数字化物理教学的设计与实践——大学物理教学设计之三

吴天刚 倪忠强 吴於人

(同济大学物理系,上海 200092)

数字化物理教学的设计与实践
——大学物理教学设计之三

吴天刚 倪忠强 吴於人

(同济大学物理系,上海 200092)

本文论述了什么是数字化物理教学,从而提出如何设计数字化物理教学,并指出数字化物理教学中值得讨论的几个问题.

大学物理;教学设计;数字化教学

数字时代,数字技术改变了生活,也冲击了教育.有人提出了数字化教学理念,相应地物理数字化教学的研究和实践也逐步展开.作为学生重要基础课和素质教育课的大学物理课程的教学设计,如何充分地、科学地利用数字技术,使学生在高效率掌握知识的同时,提高学生自主学习意识,培养学生科学探究与创新的兴趣和能力,成为当今时代物理教师应该研究的重要课题之一.

1 什么是数字化物理教学

对于一门课程来说,若不考虑教学管理范畴,所谓数字化教学,则包括教学内容数字化和教学手段数字化.

物理教学内容数字化,应包括两个含义,一是模拟信号数字化,二是现象规律数字化.模拟信号数字化是指利用计算机信息处理技术把力、声、光、电、磁和温度等信号转换成数字信号,或把语音、文字、图像等信息转变为数字编码,用于传输、处理与分析[1].在这个过程中传感器、AD/DA转换接口和计算机是必不可少的重要组成部分.图1为热声效应远程客户端界面,该实验可以远程操控真实设备,通过数据采集观察实验结果,并通过摄像头及网络传输观察真实实验的视频信号.实验时远端客户机前的学习者可以按下实验界面中“打开仪器”的按钮,通过网络传输和DA转换接口,数字信号转变为电信号,启动真实的试验装置.实验中由于声波产生的热泵效应引起热声堆上下产生温度差,传感器将温度信号转变为电信号,AD转换接口将电信号转换为数字信号输入计算机.图1中实验数据的采集、图表显示和实景显示的窗口,均为模拟信号数字化的结果.现象规律数字化是指利用计算机软件技术进行数值计算或仿真,模拟现象,研究规律.图2为大学物理数字化教学网上展示的部分数字化教学成果[2].这些物理现象的模拟使用C++和OpenGL(Open Graphics Library,开放的图形程序接口),不但生动再现了物理现象,而且揭示了物理规律.通过应用这类课件,教学内容可以更为深入,教学效益更为提高.学生运用计算机工具研究物理的过程,也是提高研究能力的过程.

教学内容的数字化引起教学内容的传媒发生改变,教学手段的数字化也便同时发生.利用计算机和投影设备授课,利用计算机网络教学,利用计算机改造实验以及利用计算机测试和评价等数字技术的应用越来越普遍.

综上所述,数字化物理教学的实施过程是信息技术全面改造课程的教学过程,是数字化在教学中聚合的过程,是教学改革中技术路线的实践过程.

2 如何设计数字化物理教学

利用信息技术设计物理课程的数字化教育模式,是一项十分艰苦而有意义的工作.我们努力设计培养创新人才的探究型学习模式,建设数字化物理学科文化环境,开设利用信息技术解决物理问题的选修课[3].下面就课堂内外的教学活动讨论数字化物理教学设计.

2.1 设计科学的混合式数字化课堂教学模式

大学物理课程的讲授,难点之一就是对于物理情景的再现.物理教学中的很多情景是理想状态下或者是微观世界的现象,因而利用数字化的手段对于情景的再现,有其得天独厚的优越之处.

目前,利用PPT和各类物理多媒体课件上课的方式已被广大教师接受,也普遍认为黑板和计算机投影应共存.我们认为,应根据教学需要,采用科学的混合式数字化物理教学模式,才能达到最佳教学效果.

科学的混合式数字化物理教学模式,要求教师在一次讲授中,能够合理使用各种教学媒体,包括板书(传统或数字化黑板、白板板书,计算机屏幕上用鼠标简单标记或随堂输入)、计算机教案、多媒体课件、演示实验(数字化和非数字化实验设备),也能适时分析学生计算机研究作品或利用自己及其他教师的计算机研究作品和学生一起探究物理规律.

例如在“拍”的教学中,我们可以利用音叉让学生听;可以利用计算机实时测量系统让同学们很直观地在计算机屏幕上看到两个同方向同频率振动合成的过程;可以利用 Flash交互课件插入PPT演示;还可以利用Matlab等软件让同学调节参数观察和聆听结果.当然,并不是媒体用得越多越好,媒体的选择和运用设计要根据内容、课时、学生、教师等诸多因素决定.

