信息技術(shù)優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)‘可視化’教學(xué)理論實(shí)踐

1、-PAGE . z信息技術(shù)優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)可視化教學(xué)的理論與實(shí)踐唐華昌 省市新都一中610500馬開(kāi)春 省市新都一中 610500摘 要：實(shí)驗(yàn)是中學(xué)物理教學(xué)中的一個(gè)重要組成局部，可以說(shuō)沒(méi)有物理實(shí)驗(yàn)就等于沒(méi)有物理教學(xué)，但由于各種原因使物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在著許多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、操作過(guò)程、數(shù)據(jù)采集、分析處理以及學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解思維過(guò)程不可視化，而隨著信息技術(shù)在教育教學(xué)中應(yīng)用，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可視化提供了更易于操作和實(shí)現(xiàn)的物質(zhì)平臺(tái)，通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)課件、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、傳感器和接口技術(shù)等將學(xué)生置于多媒體動(dòng)畫(huà)、圖片、圖表、音頻等視聽(tīng)資料和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)所創(chuàng)造的物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可視化時(shí)空之中，使其在虛擬的真實(shí)中探索、發(fā)現(xiàn)、理解和掌握教學(xué)

2、容，從而在潛移默化之中到達(dá)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性素質(zhì)和能力的目的。關(guān)鍵詞：信息技術(shù)、物理實(shí)驗(yàn)、可視化全日制中學(xué)物理教學(xué)大綱指出：物理是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)，運(yùn)用物理實(shí)驗(yàn)，可以豐富學(xué)生感性認(rèn)識(shí)，提高學(xué)習(xí)興趣；突破教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)，理解概念規(guī)律；形成物理圖像，認(rèn)識(shí)物理過(guò)程；啟發(fā)學(xué)生思維，增強(qiáng)探索精神；培養(yǎng)學(xué)生觀察能力，掌握實(shí)驗(yàn)技能；促使學(xué)生養(yǎng)成良好習(xí)慣，學(xué)會(huì)科學(xué)方法。因此，物理教學(xué)離不開(kāi)物理實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有物理實(shí)驗(yàn)就等于沒(méi)有物理教學(xué)。但現(xiàn)行高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在著如下問(wèn)題：由于實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等因素的限制，常常使得演示實(shí)驗(yàn)效果不明顯，實(shí)驗(yàn)的可觀察面太小，或是*些實(shí)驗(yàn)如伽利略斜面實(shí)驗(yàn)，太空旅行等實(shí)驗(yàn)根本就無(wú)法做，使得許多實(shí)

3、驗(yàn)現(xiàn)象都不可能置于學(xué)生的可視化情景之中；由于實(shí)驗(yàn)器材的缺乏，學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)就不能做到一人一套器材，課外的小實(shí)驗(yàn)、小制作根本就不可能進(jìn)展，導(dǎo)致學(xué)生的許多實(shí)驗(yàn)操作及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象都都處于不可視情景之中；在傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，很多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集很難，以及學(xué)生的操作過(guò)程和數(shù)據(jù)處理通常都得不到及時(shí)的反響，使得學(xué)生常常覺(jué)察不到自己操作上存在的缺乏與不規(guī)，覺(jué)察不到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的意義；物理概念和規(guī)律是物理現(xiàn)象與思維相互作用的結(jié)果，但在傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，往往存在著無(wú)視實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的理解、分析處理的思維過(guò)程，使得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的理解、處理、歸納等思維過(guò)程不可視化。上述問(wèn)題充分說(shuō)明在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在著實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程、實(shí)驗(yàn)

4、數(shù)據(jù)的采集、分析處理及學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解思維過(guò)程的不可視化。則如何克制上述物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題而將學(xué)生完全置于物理實(shí)驗(yàn)的可視化時(shí)空之中，通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)的可視化教學(xué)來(lái)提供學(xué)生學(xué)習(xí)整合知識(shí)，表達(dá)、監(jiān)控思維的工具，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的多通道刺激，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科探究素質(zhì)、創(chuàng)新能力呢.在信息社會(huì)的今天，能否借助現(xiàn)代信息技術(shù)來(lái)提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)化呢.實(shí)踐證明，校園網(wǎng)絡(luò)建立的完善、學(xué)生網(wǎng)絡(luò)教室的建成、為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)化提供了可靠的物質(zhì)條件，信息技術(shù)從演示實(shí)驗(yàn)輔助課件的應(yīng)用，到計(jì)算機(jī)的傳感器和接口技術(shù)的應(yīng)用，再到虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立等，變換了實(shí)驗(yàn)信息處理方式，給學(xué)生創(chuàng)設(shè)了一種可視化的思維

