挖掘技術(shù)應(yīng)用背后的創(chuàng)新價(jià)值

　　信息技術(shù)在理科學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用探索已經(jīng)經(jīng)歷了相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，但就技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值和創(chuàng)新價(jià)值而言，目前還沒(méi)有得到真正的體現(xiàn)。例如，雖然傳統(tǒng)教學(xué)媒體實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，但沒(méi)有真正解決學(xué)生認(rèn)知困難的問(wèn)題；信息技術(shù)中的互動(dòng)特性僅僅停留在提高媒體使用的靈活性上，并沒(méi)有真正切入課程設(shè)計(jì)和實(shí)施，沒(méi)有體現(xiàn)互動(dòng)的創(chuàng)新之處；傳感技術(shù)的應(yīng)用還停留在簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)獲取的淺層階段，談不上深入面向?qū)W生知識(shí)建構(gòu)的學(xué)習(xí)過(guò)程等等。面對(duì)這些狀況，我們不禁要問(wèn)：當(dāng)前教學(xué)質(zhì)量的提高與技術(shù)的應(yīng)用有多少關(guān)聯(lián)？技術(shù)的應(yīng)用如何促進(jìn)當(dāng)前的教學(xué)質(zhì)量？技術(shù)應(yīng)用可以給當(dāng)前的教學(xué)方式帶來(lái)怎樣的改良，甚至變革？圍繞著這些尚待深入探索的問(wèn)題，筆者以在物理學(xué)科教學(xué)中應(yīng)用信息技術(shù)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)探討技術(shù)應(yīng)用的方式和可能帶來(lái)的應(yīng)用效果。
　　物理是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)，其中大量的知識(shí)和技能都是建立在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，因此物理學(xué)科的教學(xué)過(guò)程幾乎是一個(gè)以實(shí)驗(yàn)為主要內(nèi)容的教學(xué)過(guò)程。針對(duì)這一特點(diǎn)，信息技術(shù)在物理學(xué)科教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用主要是實(shí)施在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中。目前常見(jiàn)的技術(shù)有多媒體技術(shù)、虛擬互動(dòng)技術(shù)、傳感技術(shù)、電子計(jì)算及繪圖技術(shù)、信息存儲(chǔ)及檢索技術(shù)等。
　　
　　一、多媒體技術(shù)：引起對(duì)教學(xué)多維內(nèi)容的關(guān)注
　　
　　多媒體技術(shù)的應(yīng)用實(shí)際上是給學(xué)生以多維的信息刺激，引起學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)信息的注意，進(jìn)而通過(guò)專門(mén)的活動(dòng)設(shè)計(jì)引導(dǎo)學(xué)生從接收到的信息中提取概念和建立概念之間的聯(lián)系，逐步完成認(rèn)知。這里最直接的一個(gè)作用就是引起學(xué)生對(duì)媒體內(nèi)容的關(guān)注。
　　
　　在物理教學(xué)中講授浮力的概念時(shí)，傳統(tǒng)的教學(xué)方案往往是研究物體在液體中受到的浮力跟物體浸入液體的體積的關(guān)系。公式F?。溅裧V排中，對(duì)重力加速度g的探究會(huì)因?qū)嶒?yàn)條件的約束而無(wú)法開(kāi)展，因此學(xué)生在理解浮力概念時(shí)往往只注意到液體的密度ρ和物體在液體中形成的V排，而忽略g的作用。針對(duì)這一狀況，如果能利用恰當(dāng)?shù)亩嗝襟w技術(shù)，向?qū)W生展示平常難以一見(jiàn)的浮力現(xiàn)象，凸顯重力加速度g的作用，引起學(xué)生對(duì)g的關(guān)注，有助于引導(dǎo)學(xué)生更深入理解浮力的形成及其相關(guān)因素的作用。如，利用來(lái)自NASA科研機(jī)構(gòu)在地球表面和太空實(shí)驗(yàn)站中做的實(shí)驗(yàn)對(duì)比錄像來(lái)展示不同重力加速度條件下浮力的不同表現(xiàn)。在液底通入氣體后，在地球表面的實(shí)驗(yàn)表明，氣泡在浮力的作用下快速上升（圖1）。在微重力環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出氣泡沒(méi)有快速上升，而是基本停留在原處，多個(gè)小氣泡不斷融合，最后靜止在液體的底部，并形成一個(gè)圓球體氣泡（圖2）。通過(guò)這段錄像，學(xué)生們不但可以看到通常環(huán)境下看不到的物理現(xiàn)象，而且可以清楚地領(lǐng)悟到重力加速度g在浮力形成中的作用，結(jié)合常規(guī)的實(shí)驗(yàn)探究，對(duì)浮力概念的理解將更加全面。
