淺談信息技術(shù)與物理教學(xué)整合研究中的三個(gè)層次

韓建光

（常熟市教育局教科室，江蘇 常熟 215500）

信息技術(shù)與物理課程整合的研究伴隨著筆者的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)已經(jīng)有十多年的歷程，用當(dāng)下的思考來(lái)回顧這個(gè)歷程，筆者的整合研究形成了以下3個(gè)層次.

1 輔助教學(xué)

所謂“輔助教學(xué)”，就是在現(xiàn)有的課堂教學(xué)構(gòu)架中，把信息技術(shù)作為實(shí)施課堂教學(xué)的一種特殊手段，從而在縮放時(shí)空、模擬真實(shí)、提高興趣、增大容量等方面起到了傳統(tǒng)媒體無(wú)法實(shí)現(xiàn)的效果，這種技術(shù)延伸了教學(xué)的視野，通常教師們會(huì)運(yùn)用一些多媒體集成軟件將文本、圖片、聲音、視頻、動(dòng)畫(huà)等整合在一起形成所謂的“課件”.

筆者還探索了一種新的做法，那就是在課堂上現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)造物理問(wèn)題，這樣做的好處是可以充分展示問(wèn)題構(gòu)造的過(guò)程，使得學(xué)生親自感受到問(wèn)題構(gòu)造的科學(xué)性，揭開(kāi)課件制作的神秘面紗，從而激發(fā)學(xué)生參與構(gòu)造問(wèn)題的興趣.

例如，教學(xué)中有這樣一個(gè)問(wèn)題：真空中有一個(gè)半徑為r的圓柱形勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域，磁場(chǎng)方向垂直于紙面向里，Ox為過(guò)邊界上O點(diǎn)的切線，從O點(diǎn)在紙面內(nèi)向各個(gè)方向發(fā)射速率均為v0的電子（e、m），設(shè)電子間的相互作用力忽略，且電子在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)半徑也為r.問(wèn)所有從磁場(chǎng)邊界出射的電子，速度方向有何特征？

上述問(wèn)題是帶電粒子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)時(shí)經(jīng)常遇到的問(wèn)題，關(guān)鍵在于勾畫(huà)出粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌跡與磁場(chǎng)邊界間的幾何關(guān)系，用“幾何畫(huà)板”現(xiàn)場(chǎng)做如下的構(gòu)造，很快就能解決問(wèn)題.

（1）建立直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)設(shè)為O.

（2）在y軸上做一個(gè)點(diǎn)，設(shè)為O1.

（3）選擇O1O，做圓O1，作為磁場(chǎng)的邊界.

（4）選擇O O1，做圓O，電子做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的軌跡的圓心在該圓上.

（5）在做圓O上做點(diǎn)O2.

（6）選擇O2O，做圓O2，作為電子做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的軌跡.

（7）做圓O1圓O2的交點(diǎn)P，該點(diǎn)就是電子射出磁場(chǎng)時(shí)的點(diǎn)，此時(shí)速度設(shè)為v.

上述構(gòu)造過(guò)程的展示，實(shí)際上已經(jīng)將問(wèn)題的關(guān)鍵探討出來(lái)了，當(dāng)拖動(dòng)O2點(diǎn)，可以觀察所有從磁場(chǎng)邊界出射的電子，速度方向的特征，即速度始終與x軸平行，如圖1所示.

實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中要注意以下幾點(diǎn).

（1）提前熟悉問(wèn)題構(gòu)造時(shí)的物理模型，做到心中有數(shù)，避免教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)浪費(fèi)時(shí)間，甚至出現(xiàn)科學(xué)性的錯(cuò)誤.

（2）選擇那些構(gòu)造簡(jiǎn)單、物理背景明顯的問(wèn)題作為現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)造的素材，充分體現(xiàn)幾何畫(huà)板軟件的特點(diǎn).

（3）盡可能采用點(diǎn)、線、圓等簡(jiǎn)單的工具就可以完成的構(gòu)造問(wèn)題，避免用到復(fù)雜的技巧和計(jì)算.