5、情景，優(yōu)化了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。因此，我們提出了信息技術(shù)優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)可視化教學(xué)模式。信息技術(shù)優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)可視化教學(xué)的含義物理實(shí)驗(yàn)是指人們?cè)谌藶榭刂茥l件下利用科學(xué)儀器、設(shè)備，使物理現(xiàn)象反復(fù)再現(xiàn)，從而有目的地進(jìn)展觀測(cè)研究的一種方法。而信息技術(shù)優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)可視化教學(xué)則是指利用實(shí)驗(yàn)技術(shù)媒體和現(xiàn)代信息技術(shù)媒體如演示實(shí)驗(yàn)輔助課件、傳感器和接口技術(shù)、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)室等將物理實(shí)驗(yàn)中觀察面小，或無(wú)法操作的實(shí)驗(yàn)等再現(xiàn)于多媒體動(dòng)畫(huà)、圖片、圖表、音頻等視聽(tīng)資料和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)所創(chuàng)造的可視化時(shí)空之中，使學(xué)生在虛擬的真實(shí)中探索、發(fā)現(xiàn)、理解和掌握教學(xué)容，從而在潛移默化之中到達(dá)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性素質(zhì)和能力的目的。2信息技術(shù)優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)

6、可視化教學(xué)的價(jià)值2.1符合學(xué)生直觀化思維習(xí)慣與高中物理要求大多數(shù)學(xué)生發(fā)現(xiàn)由初中進(jìn)入高中，物理課突然變得很困難了。原因何在.我認(rèn)為，高中物理課的學(xué)習(xí)難點(diǎn)主要發(fā)生在：首先，高初中教學(xué)容的四個(gè)過(guò)渡：由不變常量物理到變化變量物理的過(guò)渡；由靜態(tài)圖形研究到動(dòng)態(tài)圖形包括圖像研究的過(guò)渡；由直線情景到平面情景甚至到空間情景的過(guò)渡；由能明確感知如路程、速度等等到大量出現(xiàn)抽象規(guī)定如加速度、多力的等效處理的過(guò)渡。其次，在思維要求上，高中更多地要求邏輯分析思維，各種思維方法的綜合應(yīng)與學(xué)生初中形成的眼見(jiàn)為實(shí)的心理、思維習(xí)慣的矛盾。而在教學(xué)中，局部教師無(wú)視形象思維，以為只有抽象思維才是高級(jí)思維能力，以為單憑講就可以到達(dá)教學(xué)

7、目標(biāo)的教師才算本領(lǐng)，將教學(xué)法局限為教授法，單純依賴文字、語(yǔ)言講生動(dòng)形象，卻往往是枯燥、難懂。所以高中物理中的抽象規(guī)定與初中過(guò)分注重直觀化思維的習(xí)慣有不小的差距。如在牽引力的本質(zhì)是摩擦力的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，研究表象活動(dòng)對(duì)建立物理概念和掌握物理規(guī)律的意義，研究結(jié)果說(shuō)明：按照感知操作形成表象分析綜合得出概念穩(wěn)固表象穩(wěn)固概念練習(xí)這樣進(jìn)展教學(xué)活動(dòng)的班比無(wú)演示實(shí)驗(yàn)提供直觀表象的班，人均成績(jī)提高50%。所以，要處理好高初中的過(guò)渡，作好教學(xué)容、方法的可視化處理是關(guān)鍵。教學(xué)過(guò)提供可視化的學(xué)習(xí)模型，先直觀可視可感知現(xiàn)象然后再抽象分析降低思維難度，這樣學(xué)生才可能在模仿中加深理解，在理解中培養(yǎng)思維能力。2.622提供了學(xué)生

8、學(xué)習(xí)整合知識(shí)，表達(dá)、監(jiān)控思維的有力工具人類創(chuàng)造了語(yǔ)言包括口頭語(yǔ)言和書(shū)面語(yǔ)言作為思維的物質(zhì)外殼，并在語(yǔ)言的根底上逐漸形成了一套概念、判斷和推理系統(tǒng)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)事物本身的運(yùn)動(dòng)變化和事物之間相互聯(lián)系的概括與間接的反映。但是文字符號(hào)只是間接的反映，因?yàn)檫@種反映是通過(guò)概念判斷推理間接地完成的，而不是直接對(duì)事物本身就像照相機(jī)那樣進(jìn)展反映。文字信息和數(shù)據(jù)等只有通過(guò)可視化變成形象，才能激發(fā)人的形象思維，才能在外表上看來(lái)是靜止的文字圖景和雜亂無(wú)章的數(shù)據(jù)中找出其中隱藏的規(guī)律。學(xué)生在獲取這些用文字表達(dá)的物理現(xiàn)象或事實(shí)的信息時(shí)，只能按閱讀的順序在頭腦中一段一段展現(xiàn)，而物理分析要求信息是全面的真實(shí)反映事物變化關(guān)系的，

