浅谈信息技术在物理探究式教学中的应用

李明哲　张安

摘 要：没有经过深思熟虑就将信息技术运用到教学中，不仅无法达到利用信息技术“促进探究”的效果，还有可能削弱学生的观察和实际操作能力。本文力图通过分析“仿真物理实验”、“DIS实验”和“计算机辅助数据处理”三种典型的信息技术手段在物理探究教学中的优势与不足，提出物理探究教学中应用信息技术的决策模型，用以优化教学设计，提高教学的有效性。

关键词：物理探究式教学；信息技术；仿真物理实验；DIS实验

1 引言

《基础教育课程改革纲要（试行）》明确指出：课程改革要“大力推进信息技术在教学过程中的普遍应用，促进信息技术与学科课程的整合”。近年来，信息技术与学科课程整合不断发展，信息技术在教学中的作用已经从“多媒体展示工具”向“认知工具”的方向发展。特别是“几何画板”、“仿真物理实验室”、“DIS实验系统”等智能型软硬件的出现，在实时测量、处理实验数据、分析实验结果等方面有了快速高效的手段。将信息技术合理应用到物理探究教学中，可以起到明显的“促进探究”作用，深化学生对物理规律的理解。但是，盲目地在物理探究教学中使用信息技术，不仅无法产生“促进探究”的正效应，还可能削弱学生的观察和实际操作能力。因此，只有深入了解不同信息技术的特点，分析它们在学习活动中的优势与劣势，才能有机地将信息技术与物理探究教学整合起来。

2 物理探究式教学中常见的三种信息技术比较

仿真物理实验室、DIS（数字化信系统）实验和Excel数据处理是三种典型且具有一定“智能型”的软（硬）件系统，作为教学活动中的认知工具，它们在目前的物理实验探究过程中被使用的频率越来越高。这三种技术无论是从设计目的还是操作的易用性方面都有较大的差异，更重要的是它们与传统物理实验手段之间存在着不同的互补性对比（见表1）。

3 物理探究式教学与信息技术整合决策模型

通过上述的比较分析发现，不同的信息技术手段或模式各有优劣，在传统实验与现代化的信息技术手段之间，并非取代和被取代的关系，而是互补的关系。在物理探究式教学过程恰当地运用信息技术才能最大限度地发挥激发学生学习兴趣、提高学生参与热情的功能。要实现这样的目标，必须从教学设计入手，根据不同教学内容整合最优的信息技术。图1为在探究式教学设计中应用信息技术的决策流程图，该过程根据不同信息技术与传统实验的互补点提出三个判断问题，并由此来决定选择何种方式完成探究任务。

4 运用决策模型的教学设计案例

案例一 ：探究带电粒子在匀强电场中偏转的规律

“带电粒子在电场中的运动”是高中物理的重点模型，但是难以用传统手段进行定量研究，学生对带电粒子的运动只能停留在抽象数学模型中，而“仿真物理实验”则可以十分方便的模拟带电粒子在匀强电场中运动的情景。图2为 “带电粒子在匀强电场中运动”的模拟实验界面。

仿真物理实验室提供了丰富的参数设置和动态显示模式，模拟实验过程可以随时暂停和终止。在“对象”中点击右键即可进行相关参数，如粒子的电荷量、质量、初速度，电场的长度、宽度、场强等。这样的模拟操作让带电粒子运动形象化，学生有了很直观的体验，对进一步理解和运用带电粒子在电场的偏转规律打下良好的基础。

案例二：自感现象的实验探究

在自感现象的教学中，通常通过观察电路中小灯泡亮度延迟（或闪亮）现象来反映电路中线圈的自感作用。实验操作简单、现象明显，可以很好的证明断电自感现象的存在，无需借助模拟实验加以呈现。但是由于自感现象持续时间很短，学生很难直观感受通过小灯泡的电流如何随时间变化，更无法观察开关断开后通过小灯泡的电流与原电流方向相反。

借助DIS实验系统，只需在传统原实验电路中接入电流（或电压）传感器。既保留了实验操作简单、现象明显的特点，又可以利用DIS的高频采样和实时记录的功能，对短暂的电流变化过程进行数据记录并通过数据绘图（示波）功能将电流的变化直观的呈现出来（如图3）。同理，通电自感现象也参照此法进行实验研究。

在本课例中，DIS技术的介入弥补了传统实验在观察暂态现象和数据图像化处理等方面的不足。中学教材中譬如“探究感应电动势大小的影响因素”、“碰撞中的动量守恒”等内容，均可运用DIS实验对传统实验进行恰当的补充和改进，增强实验的直观性和可信度。

课例三：探究折射角与入射角的关系

探究折射角与入射角的定量关系是折射定律（斯涅耳定律）教学中不可缺少的环节，此环节的重点是测量多组入射角i和折射角r，通过数据分析找出它们的定量关系。传统实验中，数据处理通常是利用列表方式进行。但是，受学生计算效率和教学时间的限制，在课堂上很难让学生测量多组数据，也无更多时间让学生对i和r间的定量关系进行猜测和测算。

根据第3点决策模型易发现利用Excel辅助进行快速数据处理，是优化本探究实验的合理方案。在Excel中建立数据记录表，可以多设计几种i和r的定量关系，并在相应列中输入相应的计算公式。实验过程中直接将测量数据填入表格，立即得到计算结果，就可以分析哪一种猜测是合理的。采用这种方式后，数据处理的时间大大缩短，有利于学生开展更多的猜测和探究。此外，还可以利用Excel中绘制数据趋势线（即拟合）功能，对不同的定量关系进行数据拟合，直观对比就可发现sini与sinr呈现出最佳的线性关系（如图4）。

5 结语

探究式教学是学生体验科学探究的有效方式，信息技术在科学探究中的作用越来越大，将物理探究式教学与信息技术的整合既是丰富物理教学方式的渠道也是培养学生探究能力的有效途径。对于探究中不可或缺的物理实验，在教学设计时充分考虑到传统实验手段与信息技术的优势互补，合理运用物理探究式教学与信息技术整合的决策过程，才能让信息技术最大程度的发挥“促进探究”的作用，实实在在让学生实际操作能力、观察能力和思维能力得到发展。

参考文献：

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