在中学开设通信技术课程的探索

■余伟

在中学开设通信技术课程的探索

■余伟

在高中课程改革的大背景下，学校提倡开设各类校本课程，用以补充现行教材的不足，并拓展学生的知识面。笔者以通信技术相关知识为载体，编写课程讲义，作为一门校本课程在学校开设，就开设课程的背景、目的和意义、课程内容的选择、主要的教学方法、开课后的体会等方面做一小结，旨在为中学开设校本课程方面做一些有益的探索。

开设课程；通信技术；探索

开设课程的背景

当前科学技术迅猛发展，知识更新的速度日益加快，因而学校教育面临着新的挑战和冲击。为及时反映最新科研成果，补充课程结构单一的不足，更为重视解决学生素质的全面提高和个性才能的全面发展等问题。

中学物理教育是中学科学教育不可缺少的重要组成部分，也是进行科学教育的核心内容之一。物理课程的内容除以考虑知识体系是否系统、学科结构是否完整为出发点以外，还应重视中学生的发展需求、中学生的兴趣以及中学生的未来学习生涯。在中学阶段，应当教给学生些什么？这是国内外从事中学物理教育的专家、学者乃至教育工作者们共同关注的问题，也是中学物理课程改革必须解决的基本问题之一。

开设课程的目的和意义

对学生而言

1）以通信基础知识为载体，使学生在理解通信原理的同时体会到科学家们在通信技术的发展过程中所付出的艰辛，以及体现出的科学精神、科学思想和科学方法。从麦克斯韦预言电磁波到今天的通信技术，无不渗透着科学家的探索精神、实践精神；从卢瑟福的核式原子结构理论到玻尔的定态跃迁原子理论被人们接受的过程中既包含建立模型的研究方法又体现了实验与物理理论的结合更加密切的现代物理思想；从爱因期坦受激辐射理论的提出到第一台激光器的诞生，体现了理论对实践的指导意义。

2）通过对电通信、光通信基本原理的学习，使学生感受到物理学对技术发展所起的作用，既拓展了学生的视野又可激发他们学习物理的兴趣。如电磁波的发现导致通信技术的兴起；激光器与光纤对通信技术带来的变革。如电话和电视的原理：我们对着话筒说话，话筒就将声音转变成随声波而变化的电流信号，然后这个电流信号被传送到接收者的电话机中，电话机就将这电流信号还原成声音从耳机中放出来。电视也一样，它先是逐帧逐行地扫描，将图像亮度和颜色的变化转变为电流或电压信号，再用此信号去调制电磁波来传递图像信息的。无论无线通信，还是光纤通信其传递信息的基本原理，都是以高频信号作为载波即用声音信号或图像信号调制高频信号。

3）通过使用光纤传递信息的动手实验，亲自体会光纤通信基本过程，学生会消除通信技术的神秘感，体会到高新技术也是他们可以触及的，使他们勇于把所学知识应用于实践。

对教师而言

1）在课程开发过程中，教师必须不断学习有关科技前沿的知识，了解学生的需求。这样，有利于提高教师自身的科学素养，把握学生的学习状态和学习心理，促进教师课堂教学能力的提高。

2）解决课程开发过程中遇到的各种问题时，教师与专家和同行进行交流，收集、整理有关的资料，提高自身科学素质。

课程实践在教学研究中所体现的新颖之处

1）编写适合中学生水平的通信原理讲义。用通俗的语言和图解的方法阐述通信的基本概念，几乎不用数学公式就能使学生初步了解从电通信到光纤通信各波段的概况。

2）深入浅出的授课方式。挖掘通信技术知识中蕴含的简洁而朴素的物理原理，通过类比的方法启发学生用已有的物理知识去理解现代科技中的高深理论。例如，用谐振子受迫振动的能量转换解释爱因斯坦的受激辐射理论是本次教学实践中一次非常成功的尝试。

3）设计一个通信技术的综合性实验。实验包括三种现有常用的通信方式：以电流为载体的电话；以电磁波为载体的广播；以光纤为载体传输语音和图像信息。学生通过实验要达到3个目的：理解通信的基本过程和传递信息的方式；通信系统的各组成部分及其功能；了解什么是有线通信和无线通信。

课程内容的选择

根据课程开设的目的，考虑到选修课的课时限制、本校学生和笔者的实际情况，大体作了如下设计：现行教材中虽有涉及通信基础知识，但没有进行较系统的介绍，除了对无线通信有较详细的介绍外，其他部分知识如激光原理、光纤通信等知识只是点到为止。部分学生通过学生问卷的方式表达了他们学习、了解高新技术的愿望。鉴于笔者在专业课的学习过程中，对激光的原理和光纤通信等知识的理解，选取了通信技术知识中的现代通信史、无线通信、模数信号转化的原理、激光的发现和原理、光纤通信技术等几部分内容作为选修课程内容。这些内容中，无论无线通信还是光纤通信，其传递信息都是以高频信号作为载波，即用声音信号或图像信号调制高频信号的方式进行，学生学习了这一基本原理就会对通信技术的发展主线有整体的认识。其中，现代通信史和无线通信这两部分所选内容以学生自学为主，从知识的横向拓展学生的视野；模数信号转化的原理、激光的发现和原理、光纤通信技术这几部分内容是在学生自学的基础上进行必要的讲授，从知识的纵向拓展学生的视野。