　　
　　二、虛擬互動(dòng)技術(shù)：引導(dǎo)解決復(fù)雜而現(xiàn)實(shí)的物理問(wèn)題
　　
　　當(dāng)進(jìn)行作為概念的引起、實(shí)驗(yàn)條件單一、開(kāi)展干擾因素不顯著的問(wèn)題探究時(shí)，用真實(shí)實(shí)驗(yàn)是恰當(dāng)?shù)摹５?dāng)引入復(fù)雜條件時(shí)，一般的真實(shí)實(shí)驗(yàn)會(huì)變得困難。虛擬互動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用促成了利用計(jì)算機(jī)實(shí)施虛擬實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的缺陷，
　　跟一般的演示軟件不同，虛擬實(shí)驗(yàn)軟件一是具有交互功能，學(xué)習(xí)者可以自由調(diào)整虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的控制參數(shù)，獲得不同的虛擬物理狀態(tài)和過(guò)程并從中進(jìn)入個(gè)性化的學(xué)習(xí)；二是面向課程教學(xué)，虛擬實(shí)驗(yàn)軟件提供的不是簡(jiǎn)單地再現(xiàn)某個(gè)物理過(guò)程，而是通過(guò)多種變量的調(diào)節(jié)來(lái)獲得不同的物理過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者對(duì)概念、規(guī)律等進(jìn)行更為深入的探究。利用虛擬實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)行互動(dòng)課程設(shè)計(jì)和實(shí)施就是利用虛擬互動(dòng)技術(shù)的具體表現(xiàn)。簡(jiǎn)言之，一般的展示型課件的作用主要是展示一個(gè)物理現(xiàn)象，虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的作用主要是引導(dǎo)理解和解決一個(gè)物理問(wèn)題。
　　在研究加速度概念時(shí)，加速度的大小和方向?qū)\(yùn)動(dòng)物體的影響是核心內(nèi)容。在一般實(shí)驗(yàn)中，更多的是從概念到概念。具體地說(shuō)，在初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)中，當(dāng)時(shí)間相等時(shí)，a1:a2=S1:S2。利用位移比（S1:S2）和外力比（F1:F2）的關(guān)系來(lái)研究加速度a和外力F的關(guān)系，或者利用位移比（S1:S2）和質(zhì)量比（m1:m2）的關(guān)系來(lái)研究加速度a和受力物體質(zhì)量m的關(guān)系。這樣的研究在實(shí)際情況當(dāng)中往往只能獲得一個(gè)定性的判斷：物體質(zhì)量不變時(shí)，物體的加速度跟物體所受外力成正比；當(dāng)物體受到一個(gè)恒力時(shí)，物體加速度跟物體自身質(zhì)量成反比。由于缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程物理量的精確測(cè)量，F(xiàn)、a、m之間的關(guān)系始終顯得抽象。利用虛擬實(shí)驗(yàn)做切入點(diǎn)，情況就完全不同了。（1）給小車(chē)添加質(zhì)量為M的物體，再為小車(chē)施加一個(gè)恒力，并設(shè)置小車(chē)的初速度為零，通過(guò)各種數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式（如數(shù)據(jù)列表、柱方圖、曲線圖等）來(lái)觀測(cè)小車(chē)的運(yùn)動(dòng)情況。（2）不改變小車(chē)所受的恒力和初速度為零的狀態(tài)，但給小車(chē)添加質(zhì)量為2M的物體，再次觀測(cè)小車(chē)的運(yùn)動(dòng)情況。（3）每次的虛擬實(shí)驗(yàn)都會(huì)有詳細(xì)的物理量數(shù)據(jù)記錄，包括時(shí)間、位移、速率、加速度大小，這些數(shù)據(jù)都可通過(guò)“導(dǎo)出”功能作獨(dú)立保存，以便作個(gè)性化的二次處理，進(jìn)行更多命題的探究。（4）對(duì)于初速度、加速度的方向的相互影響也能充分予以表現(xiàn)。圖3就反映了小車(chē)獲得的加速度方向與初速度方向相反的情形。通過(guò)這樣類(lèi)似的虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅對(duì)加速度的物理意義有了更為全面的了解，而且能夠通過(guò)不斷改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)來(lái)構(gòu)造真實(shí)物理問(wèn)題的原型，使課堂內(nèi)的探究更具現(xiàn)實(shí)意義。
　　
　　
