教学过程中,主要是教师讲学生听,不便于学生个性的培养。应用CAI能够真正改变学生和教师的位置,使学生成为学习的主体。当学生有问题时,可以及时提出或利用计算机网络与同学讨论,从而多渠道寻找解决问题的办法。当学生对某个物理现象有自己的观点时,也可以提供给大家进行研讨和交流,教师提供解答,这种双向交流使学生的思维更加活跃,有利于培养学生的创新意识,实现学生主体、教师主导的现代教学思想。

第七,CAI与物理实验教学。物理学科是一门建立在实验基础上的自然科学。因此,物理实验是物理教学的重要组成部分,计算机在物理实验教学中可以发挥应有的作用,无论是在课堂演示实验中还是在学生分组实验中,以及在课外活动等各种涉及物理实验的活动中,计算机都能扮演重要的角色。计算机在物理实验教学中的用途主要有三个方面,即测量、数据处理及实验控制。有很多物理演示实验都要当堂测量数据、当堂计算、当堂得出结论,例如在教学中牛顿第二定律就是通过课堂演示实验总结出来的。传统的做法耽误很多时间,如果利用微机测量并处理数据,则立即可以得到实验结果。一旦有错误,可以当场补测某些数据,并立即重新计算,有利于提高实验教学质量。

综上所述,CAI教学具有形象性、多样性、新颖性、趣味性、直观性、丰富性等特点,在提高课堂教学质量上具有极大的潜能,是一个对教学具有极大影响力的课题。CAI教学对于深化课堂教学改革,大面积提高教学质量,全面提高学生素质具有相当重要的作用。

3 CAI在高中物理教学中遇到的困难及存在的误区

3.1 制作时遇到的困难

从CAI软件制作的角度看,物理学科对CAI软件的要求比文科各科和其他理科学科更为复杂,因而,软件的实现也比较困难,具体表现在:

(1)物理学中有大量的数学公式,制作CAI软件时比较难于表现。

(2)物理学中机械运动、热、电磁、光、原子核的运动十分复杂,有时会造成CAI软件制作困难。

(3)运用动画描述物理运动比其他学科难度大。例如,在“自由落体”运动中,就应当使位移符合规律。在计算机中位移h是用象素来表示的,而时间t以帧为单位,因此,在制作软件时必须合理选择象素与米、帧与秒的对应关系,不然,制作出的软件就会违背物理规律导致科学性错误。相当多的物理情景并不是仅仅在屏幕上展现一个图像,而是隐含着一个参数——时间t,这是物理学科区别于其他学科的一个主要特点。

(4)在题库、练习、指导这类课件中,由于学生无法输入数学式子、希腊字母等,只好大量使用选择题、判断题的题型,就连填空题也难以利用。物理中有很多须考核学生作图能力的知识点,如受力图、电路图、光路图、函数图像等等,由于学生无法在屏幕上作图,即使能作图,计算机也无法判断所作图的正误,所以很少有这类题目出现,若改为选择题的形式,则根本达不到培养作图能力的目的。

矛盾是普遍存在的。任何事物都有其两面性,尤其是新生事物,它所存在的弊病或许更多一些。作为尚在发展中的CAI技术,肯定还存在着许多这样那样的问题。我们既不能因噎废食,也不能无视这些问题的存在。只要我们认清了,改进了,CAI才能在实践中逐步地完善起来。

3.2 应用时存在的误区

信息时代,如何适应新形势下的教学,既完成教学任务,提高教学质量,又较好地帮助学生从沉重的负担中解放出来,是摆在每一位教师面前的重要课题。利用CAI手段是解决这一问题的一条快捷而有效的途径。CAI具有信息传递的快捷性,知识更新的便利性,内容和形式的新颖、生动性等特点,以培养学生的创新能力为核心,突破传统课堂教学的局限性,把先进的教育思想、视听技术、计算机多媒体、互联网络技术融合于教学中,为教育教学改革插上了腾飞的翅膀。使用计算机辅助教学手段进行教学,无疑给课堂教学带来了无限生机。但是在实践中,许多教师在观念上和具体运用过程中仍存在一些误区,有必要予以澄清。