9、而不是片斷式的展示，這就要求學(xué)生通過(guò)*種方式將信息整合起來(lái)，這里常用的方式就是實(shí)驗(yàn)或做圖時(shí)間圖、空間關(guān)系圖、矢量分析圖等等將其可視化，利用了實(shí)驗(yàn)的連續(xù)性或圖形的整體性，將可視化作為一種工具，整合文字中的時(shí)空信息，同時(shí)由于直觀和全面地展現(xiàn)了各量的關(guān)系，也能起到啟迪思維的作用?？梢?jiàn)，可視化是記錄、組織、管理思維的有效手段，是形象與抽象結(jié)合、分析與結(jié)論結(jié)合、過(guò)程與結(jié)果結(jié)合、思維的點(diǎn)與線面結(jié)合，用可視化的方式整合思維能培養(yǎng)學(xué)生思維的形象性、整體性、有序性、簡(jiǎn)單性。同時(shí)，可視化過(guò)程自身對(duì)信息的處理，通過(guò)瞻前顧后與信息對(duì)話、與自身思維對(duì)話，能實(shí)時(shí)監(jiān)控思維的開(kāi)展變化。2.3 有利于激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，加強(qiáng)多通道刺

10、激，提高學(xué)習(xí)效果孔子說(shuō)知之者不如好之者，好之者不如樂(lè)之者。而只有聲音和文字刺激的課堂，學(xué)生容易進(jìn)入思維封閉狀態(tài)。要激活學(xué)生的思維，可視化處理是一種有效的手段，它能為學(xué)生提供直觀的、形象的甚至驚奇的情景，能極調(diào)動(dòng)物理學(xué)習(xí)興趣。教育心理學(xué)研究說(shuō)明：人的感官對(duì)知識(shí)信息的吸收比率是不一樣的，視覺(jué)的吸收比率為83%，聽(tīng)覺(jué)的吸收比率為11%，嗅覺(jué)的吸收比率為3.5%，觸覺(jué)的吸收比率為1.5%，味覺(jué)的吸收比率為1%。顯然，增加視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)信息是多獲取信息最可取的方法。提供可視化的教學(xué)，圖、文、聲、像、動(dòng)并茂，能有效補(bǔ)充書(shū)本教材的缺乏，促使學(xué)生多通道地整合信息，最大限度地提高學(xué)習(xí)信息吸收的廣度和深度。如果師生都

11、有可視化的習(xí)慣和能力，能用可視化的方式進(jìn)展討論、交流，則知識(shí)的保持將大大優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)的效果。2.4有利于培養(yǎng)學(xué)生物理科學(xué)探究素質(zhì)、創(chuàng)新能力科學(xué)探究活動(dòng)是人通過(guò)觀察，發(fā)現(xiàn)事物規(guī)律的活動(dòng)。人的創(chuàng)造性不僅取決于人的邏輯思維，而且取決于人的形象思維。愛(ài)因斯坦描述了科學(xué)創(chuàng)造活動(dòng)中思維過(guò)程的第一階段是指利用思維元素進(jìn)展直覺(jué)思維或形象思維，就我的情況而言，上述思維元素是視覺(jué)的和肌肉的類型，然后才進(jìn)入第二階段即選用適當(dāng)?shù)脑~語(yǔ)概念來(lái)進(jìn)展邏輯分析、推理，以論證和檢驗(yàn)直覺(jué)思維和形象思維結(jié)果的正確性。 與此類似，物理科的教學(xué)中也要充分利用視覺(jué)表象與動(dòng)覺(jué)表象作為思維加工對(duì)象，依此進(jìn)展教學(xué)設(shè)計(jì)，情景化的教學(xué)就能提供應(yīng)學(xué)生

12、視覺(jué)或動(dòng)覺(jué)的思維加工材料，而且突出思維材料的時(shí)間邏輯關(guān)系、空間邏輯關(guān)系，更便于學(xué)生的理解。3信息技術(shù)優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)可視化教學(xué)的理念31構(gòu)建了符合建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論要求的教學(xué)情景及協(xié)作、會(huì)話等意義建構(gòu)過(guò)程建構(gòu)主義理論認(rèn)為信息技術(shù)和媒體是創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，是學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、協(xié)作、探索、完成知識(shí)意義建構(gòu)的認(rèn)知工具；知識(shí)不是通過(guò)教師傳授得到，而是學(xué)習(xí)者在一定的情境即社會(huì)文化背景下，借助他人包括教師和學(xué)習(xí)伙伴的幫助，利用必要的學(xué)習(xí)資料，通過(guò)意義建構(gòu)的方式而獲得，在學(xué)習(xí)環(huán)境中具有情境 協(xié)作 會(huì)話和意義建構(gòu)四大要素。而信息技術(shù)優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)可視化教學(xué)模式構(gòu)建了符合建構(gòu)主義理論要求的教學(xué)情景及協(xié)作、會(huì)話等意義建構(gòu)過(guò)程。情

