信息技术与高中物理实验教学整合效果实践研究＊——以整合“高二物理实验”为例

陈卫国 汤 捷

（北京师范大学贵阳附属中学 贵州 贵阳 550023）

1 问题的提出

新课标、新教材赋予实验教学新的内容和要求.高中物理课程标准明确要求：从课程目标的三个维度来设计实验教学过程［1］.

2 问卷调查和前测统计

2.1 调查目的

就学生对信息技术的了解、传统的实验教学方法和信息技术与实验教学整合的实验教学方法设计调查问卷.前测统计主要是鉴别选取的对象是否存在显著性差异.

2.2 选取对象

在湖南省示范性高中（株洲县第五中学）选取高二一个班为实验班（命名1班），相应选取另一个班为控制班（命名2班），进行信息技术与高二实验教学整合模式实践对比研究.

2.3 前测成绩统计及分析

高二以其高一学年结束期终成绩作为前测成绩.统计结果见表1.

对株洲县第五中学高二（1）、（2）班学生的前测平均成绩采用SPSS［1］独立样本t检验.t检验结果显示：经双侧t检验，P值为0.723，表明高二（1）、（2）两个班的平均值差异方面没有明显的差异.可以选择上述班级进行信息技术与实验教学整合教学实践.

表1 学生前测成绩均值的差异一览表

3 实验研究

3.1 实验目的及假设

本实验目的在于检验：信息技术与实验教学整合教学模式是否能有效提高高二学生物理实验水平，是否是高效学习物理的一种有效形式.

本实验的基本假设是：结合一定的物理情境，采用信息技术与实验教学整合教学模式教学可以提高学生物理实验水平和应用信息技术的能力.

结果主要通过学习成绩来体现，同时辅以收集任课教师的反馈意见.

3.2 实验对象

对上述选取对象进行分析，我们得出同一个学校的实验班和对照班学生的前测成绩没有显著性差异.故而取选取对象为实验对象.

3.3 实验设计

实验采取单因素前后测设计实验法，自变量为信息技术与实验教学整合教学模式，因变量为学生物理实验能力和水平的提高，最终反映在学生物理实验水平的提高上，主要通过后测即高二学年结束（2012年6月）物理实验成绩来体现.

3.4 实验实施的教学内容

实验进行一个学年（2011年9月 ～2012年6月），教材采用人教版高中《物理》教材［3］.

3.5 实验方法

实验班教师以信息技术与实验教学整合思想指导实验教学实践，在实验班采用了信息技术与实验教学整合模式进行教学，对照班采用传统实验教学模式.

教学实验进行前，初步拟定了实施方案，然后向合作的物理教师介绍了此次实验的目的、方法，为了让参与合作的教师能在教学中更好地对我们的实验进行实施，在听取他们建议的基础上根据各个实际情况对方案做了相应的变动.但实验班的大部分教案由笔者与任课教师协商确定.

实验结束后，笔者收集考试成绩并进行结果统计，对此次实验教学作分析研究，总结此次实践研究的得失.

教学案例：“电容器充放电”传统实验与数字实验的整合

问题：传感器整合定性实验，定量探究电容器充、放电过程（放电电流与时间关系）.

教师活动：苏威尔数字化实验系统测绘电容器在2V，4V，6V电压下的充、放电曲线.

演示：连接电路，电流传感器、电压传感器与smart数据采集器连接，数据采集器与电脑连接，如图1所示.进入苏威尔DIS软件，打开实验模板“电容器的充放电”进行实验.

图1 测绘电容器充放电的实验系统

（1）打开活页夹，设置“I－t”关系及其他设置，点击“开始”，闭合开关至“1”充电.

（2）在电压稳定后将开关转至“2”，观察放电现象，实验图像如图2.

图2 放电电流图像

学生活动：

（1）观察演示实验现象（充、放电时小灯泡的亮、暗情况和电脑屏上得到的图像形状，与自己猜想比较）.

（2）思考电流 －时间轴所围面积的物理意义.

（3）电容器带电荷量Q与极板电压U的关系.

实验结论：

（1）电容器是储存电荷的装置.电容器在充、放电的过程中，伴随能量的转化.电容器的电压增大，极板带的电荷量增多，但是电荷量与电容器两极板间的电压比值不变.

在整合实验中，我们不改变原来传统实验的基本结构，同时引入DISLab系统，在原来的电路中加装电流和电压传感器通过数据采集器与计算机系统连接.这样，既能保证从灯的亮暗变化上直观感知电容器的充、放电情况，又能及时获取详尽、准确的电流、电压数据并生成图像.通过对比图像，一方面较好地体现了结果的直观性，同时也克服了主观判断的不准确性，另一方面用数据说话也是科学探究的基本原则.

3.6 实验程序

前测：以高二学期结束期终的成绩作为前测成绩.

后测：以2012年5月底进行的株洲市第四次模考成绩作为后测成绩.

4 统计结果及分析

经过一个学年的教学实践，在2012年6月取得各实验班的后测成绩，使用SPSS19对数据进行统计，统计分析如下.

4.1 实验班与控制班物理测验成绩的均值差异比较（采用独立样本t检验）

高二（1）、（2）班成绩统计结果，见表2和表3.

表2 组统计量

表3 独立样本检验

统计结果显示：高二（1）班的成绩平均60.28分，高二（2）班的成绩54.70分 .

高二实验班与控制班后测成绩经SPSS独立样本双侧t检验，结果显示：P＝0.042，小于0.05，说明在0.05的水平上差异显著.表明实验班和对照班成绩均值差异显著.