2 促進(jìn)探究

所謂“促進(jìn)探究”，就是把計(jì)算機(jī)作為一種學(xué)習(xí)活動(dòng)中的認(rèn)知工具，它從挖掘?qū)W習(xí)者思維的深度實(shí)現(xiàn)非良構(gòu)知識(shí)的學(xué)習(xí)，它可以掌握在教師手中，更多的時(shí)候可以掌握在學(xué)生的手中.“計(jì)算機(jī)多媒體軟件以及交互性和超文本鏈接的能力顯示了它在科學(xué)教育中的巨大發(fā)展?jié)摿?在中學(xué)物理的學(xué)習(xí)中提倡智能型的軟件，學(xué)生輸入條件后按照科學(xué)規(guī)律自動(dòng)給出正確的情景……，這種教學(xué)軟件可以豐富學(xué)生對(duì)物理情景的感知認(rèn)識(shí)，深化對(duì)于科學(xué)規(guī)律的理解.對(duì)于中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室中不能完成的實(shí)驗(yàn)，這類(lèi)軟件的意義更為重要.”《物理課程標(biāo)準(zhǔn)解讀》就物理學(xué)科實(shí)現(xiàn)深層次探究性學(xué)習(xí)而言，像“幾何畫(huà)板”、“仿真實(shí)驗(yàn)室”、DIS（數(shù)字信息系統(tǒng)）等就是非常適合物理學(xué)科教學(xué)中應(yīng)用的智能型軟件.

例如，“帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)”是電場(chǎng)中的典型問(wèn)題，在中學(xué)階段這是一個(gè)很難實(shí)現(xiàn)定量研究的實(shí)驗(yàn)，筆者用幾何畫(huà)板開(kāi)發(fā)一個(gè)虛擬的探究情景，界面如圖2所示.

圖2

這個(gè)情景可以幫助我們探究下面的一些問(wèn)題，帶電粒子經(jīng)過(guò)電壓U加速獲得的速度v與加速電壓、粒子荷質(zhì)比間的關(guān)系；再經(jīng)過(guò)電壓U′偏轉(zhuǎn)后偏轉(zhuǎn)的位移y、偏轉(zhuǎn)的角度tanθ與加速電壓U、粒子荷質(zhì)比、偏轉(zhuǎn)電壓U′、板長(zhǎng)L、板間距離d等參量間的關(guān)系.

特別是下面兩個(gè)結(jié)論可以很直觀地觀察到：一是加速并偏轉(zhuǎn)后粒子的偏轉(zhuǎn)距離與粒子荷質(zhì)比無(wú)關(guān)；二是當(dāng)粒子從電場(chǎng)飛出時(shí)，其速度的反向延長(zhǎng)線與x軸的交點(diǎn)正好是Ox的中點(diǎn)，這一個(gè)結(jié)論對(duì)類(lèi)平拋運(yùn)動(dòng)都是成立的.

開(kāi)展基于“促進(jìn)探究”的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)時(shí)要特別關(guān)注以下幾點(diǎn).

（1）關(guān)注物理探究情景的科學(xué)性.

探究情景具有科學(xué)性是最基本的要求，要改變“輔助教學(xué)”層次上“課件”更關(guān)注視覺(jué)效果的做法，轉(zhuǎn)而關(guān)注學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過(guò)程中思維的深層次發(fā)展，只有這樣，信息技術(shù)與課程整合的研究才能真正與新課程的改革要求相適應(yīng)，讓探究情景成為學(xué)習(xí)者思維活動(dòng)展開(kāi)的舞臺(tái).一旦設(shè)計(jì)者確定了一種模型關(guān)系，軟件就可以在變化過(guò)程中始終保持這樣的關(guān)系，并且以“圖形”的方式表現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的內(nèi)在聯(lián)系，以?xún)?nèi)在的不變性體現(xiàn)變化過(guò)程背后的規(guī)律，這種有一定智能性表現(xiàn)的情景，正是實(shí)現(xiàn)探究性教學(xué)活動(dòng)的最佳選擇.

（2）設(shè)置物理探究情景的可探性.

設(shè)定物理探究情景進(jìn)行探索性學(xué)習(xí)時(shí)，要讓學(xué)生主動(dòng)探索，教師從簡(jiǎn)單的知識(shí)傳授者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生活動(dòng)的設(shè)計(jì)者、學(xué)習(xí)情景的設(shè)計(jì)師、學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的導(dǎo)師和伙伴.學(xué)生在這一過(guò)程中一定會(huì)有一些問(wèn)題和障礙，主動(dòng)探索的結(jié)果更多的時(shí)候也許是片面的甚至是錯(cuò)誤的，但我們不應(yīng)只看重學(xué)生探索的結(jié)果，更應(yīng)重視這一過(guò)程中出現(xiàn)的學(xué)習(xí)主動(dòng)性、思維上表現(xiàn)的創(chuàng)造性和新穎性.

