運用信息技術解決物理問題的實踐研究
——以高中基礎物理教學為例

□ 海南省文昌市文昌中學 林豐

一、問題提出

1.中學生利用信息技術解決物理問題的現(xiàn)狀分析。

本研究的實驗對象為高一年級兩個平行班的學生，分別為高一（5）班和高一（10）班，其中高一（5）班的人數(shù)為47人，高一（10）班的人數(shù)為50人。從圖1、2、3、4分析結果可知，學生用來游戲娛樂、看新聞資訊和通訊的占比均較大，利用計算機來學習的比例均最少，從側面反映出學生在學習、科學探究等方面缺乏對計算機運用的經(jīng)驗。

圖1調查問卷第1題

圖2調查問卷第2題

圖3調查問卷第3題

圖4調查問卷第4題

圖5調查問卷第5題

圖6調查問卷第6題

從圖5、6結果分析可知，學生在解決物理問題的過程中，使用公式理論推導和實物實驗的方法占比最多，大部分同學幾乎沒使用過計算的方法解決物理問題。從圖7數(shù)據(jù)分析結果發(fā)現(xiàn)，在實際的物理教學中，現(xiàn)階段的教學方式對激發(fā)學生學習物理興趣的效果并不理想。

圖7調查問卷第9題

圖8調查問卷第8題

從圖8、9數(shù)據(jù)分析結果得知，多數(shù)學生認為計算機還是一種功能強大的科學探究工具，在科學探究的運用上還是具有重大價值的。從圖10數(shù)據(jù)分析結果得知，超半數(shù)的同學認為教師在課堂中應該講授利用計算思維去解決物理問題的方法。

圖9調查問卷第7題

圖10調查問卷第10題

2.核心問題的提出。

從以上中學生利用信息技術解決物理問題現(xiàn)狀分析結果看來,本課題的核心問題為：在本課題中的研究對象缺乏利用計算手段解決物理問題的經(jīng)驗，計算物理的知識水平較低，知識技能處于初級階段甚至是完全空白，以計算的科學方法進行物理探究的能力不足，不能自主地運用信息技術解決物理問題，沒有樹立計算物理思維的意識。

3.研究的內(nèi)容。

本課題目標希望設計整合信息技術的探究式教學模式，通過教師在實施整合信息技術的物理教學活動中，把計算物理的方法和理念灌輸給學生，最終達到提高學生的科學信息素養(yǎng)。

4.研究的方法。

（1）對照組實驗法。設置對照組和實驗組，進行教學實驗，從而分析新教學模式的教學應用效果。

（2）調查問卷法。通過調查問卷分析學生對利用信息技術解決物理問題的認識和態(tài)度以及分析新教學模式的教學效果。

二、相關概念界定和理論基礎

1.概念的界定。

信息技術概念有廣義和狹義之分。廣義“信息技術”泛指所有處理和應用信息的技術，狹義“信息技術”特指基于計算機的信息技術。［1］本課題所研究的信息技術屬于狹義范圍的信息技術。

2.相關理論基礎。

（1）建構主義學習理論。建構主義學習理論強調學習需要在一定情境下進行的，學習不能是被動的，而是個體對知識體系完成主動建構的過程，是個體與客觀環(huán)境相互作用，建構認知的過程。［2］

（2）人本主義學習理論。人本主義學習理論認為認為教師是學生學習過程中的促進者和合作者，學生為學習的主體，以學生為主，讓學生主動經(jīng)歷探究知識的過程。［3］

（3）數(shù)據(jù)探究式教學理論。數(shù)據(jù)探究式教學理論強調在數(shù)據(jù)探究過程中對計算機的使用，所謂數(shù)據(jù)探究，即學生在數(shù)據(jù)環(huán)境下，依賴于計算機多媒體技術及網(wǎng)絡技術展開的一種科學探究活動［4］。

三、信息化探究式教學模式構建

1.信息化探究式教學模式。

筆者依據(jù)建構主義學習理論、人本主義學習理論、數(shù)據(jù)探究理論和探究式教學模式，設計了信息環(huán)境下的探究式教學模式，其具體流程結構如圖11所示：