4.2 实验班与控制班物理测验成绩的前后测配对样本检测比较（采用配对样本t检验）

高二配对样本t检验见表4.

表4 成对样本检验

统计结果显示：配对样本t的双侧检验得：P1＝0.000，P2＝0.071，其中实验班的结果为0.000远小于0.05，即实验班前、后测成绩差异性极其显著，整体效果非常明显；控制班的为0.071大于0.05，说明仅仅依靠传统实验教学模式，前、后测差异性没有那么显著.

4.3 不同水平的学生教学效果分析（采用配对样本t检验）

从上面独立样本t检验发现：信息技术与高二物理实验教学整合教学模式对不同层次学生整体上较传统实验教学模式显现出更高效益.为更具体研究信息技术与物理实验教学整合教学模式对一个班中不同层次学生的效果，我们现将实验班和控制班被试按高、中、低分组，进行高、中、低分组实验前后差异比较.（高、中、低分组划分标准：按成绩降序排列，取成绩前20%学生为高分组，后27%为低分组，其余中分组）

高二（1）、（2）班高、中、低分组的成绩统计结果见表5.

统计结果显示：配对样本t的双侧检验，在实验班（1）中高、中、低分组分别为P1＝0.557＞0.05，P3＝0.000＜0.05，P5＝0.003＜0.05，即信息技术与物理实验教学整合教学模式在实验班中，高分组学生无显著差异，但对中、低分组显示出显著性差异.控制班（2）中高、中、低分组分别为P2＝0.693＞0.05，P4＝0.330＞0.05，P6＝0.075＞0.05，即控制班中高、中、低分组在0.05的水平上没有显著性差异.

5 研究结论

从统计结果和t检验结果，可以得出这样一些结论.

（1）信息技术与物理实验教学整合教学模式是与物理新课程标准匹配、适应学生接受能力的一种有效、高效的实验教学模式［4］.大部分高中物理传统实验是定性与半定量的，数据由人眼观察与手工记录，无法及时采集任意数据，实验结果是相对离散或者定性的.而DISLab系统通过与计算机连接的传感器实时采集数据，记录数据，实现时间上细微过程的数据自动记录，记录具有时间连续性，实现了瞬间变化“可视化”.它的实时性、高精度和强大的数据处理能力，正可以弥补传统实验的缺憾.因此，它能够激发广大学生对物理实验学习的兴趣，提高学生的物理素质.并且，它与新课程标准倡导的发动学生探究、建构的精神是内在统一的.

表5 成对样本检验

（2）从高二实践结果看，就整体教学效果而言，实验班成绩均值比控制班高.同时，就实验班与控制班物理测验成绩前、后测配对样本t检验，显示实验班前、后测成绩差异性极其显著，整体效果非常明显；而控制班仅依靠传统实验教学模式，前、后测差异性没有那么显著.进一步对不同水平学生教学效果分析（采用配对样本t检验）显示实验班（1）中，高分组学生无显著差异，但对中、低分组显示出显著性差异.控制班（2）中高、中、低分组在0.05水平上没有显著性差异.

虽然高分组学生在掌握知识水平上两种实验教学设计无显著差异，但调查访谈发现其信息获取能力上明显高于传统教学设计.对低学业水平学生，先前知识不足，自身表征系统简单、系统性差，自我监控能力弱.由于计算机认知工具模式多方面提供表征，加强了自我监控，因此在掌握知识的水平和信息获取能力上表现均显著优于传统教学设计中低学业水平学生.此外，通过对学生访谈得知，信息技术与物理实验进行整合的教学设计下，学生对教学内容兴趣浓厚，希望以后教学多采用这种形式.通过平时教学观察发现学生使用信息工具筛选信息能力增强了.

信息技术与实验教学整合教学模式能够优化教学结构，提高课堂教学效率与效果，对中、低学业水平学生，实验班明显优于控制班，且对低学业水平学生差异更加显著.能够解决在传统教学环境下不能解决的问题.可以改变实验条件进行模拟实验设计，也可以同时进行连续不同实验条件下模拟实验现象的对比，多方位观察实验现象，易于得出和深刻体会实验结论.

信息技术与实验教学整合教学模式，可以帮助学生对所学内容感兴趣，激发学生研究问题的欲望，变被动接受知识为主动学习，在主动参与的过程中，逐步提高探究问题的能力.可以充分利用网上资源，提高学生获取信息的能力，培养学生的信息素养.可以对学生进行因材施教，在教学与评价过程的结合中，自主地进行自我认识、自我调整.

总的来讲，这次信息技术与高二实验教学整合教学模式实践，虽然不一定能完全准确反映高二学生知识水平方面还是迁移能力方面提高的实际情况，但一定程度上可以说明，采用该教学模式不仅有利于学生对基础知识的掌握，提高学生实验思维能力，提高实验教学效率，而且能培养学生学习兴趣，使其形成良好的情感态度与价值观，同时也说明信息技术与实验教学整合教学模式是实践上可行的、可操作的教学模式.总之，这次在高二进行的信息技术与实验教学整合的教学模式实践是比较成功的.

1 中华人民共和国教育部.物理课程标准.北京：人民教育出版社，2004

2 杨晓明.SPSS在教育统计中的应用.北京：高等教育出版社，2004.109～115

3 人民教育出版社课程教材研究所.物理·选修3－1.北京：人民教育出版社，2010.6

4 Figuring Physics.THE PHYSICS TEACHER.Vo1.37.Feb.1999：22