通信为生活带来了方便，但信号的传输过程对大多数学生来说，还是陌生和抽象的，为了学生能体会到高新技术也是他们可以触及的，课程内容中设计了电磁波发射及接收实验和光纤通信实验。

引导学生学习本课程采用的主要教学方法

实验法

物理学是以观察、实验为基础的科学。通信技术是学生既熟悉又陌生的技术。熟悉是因为在日常生活中，学生几乎每天都早跟它们打交道；陌生是因为大部分学生在应用通信工具的过程中，对于通信中涉及的物理知识一无所知，或一知半解。实验法在学生学习本课程的内容时起到三个作用：一是可以丰富学生们的感性认识，抽象的通信信号传播、接收让学生直接地感受到，加深学生对通信知识的理解；二是学生通过实验，可以把物理知识和生活实际紧密结合起来，使学生养成善于分析、善于总结的良好习惯，使学生感到物理知识亲切，能解决生活中的具体问题；三是通过光纤通信实验，学生可以感受到本课程知识与现代科学技术密切联系，学生可以迅速地接受新的信息、开阔眼界、活跃思想[23]。

因此，在教学环节中，为了让学生了解现有常用的通信方式，学生主要做了电话通信实验、电磁波发射及接收实验和光纤通信实验。其中光纤通信实验的实验内容为：把光发射机的发光装置对准光接收机的接收装置，学生可以观察到光的传播，通过光的传播声信号从光发射机传到光接收机，若中间有障碍物则接收不到信号，这样学生就可以感受到以光为载波传播信号；增大光发射机与光接收机之间的距离，学生可以感受到声信号逐渐减弱，体会光在空气中传播过程的耗损存在；光发射机与光接收机之间用光纤连接，学生可以观察到光在光纤中传播，而且可以得知信号明显增强；弯曲光纤，信号强弱几乎不变，帮助学生理解光沿光纤传播，光纤线路弯曲对信号的传播没有影响，即信号被约束在光纤内传播；在光发射管与光纤之间或光纤与光接收管之间加一放大镜进行实验，体验光纤线路中耦合器的作用。

讲授法

讲授法是一种传统的教学方法，它具有信息量大、短时获得大量知识，受益面广，能有效帮助学生理解，学习的效果相对比较好的特点。但它也存在缺点，即在能力培养方面，积极性调动比较薄弱。因此，在应用的过程中要尽量克服讲授法的缺点，应注意讲授本身要如何启发、调动学生的积极性。在讲授某一知识点时，要先设置问题情景；讲授过程要把握节奏，关注学生注意力的持续情况；讲授的内容不要太详尽，即不完全讲授，抓主干、留枝干，在重要的地方、容易混淆的地方设问，调动学生的积极性，并让其进行短暂的思考。例如，在讲授“激光的原理”这一部分知识时，可先通过实例展示激光各个方面的特性，为学生学习的新内容创设情景。在讲授过程中可以设置以下的问题：

1）使物体发生共振的条件是什么；

2）自发辐射和受激辐射中哪一种产生的条件与共振产生的条件类似；

3）受激辐射与受激吸收是同时进行的，如何保证受激辐射发出的光子多于被受激所吸收的光子数，从而得到光放大；

4）光沿传播方向前进时不断放大，前进的距离越长，放大的倍数越高，由此，我们很容易想到把激光器制得越长，光放大倍数越大，但实际上大部分激光器的体积很小，是通过什么方法缩小激光器的体积却不减少光的传播距离呢；

5）处于高能级轨道上的粒子受激辐射后进入低能级轨道，就使处在低能级轨道的粒子数大于处在高能级轨道上的粒子数，这样就会使得被吸收的光子数多于发出的光子数，光强就会减弱。怎样才能让处于高能级的粒子数再次多于处在低能级的粒子数。

通过这些情景与问题的设置，既可以启发学生积极思考，又可以帮助学生理解激光的发光机理。

开设课程的体会

本课程在确定以通信知识作为内容后，在收集资料、编写讲义和授课的过程中，经历了与老师、同事交流，与学生一起做实验，最后与学生交流学习心得的过程，重新修改讲义。针对这一教学实践，笔者有如下体会。

