浅谈信息技术与物理教学整合研究中的三个层次

韩建光

（常熟市教育局教科室，江苏 常熟 215500）

信息技术与物理课程整合的研究伴随着笔者的教学实践活动已经有十多年的历程，用当下的思考来回顾这个历程，笔者的整合研究形成了以下3个层次.

1 辅助教学

所谓“辅助教学”，就是在现有的课堂教学构架中，把信息技术作为实施课堂教学的一种特殊手段，从而在缩放时空、模拟真实、提高兴趣、增大容量等方面起到了传统媒体无法实现的效果，这种技术延伸了教学的视野，通常教师们会运用一些多媒体集成软件将文本、图片、声音、视频、动画等整合在一起形成所谓的“课件”.

笔者还探索了一种新的做法，那就是在课堂上现场构造物理问题，这样做的好处是可以充分展示问题构造的过程，使得学生亲自感受到问题构造的科学性，揭开课件制作的神秘面纱，从而激发学生参与构造问题的兴趣.

例如，教学中有这样一个问题：真空中有一个半径为r的圆柱形匀强磁场区域，磁场方向垂直于纸面向里，Ox为过边界上O点的切线，从O点在纸面内向各个方向发射速率均为v0的电子（e、m），设电子间的相互作用力忽略，且电子在磁场中的偏转半径也为r.问所有从磁场边界出射的电子，速度方向有何特征？

上述问题是带电粒子在磁场中偏转时经常遇到的问题，关键在于勾画出粒子在磁场中运动的轨迹与磁场边界间的几何关系，用“几何画板”现场做如下的构造，很快就能解决问题.

（1）建立直角坐标系，原点设为O.

（2）在y轴上做一个点，设为O1.

（3）选择O1O，做圆O1，作为磁场的边界.

（4）选择O O1，做圆O，电子做圆周运动时的轨迹的圆心在该圆上.

（5）在做圆O上做点O2.

（6）选择O2O，做圆O2，作为电子做圆周运动时的轨迹.

（7）做圆O1圆O2的交点P，该点就是电子射出磁场时的点，此时速度设为v.

上述构造过程的展示，实际上已经将问题的关键探讨出来了，当拖动O2点，可以观察所有从磁场边界出射的电子，速度方向的特征，即速度始终与x轴平行，如图1所示.

实际运用过程中要注意以下几点.

（1）提前熟悉问题构造时的物理模型，做到心中有数，避免教学现场浪费时间，甚至出现科学性的错误.

（2）选择那些构造简单、物理背景明显的问题作为现场构造的素材，充分体现几何画板软件的特点.

（3）尽可能采用点、线、圆等简单的工具就可以完成的构造问题，避免用到复杂的技巧和计算.

2 促进探究

所谓“促进探究”，就是把计算机作为一种学习活动中的认知工具，它从挖掘学习者思维的深度实现非良构知识的学习，它可以掌握在教师手中，更多的时候可以掌握在学生的手中.“计算机多媒体软件以及交互性和超文本链接的能力显示了它在科学教育中的巨大发展潜力.在中学物理的学习中提倡智能型的软件，学生输入条件后按照科学规律自动给出正确的情景……，这种教学软件可以丰富学生对物理情景的感知认识，深化对于科学规律的理解.对于中学物理实验室中不能完成的实验，这类软件的意义更为重要.”《物理课程标准解读》就物理学科实现深层次探究性学习而言，像“几何画板”、“仿真实验室”、DIS（数字信息系统）等就是非常适合物理学科教学中应用的智能型软件.

例如，“带电粒子在电场中的偏转”是电场中的典型问题，在中学阶段这是一个很难实现定量研究的实验，笔者用几何画板开发一个虚拟的探究情景，界面如图2所示.

图2

这个情景可以帮助我们探究下面的一些问题，带电粒子经过电压U加速获得的速度v与加速电压、粒子荷质比间的关系；再经过电压U′偏转后偏转的位移y、偏转的角度tanθ与加速电压U、粒子荷质比、偏转电压U′、板长L、板间距离d等参量间的关系.

特别是下面两个结论可以很直观地观察到：一是加速并偏转后粒子的偏转距离与粒子荷质比无关；二是当粒子从电场飞出时，其速度的反向延长线与x轴的交点正好是Ox的中点，这一个结论对类平抛运动都是成立的.

开展基于“促进探究”的教学实践活动时要特别关注以下几点.

（1）关注物理探究情景的科学性.

探究情景具有科学性是最基本的要求，要改变“辅助教学”层次上“课件”更关注视觉效果的做法，转而关注学习者在学习过程中思维的深层次发展，只有这样，信息技术与课程整合的研究才能真正与新课程的改革要求相适应，让探究情景成为学习者思维活动展开的舞台.一旦设计者确定了一种模型关系，软件就可以在变化过程中始终保持这样的关系，并且以“图形”的方式表现相对应的内在联系，以内在的不变性体现变化过程背后的规律，这种有一定智能性表现的情景，正是实现探究性教学活动的最佳选择.

（2）设置物理探究情景的可探性.

设定物理探究情景进行探索性学习时，要让学生主动探索，教师从简单的知识传授者转变为学生活动的设计者、学习情景的设计师、学生学习过程中的导师和伙伴.学生在这一过程中一定会有一些问题和障碍，主动探索的结果更多的时候也许是片面的甚至是错误的，但我们不应只看重学生探索的结果，更应重视这一过程中出现的学习主动性、思维上表现的创造性和新颖性.

