淺談信息技術(shù)在物理探究式教學(xué)中的應(yīng)用

李明哲　張安

摘 要：沒有經(jīng)過深思熟慮就將信息技術(shù)運(yùn)用到教學(xué)中，不僅無法達(dá)到利用信息技術(shù)“促進(jìn)探究”的效果，還有可能削弱學(xué)生的觀察和實(shí)際操作能力。本文力圖通過分析“仿真物理實(shí)驗(yàn)”、“DIS實(shí)驗(yàn)”和“計(jì)算機(jī)輔助數(shù)據(jù)處理”三種典型的信息技術(shù)手段在物理探究教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)與不足，提出物理探究教學(xué)中應(yīng)用信息技術(shù)的決策模型，用以優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，提高教學(xué)的有效性。

關(guān)鍵詞：物理探究式教學(xué)；信息技術(shù)；仿真物理實(shí)驗(yàn)；DIS實(shí)驗(yàn)

1 引言

《基礎(chǔ)教育課程改革綱要（試行）》明確指出：課程改革要“大力推進(jìn)信息技術(shù)在教學(xué)過程中的普遍應(yīng)用，促進(jìn)信息技術(shù)與學(xué)科課程的整合”。近年來，信息技術(shù)與學(xué)科課程整合不斷發(fā)展，信息技術(shù)在教學(xué)中的作用已經(jīng)從“多媒體展示工具”向“認(rèn)知工具”的方向發(fā)展。特別是“幾何畫板”、“仿真物理實(shí)驗(yàn)室”、“DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”等智能型軟硬件的出現(xiàn)，在實(shí)時(shí)測(cè)量、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果等方面有了快速高效的手段。將信息技術(shù)合理應(yīng)用到物理探究教學(xué)中，可以起到明顯的“促進(jìn)探究”作用，深化學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的理解。但是，盲目地在物理探究教學(xué)中使用信息技術(shù)，不僅無法產(chǎn)生“促進(jìn)探究”的正效應(yīng)，還可能削弱學(xué)生的觀察和實(shí)際操作能力。因此，只有深入了解不同信息技術(shù)的特點(diǎn)，分析它們?cè)趯W(xué)習(xí)活動(dòng)中的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，才能有機(jī)地將信息技術(shù)與物理探究教學(xué)整合起來。

2 物理探究式教學(xué)中常見的三種信息技術(shù)比較

仿真物理實(shí)驗(yàn)室、DIS（數(shù)字化信系統(tǒng)）實(shí)驗(yàn)和Excel數(shù)據(jù)處理是三種典型且具有一定“智能型”的軟（硬）件系統(tǒng)，作為教學(xué)活動(dòng)中的認(rèn)知工具，它們?cè)谀壳暗奈锢韺?shí)驗(yàn)探究過程中被使用的頻率越來越高。這三種技術(shù)無論是從設(shè)計(jì)目的還是操作的易用性方面都有較大的差異，更重要的是它們與傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)手段之間存在著不同的互補(bǔ)性對(duì)比（見表1）。

3 物理探究式教學(xué)與信息技術(shù)整合決策模型

通過上述的比較分析發(fā)現(xiàn)，不同的信息技術(shù)手段或模式各有優(yōu)劣，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)代化的信息技術(shù)手段之間，并非取代和被取代的關(guān)系，而是互補(bǔ)的關(guān)系。在物理探究式教學(xué)過程恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用信息技術(shù)才能最大限度地發(fā)揮激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生參與熱情的功能。要實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，必須從教學(xué)設(shè)計(jì)入手，根據(jù)不同教學(xué)內(nèi)容整合最優(yōu)的信息技術(shù)。圖1為在探究式教學(xué)設(shè)計(jì)中應(yīng)用信息技術(shù)的決策流程圖，該過程根據(jù)不同信息技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的互補(bǔ)點(diǎn)提出三個(gè)判斷問題，并由此來決定選擇何種方式完成探究任務(wù)。

4 運(yùn)用決策模型的教學(xué)設(shè)計(jì)案例

案例一 ：探究帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的規(guī)律

“帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”是高中物理的重點(diǎn)模型，但是難以用傳統(tǒng)手段進(jìn)行定量研究，學(xué)生對(duì)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)只能停留在抽象數(shù)學(xué)模型中，而“仿真物理實(shí)驗(yàn)”則可以十分方便的模擬帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的情景。圖2為 “帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)”的模擬實(shí)驗(yàn)界面。