(1)教学过程是学生的认知过程,只有学生积极地参与教学过程,教学才能取得良好的效果。CAI教学具有趣味性、娱乐性和科学性、声文图像并茂等特点,如果运用合理,教学效果是常规教学手段无法比拟的。通过CAI教学可使教材中抽象的、不可见的概念、定理变得直观并且具体,如声波的产生以及传播;使常规教学中不易或不能实现的现象得以实现,如铀核的裂变等等。这些都可以引起学生的极大兴趣,提高学生学习的积极性,扩展学生的知识面。然而若不能恰当使用CAI教学,一味追求和频繁使用,忽视教学过程中学生的主体地位,片面地认为CAI可完全替代教师的主导作用,这种想法是完全错误的。多媒体课堂辅助教学只能为实现课堂教学的目的而服务,不能刻意追求过多、过滥的动画演示。

(2)认为一个多媒体教学课件必须有许多演示,若课件中没有动画的演示,则此课件的档次就不高,这是一种错误的认识。因为多媒体课件只是为课堂教学服务的,应以完成课堂教学的任务为第一要素,如刻意追求动画的演示未免有些舍本逐末,况且动画不能替代真实的模型。CAI教学只是一种优化教学结构、丰富教学的手段,不可在教学过程中过多过滥使用。

(3)为了发挥CAI教学信息量大的优势,在制作课件时只顾容量的增大、信息的延伸,而忽视了学生的学习兴趣和接受能力这是一种错误的做法。因为其所链接的材料尽管很多,但对教学目标的实现和对学生理解课中内容却没有帮助,许多信息游离在教学目标之外,成为脱离实际的无用信息,既分散了学生的注意力,又浪费了学生宝贵的课堂学习时间。所以说课件信息量并非越多越好,课堂教学是受时间限制的,在规定的时间内,教师应该让学生接受最有价值的信息。教师要认真研究教材和学生认真研究搜集到的素材,精心设计,使计算机辅助教学真正成为促进学生学习的工具。

总之,对教师而言,多媒体辅助课堂教学是对传统课堂教学模式的一种补充和发展。对学生而言,课堂教学中适当运用CAI教学手段,形成多角度、多层次的信息剌激,能够强化学生对知识的记忆和理解,缩短学生对知识的掌握时间。运用多媒体课堂教学是课堂教学发展的必然趋势,在实施过程中必然会遇到许多问题,但“办法总比问题多”,重要的在于教师自己对教材和教法的深刻思索,在于教师对课堂的把握程度以及教师对目标的设定和取舍,从而尽力避免在使用CAI教学过程中出现误区[4-5]。

4 结束语

采用传统的教学手段,不一定就是因循守旧,而用CAI也并不完全等于现代化的教学。现代化的教学,关键是教学理念和教育思想的现代化,而不仅仅是教学手段的现代化。如果教学理念不能跟上时代的步伐,即使使用了先进的多媒体信息技术,课堂教学也仍然会成为填鸭式的传统教学模式。

在使用CAI的同时我们要积极转变教育理念,并及时将先进的理念切实贯彻到课堂教学的组织和实施的过程中,使教学行为方式与时代发展趋势同步,与世界教育发展趋势同行,并最终引导学生用自己的眼睛去观察,用自己的头脑去思考,用自己的心灵去体验,学会生存,学会关心,学会学习,学会创新,学会合作,学会负责,成为有个性的和谐发展的现代人。

[1]毕广吉.多媒体教学课件开发技术丛书(物理分册)[M].北京:北京理工大学出版社,2003:31-65.

[2]吕华.计算机课程研究[M].石家庄:河北教育出版社,2001:68-85.

[3]毕广吉.计算机辅助物理教学基础课程[M].长春:东北师范大学出版社,2001:21-27.

[4]孔令瑜.多媒体技术及应用[M].北京:机械工业出版社,2001:1-7.

[5]李再湘.中学理科教师科研论文导写[M].长沙:湖南师范大学出版社,2000:12-18.