像“仿真实验室”软件提供与真实器件完全相同的虚拟实验仪器，像电流表、电压表、电阻箱、灯泡、电键、电铃、干电池、蓄电池等，还提供了一些设置物理情景时常用的构件，像带电粒子、斜面、长直木板、弹簧、连接细绳、磁场、电场、重力场等，使用时构建出的实验及问题情景视觉效果非常逼真，更重要的是根据实验的需要，可以设置运动对象的相关参数，比如质量、电荷量、速度等.

例如探究点电荷的场强分布特点，可以设置一个源点电荷放置在坐标原点.电荷量设置为0.003C，另设置一个试探电荷，电荷量设置为0.001C，实验环境设置成不考虑电荷间的库仑力，并用箭头显示库仑力矢量.当用鼠标拖动试探电荷在源电荷附近移动时就可以动态看到库仑力矢量的变化过程，也可以在源电荷周围不同距离的地方放置一组试探电荷，对比这些电荷的库仑力矢量就可以了解电场的分布，非常直观、形象，如图3所示.

（3）能够模拟科学探究的一般过程.

适合开发、促进探究活动开展的软件一般都具有强大的计算、绘图功能，以数形结合的方式来处理所采集的数据，建立起物理模型中的数学规律.一般用函数图像与所描绘的数据点进行“拟合”的过程本身就是一个科学探究规律的一种方式，这种“观察实验、抽象思维、数学处理”三者有机相结合的方法是物理学探究的基本方法.当然与物理新课程倡导的“科学探究”活动中的7个要素即“提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作”也是一脉相承的.

图3

3 构建信息化的学习环境

所谓信息化的学习环境要能够实现包括教师的教学设计、教学过程的实施、教学的过程性和终结性评价等，要能够记录学习过程中的思维轨迹，能够实现结果与过程相结合的评价，充分发挥网络在收集信息、分析信息、共享信息、反馈信息、评价信息上的独特优势，充分发挥学生在学习活动中的主观能动性.

这样的信息化学习环境，是对现有的传统的学习环境的一种系统更新，就像南京师范大学吴康宁教授在《信息技术“进入”教学的四种类型》一文中说的那样“目的在于形成一种全新教学时空，最大限度地联结学生的经验，最大限度地激发学生的兴趣，最大限度地挖掘学生的潜能，最大限度地引发学生的创造性，最大限度地促使学生去完整地感知尽可能完整的世界.”

笔者在进行高中物理中“单摆”这一教学活动时，开发了一个网络化的自主学习环境，所有的探究活动全部在这个网络化的课件内完成，课件的界面如图4.

图4

主要的栏目有自学导航、理想模型、受力分析、实验探究、数据处理、成果展示、在线测试、缤纷单摆、科学人物、你问我答.这些栏目设置时考虑了网络环境下的学习特点，分为3类.

（1）电子文档类：包括“自学导航”、“理想模型”、“受力分析”、“缤纷单摆”、“科学人物”.这些栏目中主要以文本为载体提供了丰富的资料，拓展了教材中的学习内容；另外文档中根据需要通过超链接的方式实现了课件内资源以及课件与互联网的贯通.

（2）信息共享类：包括“实验探究”、“数据处理”.这些栏目通过服务器实现强大的交互功能，实验方案的设计、实验数据的共享、处理好的实验结果的下载、上传等均在这些栏目中实现.

（3）学习评价类：包括“在线测试”、“你问我答”、“成果展示”.这些栏目实现了终结性评价和过程性评价的有机结合；“在线测试”的时间、题目数量、组合方式都可以根据需要设定，测试的结果也会同时反馈和共享；“成果展示”栏目中有教师预设的问题供学生选择，同时要求学生在完成学习任务后将自己的成果在此发布，让教师和学伴评价；“你问我答”栏目则实现了师生间、学伴间即时的信息互通，它是通过一个设置在课件内的聊天室实现的，这个聊天室只能为登陆了笔者的课件的学习者服务，因此交互的信息的指向性非常强，很好地发挥了聊天室的学习功能.

在“探究周期与摆长的关系”这一关键问题时，笔者把学生分成28个学习小组，每两个学生一组，由于课堂时间上的限制，每组学生不可能在课堂上测量很多组数据，要求每组至少测出一组周期与摆长的实验数据，这样可以有至少28组数据可供大家共享，这里网络共享的功能就得到了充分的发挥.要求学生将自己测出的摆长和周期的数据发布在课件中“数据处理”栏目中，如图5所示.每个实验小组从网络上收集其他学生的实验数据，并用从网络课件上下载一个“几何画板”处理这些数据.具体处理时的操作方法在如图6所示的界面中的“操作说明”；然后将处理好后的“几何画板”再上传到课件上的“成果展示”栏目中发布.

图5

图6

（2）调节界面上的参数更改点“n值调节”、“K值调节”，屏幕上的图像会发生同步改变，直到图像与描绘的数据点拟合地最好.

教师分析学生作品时突出蕴含在其中的物理科学方法，得出单摆的周期公式.下面是一个学生上传的作品，教师做如下的分析.

（4）界面中的Y点明显偏离了拟合的曲线，通过测量其坐标查找出了这组数据为（0.72，1.47），分析中应将该组实验数据剔除.