像“仿真實(shí)驗(yàn)室”軟件提供與真實(shí)器件完全相同的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器，像電流表、電壓表、電阻箱、燈泡、電鍵、電鈴、干電池、蓄電池等，還提供了一些設(shè)置物理情景時(shí)常用的構(gòu)件，像帶電粒子、斜面、長(zhǎng)直木板、彈簧、連接細(xì)繩、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、重力場(chǎng)等，使用時(shí)構(gòu)建出的實(shí)驗(yàn)及問(wèn)題情景視覺(jué)效果非常逼真，更重要的是根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要，可以設(shè)置運(yùn)動(dòng)對(duì)象的相關(guān)參數(shù)，比如質(zhì)量、電荷量、速度等.

例如探究點(diǎn)電荷的場(chǎng)強(qiáng)分布特點(diǎn)，可以設(shè)置一個(gè)源點(diǎn)電荷放置在坐標(biāo)原點(diǎn).電荷量設(shè)置為0.003C，另設(shè)置一個(gè)試探電荷，電荷量設(shè)置為0.001C，實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置成不考慮電荷間的庫(kù)侖力，并用箭頭顯示庫(kù)侖力矢量.當(dāng)用鼠標(biāo)拖動(dòng)試探電荷在源電荷附近移動(dòng)時(shí)就可以動(dòng)態(tài)看到庫(kù)侖力矢量的變化過(guò)程，也可以在源電荷周?chē)煌嚯x的地方放置一組試探電荷，對(duì)比這些電荷的庫(kù)侖力矢量就可以了解電場(chǎng)的分布，非常直觀、形象，如圖3所示.

（3）能夠模擬科學(xué)探究的一般過(guò)程.

適合開(kāi)發(fā)、促進(jìn)探究活動(dòng)開(kāi)展的軟件一般都具有強(qiáng)大的計(jì)算、繪圖功能，以數(shù)形結(jié)合的方式來(lái)處理所采集的數(shù)據(jù)，建立起物理模型中的數(shù)學(xué)規(guī)律.一般用函數(shù)圖像與所描繪的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行“擬合”的過(guò)程本身就是一個(gè)科學(xué)探究規(guī)律的一種方式，這種“觀察實(shí)驗(yàn)、抽象思維、數(shù)學(xué)處理”三者有機(jī)相結(jié)合的方法是物理學(xué)探究的基本方法.當(dāng)然與物理新課程倡導(dǎo)的“科學(xué)探究”活動(dòng)中的7個(gè)要素即“提出問(wèn)題、猜想與假設(shè)、制定計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集證據(jù)、分析與論證、評(píng)估、交流與合作”也是一脈相承的.

圖3

3 構(gòu)建信息化的學(xué)習(xí)環(huán)境

所謂信息化的學(xué)習(xí)環(huán)境要能夠?qū)崿F(xiàn)包括教師的教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)過(guò)程的實(shí)施、教學(xué)的過(guò)程性和終結(jié)性評(píng)價(jià)等，要能夠記錄學(xué)習(xí)過(guò)程中的思維軌跡，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)果與過(guò)程相結(jié)合的評(píng)價(jià)，充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)在收集信息、分析信息、共享信息、反饋信息、評(píng)價(jià)信息上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，充分發(fā)揮學(xué)生在學(xué)習(xí)活動(dòng)中的主觀能動(dòng)性.

這樣的信息化學(xué)習(xí)環(huán)境，是對(duì)現(xiàn)有的傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)環(huán)境的一種系統(tǒng)更新，就像南京師范大學(xué)吳康寧教授在《信息技術(shù)“進(jìn)入”教學(xué)的四種類(lèi)型》一文中說(shuō)的那樣“目的在于形成一種全新教學(xué)時(shí)空，最大限度地聯(lián)結(jié)學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)，最大限度地激發(fā)學(xué)生的興趣，最大限度地挖掘?qū)W生的潛能，最大限度地引發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性，最大限度地促使學(xué)生去完整地感知盡可能完整的世界.”

筆者在進(jìn)行高中物理中“單擺”這一教學(xué)活動(dòng)時(shí)，開(kāi)發(fā)了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的自主學(xué)習(xí)環(huán)境，所有的探究活動(dòng)全部在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的課件內(nèi)完成，課件的界面如圖4.