13、景：學(xué)習(xí)環(huán)境中的情境必須有利于學(xué)生對(duì)所學(xué)容的意義建構(gòu)。也就是說(shuō)，在物理教學(xué)中，教學(xué)設(shè)計(jì)不僅要考慮教學(xué)目標(biāo)分析，還要考慮有利于學(xué)生成為意義的主動(dòng)建構(gòu)者的情境的創(chuàng)設(shè)問(wèn)題，并把情境創(chuàng)設(shè)看作是教學(xué)設(shè)計(jì)的重要容之一，即創(chuàng)設(shè)情景是意義建構(gòu)的必要前提。而信息技術(shù)優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)可視化教學(xué)模式，通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)課件、計(jì)算機(jī)傳感器和接口技術(shù)、虛擬實(shí)驗(yàn)室等為物理實(shí)驗(yàn)作了最好的補(bǔ)充，將物理實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程、實(shí)現(xiàn)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)處理等完全置于可視化時(shí)空之中，為學(xué)生提供了清晰完整的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象過(guò)程，提供了準(zhǔn)確觀察物理現(xiàn)象和操作摸擬的教學(xué)情景，提供了學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)和知識(shí)獲取的建構(gòu)過(guò)程。協(xié)作和會(huì)話：協(xié)作與會(huì)話是協(xié)作學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)協(xié)作學(xué)習(xí)

14、，學(xué)習(xí)者群體的智慧，思維及其成果，可以被群體共享，共同完成對(duì)所學(xué)知識(shí)的意義建構(gòu)。信息技術(shù)優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)可視化教學(xué)模式，學(xué)生借助于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教室，在虛擬實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)下，充分利用多媒體的交互性，通過(guò)對(duì)教師設(shè)置的問(wèn)題及學(xué)生發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題的討論，深化學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)，教師通過(guò)多媒體教室網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊功能，對(duì)每一個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)進(jìn)展個(gè)別化的指導(dǎo)，保證實(shí)驗(yàn)對(duì)象的主動(dòng)參與和協(xié)作學(xué)習(xí)。意義構(gòu)建：意義構(gòu)建是整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程的最終目標(biāo)，是一個(gè)從低級(jí)向高級(jí)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，而且要符合具體的認(rèn)知過(guò)程。在學(xué)習(xí)過(guò)程中幫助學(xué)生建構(gòu)意義就是要幫助學(xué)生對(duì)當(dāng)前學(xué)習(xí)容所反映的事物的性質(zhì)、規(guī)律以及該事物與其它事物之間的在聯(lián)系到達(dá)較深刻的理解。這種理

15、解在大腦中的長(zhǎng)期存儲(chǔ)形式就是關(guān)于當(dāng)前所學(xué)容的認(rèn)知構(gòu)造。通過(guò)信息技術(shù)為物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)立一種可摸擬操作過(guò)程、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)處理可視化教學(xué)情景，進(jìn)一步加深實(shí)驗(yàn)操作、觀察及分析等意義建構(gòu)的過(guò)程，幫助學(xué)生對(duì)所進(jìn)展實(shí)驗(yàn)涉及的現(xiàn)象和問(wèn)題進(jìn)展全面的深刻的理解。32信息技術(shù)為物理實(shí)驗(yàn)可視化教學(xué)提供了更易于操作和實(shí)現(xiàn)的物質(zhì)平臺(tái)和技術(shù)支持利用傳感器、接口技術(shù)和微電腦連接，自然真實(shí)的再現(xiàn)物理現(xiàn)象，給觀察和分析以靈活性，提高其研究的可信度和準(zhǔn)確度在傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于實(shí)驗(yàn)器材或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象本身如發(fā)生時(shí)間快、圍小等的限制，常常使得演示實(shí)驗(yàn)效果不明顯，或者實(shí)驗(yàn)的可觀察面太小，而在信息技術(shù)高速開(kāi)展的今天，信息技術(shù)在物理學(xué)科教學(xué)