圖11信息環(huán)境下的探究式教學模式

對信息化探究式教學模式的結構分析：

（1）創(chuàng)設問題情境。有問題才有求知的欲望，問題來源于一定的情境背景中，創(chuàng)設物理情境應該內(nèi)容簡潔而突出主旨，同時要有一定的科學性和符合實際情況，不能憑空臆想，偏離實際捏造物理情境。

（2）發(fā)現(xiàn)和表述問題。準確的發(fā)掘和表述的問題，是整個探究學習的前提和基礎，只有正確的認識到研究問題的相關內(nèi)容，才能選用合適的探究工具制定合理的解決方案。

（3）猜想與假設。學生對問題提出假設或猜想，本質是學生參與思考問題過程后所得到的一個預判結果，這說明了學生在學習過程中能夠主動地去以現(xiàn)有的知識和情感態(tài)度為支撐點來進行理性思維的活動。

（4）開發(fā)與引用相關專業(yè)整合探究工具。采用的策略：①根據(jù)教學內(nèi)容，創(chuàng)造性去開發(fā)軟件；②根據(jù)教學內(nèi)容，引用別人已有的相關整合案例，依據(jù)所研究的問題進行整合再創(chuàng)造，最終轉化成符合實際的整合案例。

（5）選擇數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)挖掘。在探究過程中，面對著大量的數(shù)據(jù)時，我們要善于去發(fā)現(xiàn)和選擇有用的數(shù)據(jù)，剔除錯誤的數(shù)據(jù)。確定好有用的數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)挖掘，將數(shù)據(jù)信息轉化成有價值的知識。

（6）總結結論。學生經(jīng)過數(shù)據(jù)探究，得到相關結論，在全班以小組形式進行報告總結，對研究的成果進行展示，同時匯報研究過程中選用的方法、工具以及制定的詳細方案。

（7）評價與交流。各小組之間要相互評價成果的正確性，判定各小組所制定的方案和選用的工具方法的科學性和易操作程度。教師匯報情況進行全面的、系統(tǒng)的總結，讓學生形成系統(tǒng)的知識網(wǎng)絡。

（8）應用與拓展。教師要創(chuàng)設應用環(huán)境，讓學生運用新的知識解決其他的物理現(xiàn)象，拓展新知識的運用，鞏固所掌握的新知識。

2.信息化教學模式的教學策略。

（1）問題干涉、引導的教學策略。發(fā)現(xiàn)和準確地表述問題在整個探究過程中起到承上啟下的作用，教師在信息化探究教學過程中，積極采用問題引導策略，有效提高課堂效率，幫助學生更準確地明確所要探究的問題。

（2）必須進行整合信息技術的教學策略。信息化探究式教學的最突出也是最重要的的特點就是在教學中進行信息技術的整合，缺少信息技術整合的探究式教學不能視為有效地信息化探究式教學。

（3）任務驅動教學策略。任務驅動教學模式，強調在以學習者為主體的大環(huán)境下，通過發(fā)布任務，以完成任務激勵和維持學習者的興趣和動機［5］。

（4）構建物理模型的教學策略。物理模型可視為對實際物理問題的研究對象一種抽象、理想化模型，是對客觀事物的一種近似，抽象性與形象性的辯證統(tǒng)一［6］。構建物理模型更夠加深學生對物理過程和現(xiàn)象的理解，同時使得物理過程和現(xiàn)象更突出和具體化。

（5）注重數(shù)據(jù)探究的教學策略。在信息化的探究式學習中，數(shù)據(jù)探究本質就是學生在面對實際物理問題中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行選擇和數(shù)據(jù)挖掘的過程，從而獲得有價值的規(guī)律結論和掌握基于計算思維的科學研究方法。

四、信息化探究式教學案例

下表列出了在實際教學中已經(jīng)實施的教學案，并對其中一個較為成功的教學案例舉例。

表1整合信息技術的教學案例統(tǒng)計

1.學生探究方案舉例：滑動變阻器的接法和阻值選擇。

（2）滑動變阻器選擇限流式接法時，干路的電阻，R≠=（1-k）Rx+Ro通過干路的電流到如圖15、16、17所示的觸頭所在位置百分比與通過待測電阻的電流I的圖像。對比三圖可得到，當滑動變阻器的阻值和待測電阻較為接近時，調節(jié)效果最好；當滑動變阻器的阻值比待測電阻的阻值遠大或者遠小時，調節(jié)效果最差。