仿真物理實(shí)驗(yàn)室提供了豐富的參數(shù)設(shè)置和動(dòng)態(tài)顯示模式，模擬實(shí)驗(yàn)過程可以隨時(shí)暫停和終止。在“對(duì)象”中點(diǎn)擊右鍵即可進(jìn)行相關(guān)參數(shù)，如粒子的電荷量、質(zhì)量、初速度，電場(chǎng)的長度、寬度、場(chǎng)強(qiáng)等。這樣的模擬操作讓帶電粒子運(yùn)動(dòng)形象化，學(xué)生有了很直觀的體驗(yàn)，對(duì)進(jìn)一步理解和運(yùn)用帶電粒子在電場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)規(guī)律打下良好的基礎(chǔ)。

案例二：自感現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)探究

在自感現(xiàn)象的教學(xué)中，通常通過觀察電路中小燈泡亮度延遲（或閃亮）現(xiàn)象來反映電路中線圈的自感作用。實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯，可以很好的證明斷電自感現(xiàn)象的存在，無需借助模擬實(shí)驗(yàn)加以呈現(xiàn)。但是由于自感現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間很短，學(xué)生很難直觀感受通過小燈泡的電流如何隨時(shí)間變化，更無法觀察開關(guān)斷開后通過小燈泡的電流與原電流方向相反。

借助DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，只需在傳統(tǒng)原實(shí)驗(yàn)電路中接入電流（或電壓）傳感器。既保留了實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯的特點(diǎn)，又可以利用DIS的高頻采樣和實(shí)時(shí)記錄的功能，對(duì)短暫的電流變化過程進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄并通過數(shù)據(jù)繪圖（示波）功能將電流的變化直觀的呈現(xiàn)出來（如圖3）。同理，通電自感現(xiàn)象也參照此法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

在本課例中，DIS技術(shù)的介入彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在觀察暫態(tài)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)圖像化處理等方面的不足。中學(xué)教材中譬如“探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小的影響因素”、“碰撞中的動(dòng)量守恒”等內(nèi)容，均可運(yùn)用DIS實(shí)驗(yàn)對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)充和改進(jìn)，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的直觀性和可信度。

課例三：探究折射角與入射角的關(guān)系

探究折射角與入射角的定量關(guān)系是折射定律（斯涅耳定律）教學(xué)中不可缺少的環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)的重點(diǎn)是測(cè)量多組入射角i和折射角r，通過數(shù)據(jù)分析找出它們的定量關(guān)系。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)處理通常是利用列表方式進(jìn)行。但是，受學(xué)生計(jì)算效率和教學(xué)時(shí)間的限制，在課堂上很難讓學(xué)生測(cè)量多組數(shù)據(jù)，也無更多時(shí)間讓學(xué)生對(duì)i和r間的定量關(guān)系進(jìn)行猜測(cè)和測(cè)算。

根據(jù)第3點(diǎn)決策模型易發(fā)現(xiàn)利用Excel輔助進(jìn)行快速數(shù)據(jù)處理，是優(yōu)化本探究實(shí)驗(yàn)的合理方案。在Excel中建立數(shù)據(jù)記錄表，可以多設(shè)計(jì)幾種i和r的定量關(guān)系，并在相應(yīng)列中輸入相應(yīng)的計(jì)算公式。實(shí)驗(yàn)過程中直接將測(cè)量數(shù)據(jù)填入表格，立即得到計(jì)算結(jié)果，就可以分析哪一種猜測(cè)是合理的。采用這種方式后，數(shù)據(jù)處理的時(shí)間大大縮短，有利于學(xué)生開展更多的猜測(cè)和探究。此外，還可以利用Excel中繪制數(shù)據(jù)趨勢(shì)線（即擬合）功能，對(duì)不同的定量關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，直觀對(duì)比就可發(fā)現(xiàn)sini與sinr呈現(xiàn)出最佳的線性關(guān)系（如圖4）。

5 結(jié)語

探究式教學(xué)是學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的有效方式，信息技術(shù)在科學(xué)探究中的作用越來越大，將物理探究式教學(xué)與信息技術(shù)的整合既是豐富物理教學(xué)方式的渠道也是培養(yǎng)學(xué)生探究能力的有效途徑。對(duì)于探究中不可或缺的物理實(shí)驗(yàn)，在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段與信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，合理運(yùn)用物理探究式教學(xué)與信息技術(shù)整合的決策過程，才能讓信息技術(shù)最大程度的發(fā)揮“促進(jìn)探究”的作用，實(shí)實(shí)在在讓學(xué)生實(shí)際操作能力、觀察能力和思維能力得到發(fā)展。

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