16、中的應(yīng)用，為這些物理實(shí)驗(yàn)的可視化提供了物質(zhì)平臺(tái)和技術(shù)支持，即只要把適當(dāng)?shù)膫鞲衅魍ㄟ^(guò)接口技術(shù)與電腦連接起來(lái)，電腦就可以把正在發(fā)生的物理現(xiàn)象、特別是正在進(jìn)展的物理實(shí)驗(yàn)的真實(shí)情景，以連續(xù)動(dòng)畫(huà)的方式記錄下來(lái)，所記錄的真實(shí)情景可以隨時(shí)在電腦的屏幕上顯示出來(lái)，進(jìn)展仔細(xì)的觀察和分析?？梢月R頭播放，甚至定格，以便詳細(xì)的觀察和分析，也可以快速播放，觀察物理過(guò)程的連續(xù)性?？梢园丫植繀^(qū)域放大，觀察分析局部微觀現(xiàn)象，也可以擴(kuò)大觀察圍，以便于宏觀地把握整體規(guī)律。例如，繩波實(shí)驗(yàn)是教材機(jī)械波的形成和傳播中的一個(gè)重要而典型的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)者手持長(zhǎng)繩的一端，連續(xù)而輕輕的抖動(dòng)，可以看見(jiàn)一個(gè)個(gè)凹凸相間的波形向長(zhǎng)繩的一端傳播。這個(gè)實(shí)驗(yàn)

17、一般都進(jìn)展得較快，波形的瞬時(shí)變化，學(xué)生不容易觀察清楚，每個(gè)瞬時(shí)的波形也不可能定格，因此教師不可能引導(dǎo)學(xué)生對(duì)波形進(jìn)展仔細(xì)的研究和分析，傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程是做了繩波實(shí)驗(yàn)后，接著用模擬教具或幻燈片對(duì)波的形成和傳播過(guò)程進(jìn)展模擬演示和研究分析，模擬的波動(dòng)過(guò)程當(dāng)然不是真實(shí)的波動(dòng)過(guò)程。學(xué)生對(duì)模擬的過(guò)程與真實(shí)的過(guò)程往往在認(rèn)識(shí)上肯定是有一定的差距的，而利用傳感器和接口技術(shù)，電腦可以當(dāng)堂記錄繩波演示實(shí)驗(yàn)的真實(shí)情景，實(shí)驗(yàn)完成后，可以把實(shí)驗(yàn)過(guò)程緩慢地在電腦的屏幕上顯示出來(lái)，師生一起進(jìn)展仔細(xì)的觀察研究和分析，對(duì)真實(shí)的波動(dòng)過(guò)程的觀察和研究不僅可提高了可信度，對(duì)學(xué)生的觀察分析能力的培養(yǎng)也一定優(yōu)于模擬的波動(dòng)過(guò)程。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立

18、，可以逼真形象的可視模擬物理現(xiàn)象，體驗(yàn)真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)情景.1可視模擬理想實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)物理的真實(shí)情景，理解自然的真實(shí)反映物理實(shí)驗(yàn)的重要性不言而喻，但實(shí)現(xiàn)不能在理想條件下進(jìn)展，很多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也不便記錄，還因?yàn)槭艽罅康姆侵饕蛩氐母蓴_，致使實(shí)驗(yàn)主要現(xiàn)象不明顯，不便于觀察，這是*些物理實(shí)驗(yàn)最大的缺乏之處。如兩列水波的干預(yù)實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生觀察到固定的、明顯的振動(dòng)加強(qiáng)和振動(dòng)減弱區(qū)域互相間隔排列的干預(yù)條紋，幾乎是不可能的。原因就在于兩列水波很難做到頻率相等、相差恒定，其差異越大現(xiàn)象越不明顯。即使做到了也不便于觀察和分析。但是，對(duì)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)信息技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)功能顯示了作用。通過(guò)制作的兩列水波干預(yù)的摸擬實(shí)驗(yàn)，干預(yù)條紋清

19、晰，完全再現(xiàn)了理想條件下的真實(shí)的干預(yù)現(xiàn)象，把學(xué)生置于干預(yù)現(xiàn)象的可視化情景之中，加深了學(xué)生對(duì)干預(yù)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和理解。當(dāng)然這里的真實(shí)是物理的真實(shí)，是自然的真實(shí)反映。因?yàn)槲锢砀拍?、物理?guī)律即物理理論都是建立在理想條件、理想模型條件之上的，而大自然不存在理想條件、理想模型。則，物理理論給我們展現(xiàn)的物理情景是真實(shí)的嗎.毫無(wú)疑問(wèn)是真實(shí)的，我們稱之為物理的真實(shí)。這個(gè)真實(shí)不同于自然的真實(shí)反映，它源于自然的真實(shí)，但高于自然的真實(shí)。虛擬技術(shù)模擬所展現(xiàn)的物理情景是物理的真實(shí)，是自然的真實(shí)的本質(zhì)表現(xiàn)。又如，物理學(xué)中還有一些理想實(shí)驗(yàn)，或曰思想實(shí)驗(yàn)，也是不可能做出來(lái)的，物理現(xiàn)象的發(fā)生必有一定的條件，物理學(xué)家在分析、研究一定