渗透于科学中的简洁与和谐美，学生乐于接受、易于接受

在纷乱繁杂的自然表象中，概括出简洁明了的规律，就是一种科学美。科学中的规律就是这种美的表现形态。例如，复杂的、非线性的信号通过量化后成了一串的“0”“1”，它是这样简洁、优美。信号数字化后，为信号的发射、接收、保密、存储等方面带来的优点是显而易见的。学生很容易理解信号的数字化过程，在对信号的数字化理解基础上也进一步地认识了宽带是怎样的概念（频率越高即单位时间内输出的“0”“1”越多，信息的容量就越大）。笔者认为，学生易于接受这部分知识，应归功于科学知识中的简洁所带来促进学生理解知识的效应。爱因斯坦认为：“物理上真实的东西，一定是逻辑上简单的东西。”物理学中的简洁美不仅表现在“0”“1”为通信带来的方便，而且在物理学的许多方面都有体现。例如，爱因斯坦的质能关系式E=mc2、普朗克的能量子频率有能量的关系式E=hν、牛顿的万有引力和库仑的电荷静电相互作用定律等，都是用极其简单的形式去解释复杂的自然现象。

实验内容贴近生活，缩小物理知识与生活和科学的距离

一堆不锈钢是冷冰冰的，然而当这堆不锈钢制成了一件作品，如一匹腾飞的骏马，或一株破土而出的幼苗，耸立在街心或公园时，客观它给人们的感受绝不是冷冰冰的钢铁，而是一种生机。物理知识也是如此，当学生整天面对的是一堆概念、公式、符号时，就像面对着一堆冷冰冰钢铁。然而，当这些知识运用于生活和科学，或使“信息高速公路”通入家庭，或使航天飞机直上太空，它也决不再只是一些抽象的概念、公式和符号，而是一种愉悦和力量。学生就能感受到知识的力量，体会到所学知识与科技间的紧密。学生在做光纤通信演示实验时，喜悦之情溢于言表。他们真实地看到光做为载体传播信号，亲眼目睹了科普读物中的神秘细丝——光纤，他们知道了光纤传递信息的基本过程，感受到科学就在我们的身边。

笔者认为，在平常的学生实验中，若能明确这一实验将为生活或生产实际带来哪些方便，或某一高科技中的部分，哪怕是小小的部分用到了该实验的原理，学生会对物理知识感兴趣，也会更喜欢学习物理。

课程的开设，可以促进学生科学素养的提高

现在使用的教材内容中也有一部分和物理学科前沿的问题有关。例如，狭义相对论引入教材。普通中学的学生由于承受会考和高考双重的压力、学生的精力都投入到练习题中，无暇顾及教材选修内容的阅读，更不用说自觉地去学习课外的科普知识。当前课程改革的核心理念就是强调学科教学在学生素养发展中的地位和作用，认为在高中的物理教学中可以、而且应当渗透进一些学科前沿的内容。通过通信技术课程的学习，学生可以感受到科学中的简洁与和谐，体会到科技的神奇，认识到生活的改善离不开科技的发展，而且爱因斯坦、汤斯、梅曼等一系列科学家在通信技术的发展过程中不断探索的事迹和精神也将会激发学生向未知领域的追求与探索。因此，通过通信技术课程的学习，可以促进学生更自觉地学习科学的前沿知识，提高自身的科学素养。

课程的开设，可以促进我们深入学习物理理论知识，挖掘物理法则中的普适性

有人问李政道先生，最初接触物理学，有什么东西给他印象最深？他毫不迟疑地回答，是物理法则普适性的概念深深地打动了他，物理法则既适用于地球上你卧室里的个别现象，也适用于火星上的个别现象。这一思想对他来说是新颖的，激发着他的兴趣。牛顿的万有引力定律堪称是物理学中普适性的经典，赢得了后世无数科学家的赞赏，鼓舞了一代又一代青年走上献身物理学研究的道路。在授课过程中，若能挖掘通信技术知识中蕴含的普适性的物理法则，同样可以激发学生的学习兴趣，促进学生对高深理论的学习。例如，共振的法则既适用于机械振动，也适用于光的受激辐射。

课程实验结论表明，教师可以根据本校的具体情况，把当前的科技前沿的知识作为课程开发的载体，以某一角度为切入点，开设选修课或科技知识讲座。我相信这些课程的开设将拓宽学生的视野，满足部分学生渴望获取最新科研成就的愿望，激发学生爱科学、学科学、用科学的情感。这些课程将是对现行教材的一种有益的、必要的补充。■

[1]阎金铎.物理教学论[M].南宁:广西教育出版社,1996

[2]钟启泉.现代课程论[M].上海:上海教育出版社,2006

[3]刘旭东.校本课程的理念与实施[M].北京:首都师范大学出版社,2003

[4]胡炳元.物理课程与教学论[M].杭州:浙江教育出版社,2003

[5]乔际平.物理学习心理学[M].北京:高等教育出版社,1991

[6]刘岳衡.聚焦科技前沿 培养理解能力[J].物理通报,2003(9)

[7]宋健农.新课标下的高中物理教学应关注学科前沿成果[J].物理通报,2005(4)

（作者单位：福建省厦门市海沧实验中学）

10.3969/j.issn.1671-489X.2011.11.017