　　三、傳感技術(shù)：從一般理解向綜合理解提升
　　
　　傳感技術(shù)實(shí)際上就是對(duì)人的感覺(jué)器官的功能拓展。就物理實(shí)驗(yàn)而言，各種敏感元件就是這種傳感技術(shù)的基礎(chǔ)。在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中善用敏感元件和設(shè)備是關(guān)鍵的。傳感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于能方便而精確地探測(cè)某物理量的值，并直接傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理。利用傳感技術(shù)實(shí)施實(shí)驗(yàn)課程，實(shí)驗(yàn)者可以更直接地關(guān)注實(shí)驗(yàn)原理、條件和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的關(guān)系，以及認(rèn)識(shí)干擾因素的具體作用等問(wèn)題，進(jìn)而促進(jìn)實(shí)驗(yàn)者對(duì)實(shí)驗(yàn)主題的認(rèn)知水平從了解和一般理解提升至綜合理解甚至自主建構(gòu)的層次，這樣課程目標(biāo)完成的效益將大大提高。
　　在研究導(dǎo)體電阻的伏安特性時(shí)，實(shí)驗(yàn)者可以連續(xù)調(diào)節(jié)通過(guò)某導(dǎo)體的電流的大小，利用電壓、電流傳感器把導(dǎo)體兩端的電壓和通過(guò)導(dǎo)體的電流數(shù)據(jù)即時(shí)傳送到計(jì)算機(jī)里，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和統(tǒng)計(jì)，并以數(shù)據(jù)列表和圖象的方式展示實(shí)驗(yàn)過(guò)程。其顯著特征為數(shù)據(jù)采集是實(shí)時(shí)且?guī)缀跏沁B續(xù)的，因而整個(gè)物理過(guò)程是客觀又精確的。圖4反映了利用電壓、電流傳感器把導(dǎo)體的電壓和電流數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)里，計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，圖中的“線性關(guān)系”顯著地說(shuō)明了導(dǎo)體兩端的電壓和通過(guò)導(dǎo)體的電流大小的比值是一個(gè)定值。圖5是利用傳感器得到的燈絲在不同亮度下阻值的變化情況，圖中曲線反映了導(dǎo)體電阻的大小變化跟導(dǎo)體的溫度變化有關(guān)。
　　
　　在物理實(shí)驗(yàn)中廣泛應(yīng)用的還有溫度、照度、力、距離、場(chǎng)強(qiáng)、聲等傳感器。這些傳感器的組合使用會(huì)大大豐富物理實(shí)驗(yàn)命題和拓展物理實(shí)驗(yàn)專題探究的范圍，也可以使物理實(shí)驗(yàn)探究更加切合實(shí)際，更為有趣。
　　
　　四、電子計(jì)算及繪圖技術(shù)：采集處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精細(xì)化、圖形化
　　
　　現(xiàn)代信息技術(shù)并非局限于數(shù)字化的媒體、計(jì)算機(jī)軟件和現(xiàn)代信息設(shè)備，一些現(xiàn)代信息處理技術(shù)同樣重要，如電子計(jì)算及繪圖技術(shù)。信息社會(huì)的一個(gè)顯著特征就是海量的數(shù)據(jù)和信息。人們要有效地處理數(shù)據(jù)并從中提煉各種有特定意義的信息就需要擁有先進(jìn)的數(shù)據(jù)信息處理技術(shù)。在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)給人們帶來(lái)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是某個(gè)物理過(guò)程的量化體現(xiàn)，其中包含著這個(gè)物理過(guò)程的一些原理。在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中采集的數(shù)據(jù)量越大，對(duì)物理過(guò)程的反映也越真實(shí)和精確。有了電子計(jì)算技術(shù)及繪圖技術(shù)，高效率的靈活的數(shù)據(jù)處理使人們對(duì)物理過(guò)程的探究更深入、廣泛、快捷、準(zhǔn)確。
　　