20、條件下的物理現(xiàn)象時(shí)，常常把條件外推到理想情況即理想條件，在理想條件下物理現(xiàn)象又會(huì)怎么樣呢.理想條件是不可能實(shí)現(xiàn)的。這種實(shí)驗(yàn)只能是思想分析實(shí)驗(yàn)。思想實(shí)驗(yàn)的研究方法是建立理想模型和物理定律很有用的方法。如有名的伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)，它是慣性定律的根底。愛(ài)因斯坦所設(shè)計(jì)的一系列的光速不變思想實(shí)驗(yàn)，奠定了狹義相對(duì)論兩大根本原理之一的光速不變?cè)淼母?。虛擬技術(shù)摸擬理想實(shí)驗(yàn)，把抽象的理論分析轉(zhuǎn)化為形象可見(jiàn)的物理現(xiàn)象，對(duì)學(xué)生建立理想模型和理解物理規(guī)律是有很大作用的。.2 可視模擬短時(shí)高速過(guò)程，放大物理現(xiàn)象，掌握慢鏡頭分析方法有許多物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，發(fā)生的時(shí)間極短，過(guò)程進(jìn)展得很快，根本不可能觀察得清楚，如兩物體的碰

21、撞，從開(kāi)場(chǎng)接觸到擠壓發(fā)生形變，形變由小到大又由大到小直到脫離接觸，這一系列過(guò)程實(shí)驗(yàn)中是難以觀察到的，一些抽象的物理量，如相互作用的彈力、速度、動(dòng)量的變化就更難觀察了。假設(shè)用電腦模擬碰撞過(guò)程，則這一系列過(guò)程都可以變?yōu)榭梢?jiàn)，而且在碰撞過(guò)程中發(fā)生的微小形變也可以進(jìn)展模擬放大，便于學(xué)生仔細(xì)觀察和分析。其最大優(yōu)點(diǎn)是可以放大物理現(xiàn)象，放慢演示速度，在緩慢的演示過(guò)程中，讓學(xué)生清楚而全面地把握物理的真實(shí)，建立理想模型?；咚贋槎趟伲兌虝r(shí)為長(zhǎng)時(shí)，這種分析方法我們稱之為慢鏡頭法。慢鏡頭法是研究短時(shí)高速成過(guò)程的一種有效的方法，多媒體電腦和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是實(shí)施這一功能的最好工具和技術(shù)支撐。.3 可視模擬中學(xué)實(shí)驗(yàn)條件下

22、無(wú)法完成的實(shí)驗(yàn)，變書(shū)本實(shí)驗(yàn)可視操作，加深學(xué)生的理解物理圖景中學(xué)物理中還有不少的實(shí)驗(yàn)需要精細(xì)的儀器，復(fù)雜、昂貴的設(shè)備才能做到，但目前中學(xué)校的條件還達(dá)不到，因此，目前這些實(shí)驗(yàn)是無(wú)法做的。這些實(shí)驗(yàn)用多媒體電腦摸擬，把教科書(shū)上靜止的圖畫(huà)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔X上可以操作的實(shí)驗(yàn)，把由文字描述的現(xiàn)象轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷦?dòng)的可觀察的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，不是很有價(jià)值嗎。如庫(kù)侖定律的驗(yàn)證、a粒子散射實(shí)驗(yàn)、引力恒量的測(cè)定、質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)、中子的發(fā)現(xiàn)等。.4 摸擬微觀粒子運(yùn)動(dòng)，建立物質(zhì)微觀構(gòu)造微觀粒子運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)可以是由實(shí)驗(yàn)觀察到，但微觀粒子自身的運(yùn)動(dòng)形式，運(yùn)動(dòng)本質(zhì)特征是無(wú)法直接觀察到的。多媒體電腦可以生動(dòng)形象地模擬微觀粒子的本質(zhì)運(yùn)動(dòng)，建立物質(zhì)微觀構(gòu)造

23、模型，如玻爾原子模型、玻爾原子能級(jí)躍遷、光電效應(yīng)現(xiàn)象中光子和電子的相互作用，將其微觀構(gòu)造和相互作用置于學(xué)生的可視化情景之中，加深學(xué)生理解其物理圖景。.5 可視摸擬天體運(yùn)動(dòng)，掌握天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，體驗(yàn)太空旅行天體運(yùn)動(dòng)抽象而且難以理解，學(xué)生總覺(jué)得神秘可測(cè)，又無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)演示天體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。如果利用多媒體電腦便可以模擬天體的運(yùn)動(dòng)，如行星的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)，衛(wèi)星的橢圓或圓周運(yùn)動(dòng)等。模擬人造地球衛(wèi)星的勻速圓周運(yùn)動(dòng)、地球同步通訊衛(wèi)星等，由模擬圖景，學(xué)生可以體驗(yàn)太空旅行，很容易掌握天體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，同時(shí)還可以很容易的理解向心加速度的產(chǎn)生機(jī)制，向心力的來(lái)源，線速度和動(dòng)量的變化。又如用錄像或電腦模擬人造衛(wèi)星的發(fā)射和回收過(guò)程