2.2 建设友好的互动式数字化课外学习环境

建设数字化课外学习环境,就是要利用计算机网络技术的优势,研究青年学生的学习心理需求,保证网络环境的友好性和互动性.教学网站的特点决定了它比其他企业网站需要实现的功能更为强大与复杂.这因为网站不仅是信息发布,论坛讨论或辩论,重要的应该体现在利于协同学习的交互功能之上,以及全方位的、专业性强的资源共享(最好是分布式管理的资源共享).

网站建设的目的就是利用现代信息技术,实现更高层次的教学目标,所以教学网站一定是围绕教学展开的.我们认为物理教学网站应该是课堂教学的延伸,这个延伸不是课时的延时,而是结合网络的强大功能,拓展学生的知识,提高学习的效率和学生自主学习的能动性.同济大学物理课程网站设计时除了常用的功能(包括信息、资源发布、上传下载学习材料、留言、讨论等)外,还加强了下述的功能开发和建设.

网络杂志为激发学生的学习自主性,我们为学生开发了网络杂志系统,在这个系统中,学生可以在线设计自己的物理杂志,学生在编辑杂志过程中,本身也是一个学习的过程,透过每期的物理网络杂志,可以透射出学生的投入和探索精神.杂志编辑和撰写过程中,学生不但开拓了课堂外的知识,更激发了他们的学习积极性和能动性.

物理博客学生学习的自主性在物理博客中也有很好的体现.打开每一位学生的博客,都能读到很好的科技文章,更多的是在博客中学生会提出自己的见解,还有学习中的经验和体会也会在博客中供大家参考.自开设博客专栏后,这个板块一直受到学生的青睐.

题库和在线测试网上测试系统,除具有在线输入或批量导入题目、题库管理、随机或手动组卷、自动评分、成绩统计等功能外,还可与学习计划、学习跟踪、操作跟踪相关联,便于教师及时掌控学生的学习信息,强化网络教学管理.

教师教学设计交流为方便教师提高教学水准,开设了面向教师的物理教学设计站点,在该站点中,由经验丰富的教师提供素材,专门为教师设计了每堂课的教学方案,并提供大量多媒体资料和题库,此外还设有教学研究板块,教师可以在此进行理论交流.可以说,这个板块在同类网站中开了先河.

2.3 开展丰富的创意性数字化物理研究活动

开展内容丰富、形式多样的物理研究活动,在活动中鼓励学生进行数字化研究,在研究中培养学生的创新意识和能力,其效果是课堂教学所不能达到的.在同济大学物理系组织每年一次的全校非物理专业物理竞赛活动中,学生可以自由选题,不少同学都选择数字化应用方面的题目,在决赛中产生了像“环绕立体声”、“基于 Matlab的单摆周期研究”等一批理论联系实际、很有创意的优秀作品.有些作品在国内大学物理教学中是首创.通过竞赛,培养了学生学习物理课程的兴趣以及综合应用基础知识的能力,使他们在查阅资料、分析问题、逻辑推理、实践技能及表述等各方面有了充分的锻炼和提高.

学生在物理学习中的创意研究,我们也帮助他们提炼和深入,继续申报学校、上海市和全国的大学生创新项目研究.

3 数字化物理教学中值得讨论的几个问题

3.1 数字化运用的工具性和必然性

就像黑板、粉笔出现后,班级教学代替私塾(师徒)式教学;数字化技术的出现,必然引起教学手段和模式的改革.但是数字化设备和软件是工具、是媒介.教学目标是课程教学目标,数字化有助于教学目标的实现,其本身不是教学目标.因而必须明确数字化运用的工具性和必然性.

3.2 数字化推广的差距性和层次性

由于学校、科目、学生、教师和各种客观条件的差异,应该承认数字化推广的不平衡性.我们应该在承认差距的前提下研究差距,有层次、有节奏地、因地制宜推广数字化教学经验.

3.3 数字化发展的开放性和协作性

由于数字技术发展的高速性和开放性,决定了推广数字化物理教学建设经验,建设数字化物理学科学习环境,设计适应数字化时代的物理教学内容和手段模式,是需要分布在各校的广大教师协同进行的事业.物理教学的数字化发展一旦凸显开放性和协作性的特征,物理教学也便凸现飞速发展的趋势.

[1] 陈显玲.试论中国报业调整期发展策略之数字化生存.第二届全国新闻学子优秀论文评选获奖论文,http://media.people.com.cn/GB/22114/44110/55469/4896668.html

[2] 大学物理数字教学.中国数字物理教学工作室主办.http://chphy.zhetao.com

[3] 王祖源等.论物理教学中信息技术的应用.大学物理教育专刊,2006

2009-06-08)