圖4

主要的欄目有自學(xué)導(dǎo)航、理想模型、受力分析、實(shí)驗(yàn)探究、數(shù)據(jù)處理、成果展示、在線測(cè)試、繽紛單擺、科學(xué)人物、你問(wèn)我答.這些欄目設(shè)置時(shí)考慮了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，分為3類(lèi).

（1）電子文檔類(lèi)：包括“自學(xué)導(dǎo)航”、“理想模型”、“受力分析”、“繽紛單擺”、“科學(xué)人物”.這些欄目中主要以文本為載體提供了豐富的資料，拓展了教材中的學(xué)習(xí)內(nèi)容；另外文檔中根據(jù)需要通過(guò)超鏈接的方式實(shí)現(xiàn)了課件內(nèi)資源以及課件與互聯(lián)網(wǎng)的貫通.

（2）信息共享類(lèi)：包括“實(shí)驗(yàn)探究”、“數(shù)據(jù)處理”.這些欄目通過(guò)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的交互功能，實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的共享、處理好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的下載、上傳等均在這些欄目中實(shí)現(xiàn).

（3）學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)類(lèi)：包括“在線測(cè)試”、“你問(wèn)我答”、“成果展示”.這些欄目實(shí)現(xiàn)了終結(jié)性評(píng)價(jià)和過(guò)程性評(píng)價(jià)的有機(jī)結(jié)合；“在線測(cè)試”的時(shí)間、題目數(shù)量、組合方式都可以根據(jù)需要設(shè)定，測(cè)試的結(jié)果也會(huì)同時(shí)反饋和共享；“成果展示”欄目中有教師預(yù)設(shè)的問(wèn)題供學(xué)生選擇，同時(shí)要求學(xué)生在完成學(xué)習(xí)任務(wù)后將自己的成果在此發(fā)布，讓教師和學(xué)伴評(píng)價(jià)；“你問(wèn)我答”欄目則實(shí)現(xiàn)了師生間、學(xué)伴間即時(shí)的信息互通，它是通過(guò)一個(gè)設(shè)置在課件內(nèi)的聊天室實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)聊天室只能為登陸了筆者的課件的學(xué)習(xí)者服務(wù)，因此交互的信息的指向性非常強(qiáng)，很好地發(fā)揮了聊天室的學(xué)習(xí)功能.

在“探究周期與擺長(zhǎng)的關(guān)系”這一關(guān)鍵問(wèn)題時(shí)，筆者把學(xué)生分成28個(gè)學(xué)習(xí)小組，每?jī)蓚€(gè)學(xué)生一組，由于課堂時(shí)間上的限制，每組學(xué)生不可能在課堂上測(cè)量很多組數(shù)據(jù)，要求每組至少測(cè)出一組周期與擺長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這樣可以有至少28組數(shù)據(jù)可供大家共享，這里網(wǎng)絡(luò)共享的功能就得到了充分的發(fā)揮.要求學(xué)生將自己測(cè)出的擺長(zhǎng)和周期的數(shù)據(jù)發(fā)布在課件中“數(shù)據(jù)處理”欄目中，如圖5所示.每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組從網(wǎng)絡(luò)上收集其他學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并用從網(wǎng)絡(luò)課件上下載一個(gè)“幾何畫(huà)板”處理這些數(shù)據(jù).具體處理時(shí)的操作方法在如圖6所示的界面中的“操作說(shuō)明”；然后將處理好后的“幾何畫(huà)板”再上傳到課件上的“成果展示”欄目中發(fā)布.

圖5

圖6

（2）調(diào)節(jié)界面上的參數(shù)更改點(diǎn)“n值調(diào)節(jié)”、“K值調(diào)節(jié)”，屏幕上的圖像會(huì)發(fā)生同步改變，直到圖像與描繪的數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合地最好.

教師分析學(xué)生作品時(shí)突出蘊(yùn)含在其中的物理科學(xué)方法，得出單擺的周期公式.下面是一個(gè)學(xué)生上傳的作品，教師做如下的分析.

（4）界面中的Y點(diǎn)明顯偏離了擬合的曲線，通過(guò)測(cè)量其坐標(biāo)查找出了這組數(shù)據(jù)為（0.72，1.47），分析中應(yīng)將該組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)剔除.