24、，學(xué)生們通過(guò)對(duì)人造衛(wèi)星發(fā)射和回收過(guò)程的可視，很容易掌握其運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及發(fā)射和回收的力學(xué)原理。 構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室，可視學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)情景的理解，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)錯(cuò)誤操作方法的糾正由于很多中學(xué)校實(shí)驗(yàn)條件的限制，學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)不可能做到一人一套器材，只能一局部人做，一局部人看，或者學(xué)生的課外小實(shí)驗(yàn)，小制作根本就不可能進(jìn)展，從而使得很多實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象都處于不可視情景之中，學(xué)生只能想當(dāng)然死記硬背實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，這對(duì)學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解和掌握以及實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)都是無(wú)益的。而用信息技術(shù)構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室即物理實(shí)驗(yàn)多媒體課件雖不能替代物理實(shí)驗(yàn)本身，但能起到輔助教學(xué)的作用，學(xué)生可以通過(guò)

25、虛擬實(shí)驗(yàn)室來(lái)可視物理實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，可視物理現(xiàn)象，當(dāng)然課堂教學(xué)的大局部時(shí)間應(yīng)留給學(xué)生進(jìn)展獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，使用虛擬實(shí)驗(yàn)室即物理實(shí)驗(yàn)多媒體課件創(chuàng)設(shè)教學(xué)情景，幫助學(xué)生進(jìn)一步理解和掌握實(shí)驗(yàn)的原理、步驟，認(rèn)識(shí)常見(jiàn)的操作錯(cuò)誤等，甚至可以在實(shí)驗(yàn)條件不允許的情形下讓學(xué)生通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)展操作和實(shí)驗(yàn)，都可以幫助他們糾正實(shí)驗(yàn)操作中的不規(guī)行為，提高他們的實(shí)驗(yàn)技能和素養(yǎng)，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。其中虛擬實(shí)驗(yàn)室即物理多媒體實(shí)驗(yàn)課件的根本構(gòu)造如下：說(shuō)明：在物理多媒體實(shí)驗(yàn)課件中，對(duì)于難以用語(yǔ)言表達(dá)或傳統(tǒng)媒體無(wú)法表達(dá)的容，可用3DS MA*3制作動(dòng)畫(huà)。各種實(shí)驗(yàn)儀器都用數(shù)碼相機(jī)拍攝后，保存為JPEG格式，再用Photoshop 5.0等圖形軟

26、件處理后錄入課件。每個(gè)實(shí)驗(yàn)的正確實(shí)驗(yàn)步驟及典型錯(cuò)誤用攝像機(jī)攝錄后，再用視頻捕捉卡把視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成MPG格式,最后用多媒體創(chuàng)作工具Authorware等軟件合成素材。信息技術(shù)具有強(qiáng)大的交互功能，可形成網(wǎng)絡(luò)交互實(shí)驗(yàn)室，可視和體驗(yàn)國(guó)際學(xué)生實(shí)驗(yàn)和尖端實(shí)驗(yàn)技術(shù)信息技術(shù)具有強(qiáng)大的交互功能，可形成網(wǎng)絡(luò)交互實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以根據(jù)自己的意志和愿望指揮電腦，電腦也能對(duì)人的各種指令作出反響，甚至電腦還能對(duì)周圍環(huán)境做出反映。學(xué)生也通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交互實(shí)驗(yàn)室與國(guó)際、國(guó)學(xué)生交流，把國(guó)際、國(guó)學(xué)生實(shí)驗(yàn)和尖端實(shí)驗(yàn)技術(shù)可視化網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室中，體驗(yàn)和感受國(guó)際學(xué)生實(shí)驗(yàn)和尖端實(shí)驗(yàn)技術(shù)，開(kāi)拓學(xué)生視野。如我們開(kāi)發(fā)制作的人造衛(wèi)星的發(fā)射課件就具有網(wǎng)絡(luò)交互實(shí)