　　在研究燈絲不同亮度下阻值的變化時(shí)，常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)方法是利用電流表和電壓表分別測(cè)量某導(dǎo)體的電流和電壓，通過(guò)控制改變電路的電流而采集多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)手段效率低，一般采集的數(shù)據(jù)量不大，通常是三五個(gè)或十來(lái)個(gè)數(shù)據(jù)。如果能有效利用電子計(jì)算技術(shù)，采集的數(shù)據(jù)可以大大增加，更重要的是，數(shù)據(jù)之間的間隔可以做得更加精細(xì)。利用電子表格，實(shí)驗(yàn)者可以采集更多的數(shù)據(jù)，同時(shí)可以設(shè)立更多的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目，為實(shí)驗(yàn)者全面深入地了解燈絲電阻變化情況提供了充分的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。純粹的數(shù)據(jù)量值不能直觀地反映量值之間的關(guān)系，特別是數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)項(xiàng)目多的時(shí)候。利用繪圖技術(shù)，把各種數(shù)據(jù)關(guān)系圖形化，物理過(guò)程中各量值關(guān)系一目了然。圖6是對(duì)燈絲電阻大小的繪圖，可以直接觀測(cè)燈絲電阻在電壓電流的共同作用下發(fā)生著怎樣的變化。結(jié)合這兩個(gè)圖像，實(shí)驗(yàn)者可以清楚地看到燈絲電阻的變化如何反作用于通過(guò)燈絲電流的變化的。為了更細(xì)致地分析燈絲電阻變化的情況，增加數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目并利用圖像是更好的方法。圖7反映了燈絲兩端電壓和通過(guò)燈絲的電流的變化率，從中實(shí)驗(yàn)者可以更直觀地看到電壓、電流變化程度的不同階段，也就更容易解釋燈絲電阻的伏安曲線了。以同樣的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法，實(shí)驗(yàn)者可以更直接地考察燈絲電阻的變化率。從圖8中可以清晰地看到，燈絲電阻的變化不是穩(wěn)定的，這就給實(shí)驗(yàn)者一個(gè)新的思考：燈絲溫度的變化與燈絲電阻的變化有何關(guān)系？
　　
　　前面提到的虛擬實(shí)驗(yàn)和利用傳感器的實(shí)驗(yàn)都可以讓實(shí)驗(yàn)者輕松獲得大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)不同的觀測(cè)角度和內(nèi)容創(chuàng)設(shè)不同的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目，結(jié)合數(shù)據(jù)圖像，實(shí)驗(yàn)者可以對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象了解得更全面、更深入。
　　
　　五、信息管理技術(shù)：高效地提煉核心信息
　　
　　學(xué)習(xí)者對(duì)概念的認(rèn)知需要一個(gè)建構(gòu)的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)習(xí)者接觸到很多信息，這些信息之間存在著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，如何組織和檢索它們是學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)效率提升的關(guān)鍵，這也是知識(shí)管理的基礎(chǔ)。利用現(xiàn)代信息管理技術(shù)，學(xué)習(xí)者不但能大大拓展信息的收集和存儲(chǔ)，還能大大提升信息檢索的效率，更高效地從大量的初級(jí)信息中提煉出核心信息，從而最終建構(gòu)對(duì)概念的認(rèn)知。
　　信息管理技術(shù)中比較常用的分別是信息錄入及文檔編輯和保存、本地和網(wǎng)絡(luò)的信息搜索、目錄（文件夾）和文檔管理等。例如，在學(xué)習(xí)紅外線的概念時(shí)，可以收集并存儲(chǔ)與紅外線有關(guān)的信息：電磁波、波長(zhǎng)、頻率、短波紅外線、遠(yuǎn)紅外線、紅外線的影像觀測(cè)、紅外線的醫(yī)療應(yīng)用、紅外線和通訊、紅外線和偵測(cè)技術(shù)等。配合其他一些學(xué)習(xí)工具，學(xué)習(xí)者可以對(duì)這些信息通過(guò)檢索、歸類(lèi)、重組等手段建立信息之間的關(guān)聯(lián)，最終達(dá)到概念的認(rèn)知，形成“紅外線及其應(yīng)用的知識(shí)”。
　　綜上所述，技術(shù)要融合到現(xiàn)階段的教學(xué)中必須重視以下幾個(gè)方面：
　　1.技術(shù)的融入要體現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。
　　2.技術(shù)的融入要課程化，要有適當(dāng)?shù)恼n程切入點(diǎn)。
　　3.技術(shù)融入的手段要隨具體課程需求而靈活組合。
　　4.技術(shù)融入要配合課程設(shè)計(jì)思想，支持教學(xué)策略的實(shí)施。
　　5.技術(shù)融入要面向教師、學(xué)生、資源三方的教和學(xué)的活動(dòng)。
　　當(dāng)新的環(huán)境、新的技術(shù)不斷出現(xiàn)時(shí)，我想，我們應(yīng)該學(xué)會(huì)主動(dòng)改變自己，深入挖掘技術(shù)應(yīng)用背后的創(chuàng)新價(jià)值。
　　
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