圖12數(shù)據(jù)處理

圖13數(shù)據(jù)處理

圖14數(shù)據(jù)處理

圖15數(shù)據(jù)處理

圖16數(shù)據(jù)處理

圖17數(shù)據(jù)處理

五、信息化探究式教學模式在高中物理教學中應用效果分析

1.教學實驗的設計。

本次選用了高中一年級的5班和10班，兩個班均為平行班，把5班設為對照班，在教學實驗中對5班在實際的物理教學中采用傳統(tǒng)的教學方法。10班設定為實驗班，在進行常規(guī)教學時，也同時實施信息化的探究式教學模式。

2.新教學模式對學生的知識技能的影響。

從圖18數(shù)據(jù)分析結果可知，說明新教學模式的確讓學生掌握一定計算物理的方法，教學效果較為明顯，教學目的基本達標，但是要讓多數(shù)學生達到精通的程度，仍然需要進行更長時間、更深層次的教學整合。從圖19、20數(shù)據(jù)分析結果得知，在利用計算機解決物理問題后，新的教學模式讓學生更好的掌握了相關的物理知識規(guī)律，有一定的有效的教學效果。

圖18調查問卷第1題

圖19調查問卷第2題

圖20調查問卷第3題

3.新教學模式對學生的學習過程和方法的影響。

從圖21、22、23數(shù)據(jù)分析結果可知，在實驗之后，基本100%的同學都認識到了計算可以作為一種非常有用的手段去解決物理問題，學生已經(jīng)形成利用計算思維進行科學探究的意識，說明學生的對科學研究方法得到了全面的認識，解決物理問題的思路得到了很大程度的拓展。

圖21調查問卷第4題

圖22調查問卷第5題

圖23調查問卷第6題

4.新教學模式對學生的情感態(tài)度的影響。

針對學生課堂參與的程度調查，如圖24數(shù)據(jù)分析結果表明，從總體上來說，新的教學模式對學生的課堂參與的積極性起到了促進作用。如圖25數(shù)據(jù)分析表明，新教學模式激發(fā)了學生學習物理的興趣，學生在物理學習過程中收獲知識、技能方法的同時又能體會到使用計算機作為解決工具的新鮮感和成就感。從圖26數(shù)據(jù)分析結果表明，大多數(shù)學生都表現(xiàn)出需要學習信息技術在物理中的應用的課程，這也給后續(xù)進行信息技術與物理教學整合活動提供了可行性。

圖24調查問卷第8題

圖25調查問卷第9題

圖26調查問卷第10題

5.新教學模式對學生物理成績的影響。

教學實驗從高一下學期初開始進行，在教學實驗進行了一個學期后和兩個學期后，分別統(tǒng)計了兩個班的物理期末測試成績，如表2和表3所示。由表中數(shù)據(jù)分析表明：新教學模式能夠一定程度提升學生物理成績，學生物理成績的提升也體現(xiàn)了新教學模式能夠一定程度地提升學生學習物理的主動性和自覺性，拓展了學生解決物理問題的思路，豐富了學生解決問題的方法途徑，加深了學生對物理知識規(guī)律的本質理解，激發(fā)了學生學習物理的興趣。而且通過對比及格率可以表明，整個實驗班級的學生成績正在提升，成績差的學生相對減少了，學生愿意去學習物理，探究物理，享受學習物理帶來的樂趣。

表2高一下學期期末物理測試，對照班與實驗班的

表3高二上學期期末物理測試，對照班與實驗班的成績統(tǒng)計

六、總結

依據(jù)建構主義學習理論、人本主義學習理論、數(shù)據(jù)探究理論和探究式教學模式，設計了信息化環(huán)境下的探究式教學模式，提出了教學中應注意使用的教學策略，并把教學運用物理教學之中。從調查問卷的數(shù)據(jù)分析和實際教學案例均表明：1、新教學模式的運用讓學生掌握了運用信息技術解決物理問題的基本知識技能和方法。2、新教學模式明顯提高了學生課堂參與的積極性。3、新教學模式提高了學生學習物理的興趣。4、新教學模式對學生的物理成績總體上有促進的作用。