27、驗(yàn)室的功能 ，人可以根據(jù)自己的意愿，輸入不同的參數(shù)，物體就能作不同類型的運(yùn)動(dòng)，從而把完全的理論分析變?yōu)閷?shí)驗(yàn)可視，使得學(xué)生更容易理解和掌握人造衛(wèi)星的發(fā)射、回收原理，不同軌道變換時(shí)的控制方法，同步衛(wèi)星的運(yùn)行情況等。同時(shí)，學(xué)生也可以在網(wǎng)絡(luò)上相互討論。又如上面所述的構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室，可視學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程實(shí)際上也就是利用了信息技術(shù)的交互功能這一特點(diǎn)而實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際上，人與人之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)已實(shí)現(xiàn)了相互交往、相互傳遞信息。然而，教育開(kāi)展的光芒前景就是建立起教育教學(xué)網(wǎng)、小圍的班級(jí)網(wǎng)、校園網(wǎng)、到大圍的地區(qū)網(wǎng)、國(guó)家網(wǎng)、，國(guó)際網(wǎng)、教師在網(wǎng)上教、學(xué)生在網(wǎng)上學(xué)，傳遞、反響教與學(xué)的信息，真正實(shí)現(xiàn)因材實(shí)教，因人而教。因此，利用信

28、息技術(shù)強(qiáng)大的交互功能，可以構(gòu)建起網(wǎng)絡(luò)交互實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生不僅可以在自己的實(shí)驗(yàn)室體驗(yàn)探究物理實(shí)驗(yàn)，更主要的是可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室和其它同學(xué)甚至是國(guó)際上的所有學(xué)生及教師一起體驗(yàn)、探究各種類型的物理實(shí)驗(yàn)、了解物理開(kāi)展的前沿、體驗(yàn)物理尖端實(shí)驗(yàn)技術(shù)。在這里，教師的主導(dǎo)性和學(xué)生的主體性都能得到最大限度的發(fā)揮。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和遠(yuǎn)程教學(xué)的開(kāi)展，勢(shì)必影響現(xiàn)有的教學(xué)組織形式和教學(xué)體系，勢(shì)必改變?nèi)藗兊慕逃枷牒徒逃^。3.2.5信息技術(shù)具有準(zhǔn)確、快捷的數(shù)據(jù)處理能力,可使物理實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)采集、分析處理過(guò)程可視，數(shù)據(jù)處理快速簡(jiǎn)潔在很多物理實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很難采集，或采集的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，或是采集后的數(shù)據(jù)很難處理。但利用信息技術(shù)后，比方

29、使用相關(guān)軟件，可以應(yīng)用多媒體電腦采集數(shù)據(jù)、制作表格、記錄數(shù)據(jù)、列出方程進(jìn)展運(yùn)算，在坐標(biāo)網(wǎng)格上描點(diǎn)作出圖像，這種功能非常適合于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。如牛頓第二定律中研究物體產(chǎn)生的加速度與把受的外力成正比，與質(zhì)量成反比的這個(gè)關(guān)系時(shí)，要用一根細(xì)線跨過(guò)定滑輪拉動(dòng)小車做加速運(yùn)動(dòng)，小車的加速度是通過(guò)小車的位移顯示并計(jì)算出來(lái)的，而小車的位移很難準(zhǔn)確測(cè)出來(lái)，即使測(cè)量出來(lái)了，數(shù)據(jù)的計(jì)算也很煩瑣。因此，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，如果使用適當(dāng)?shù)膫鞲衅骱徒涌诩夹g(shù)把小車的運(yùn)動(dòng)情況在電腦上顯現(xiàn)出來(lái)，并通過(guò)相應(yīng)的軟件采集小車在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中任何時(shí)刻的位移，并通過(guò)相應(yīng)的軟件程序計(jì)算出小車運(yùn)動(dòng)的加速度，進(jìn)而找到小車產(chǎn)生的加速度與小車質(zhì)量、所受拉力之間

30、的關(guān)系。這樣利用信息技術(shù)就很容易使得這些實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)可視、數(shù)據(jù)處理更加簡(jiǎn)潔。又如，在組織學(xué)生做伏安法測(cè)定電源電動(dòng)勢(shì)和阻的實(shí)驗(yàn)時(shí)，在各小組都測(cè)量了五組數(shù)據(jù)之后，把其中一組的數(shù)據(jù)輸入電腦，進(jìn)展計(jì)算，得到電動(dòng)勢(shì)和阻之值，又在電腦上建立坐標(biāo)系，描點(diǎn)做出圖像，從圖像上又得到電動(dòng)勢(shì)和阻之值，兩種處理方法得到的結(jié)果完全一樣。應(yīng)用電腦上這些物理實(shí)驗(yàn)課時(shí)，學(xué)生手腦并用，主動(dòng)性得到極大發(fā)揮，能很快學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)的分析和研究方法，而且時(shí)間可以大大減少。中學(xué)物理有很多實(shí)驗(yàn)和教材容都可以按這種方法進(jìn)展，如光的折射定律的教學(xué)，伏安法測(cè)電阻的教學(xué)等。4信息技術(shù)優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)可視化教學(xué)操作模式4.1 輔助物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示模式在物理學(xué)

31、科教學(xué)中，演示實(shí)驗(yàn)是幫助教師教學(xué)的一種重要手段，而輔助教學(xué)模式就是指物理學(xué)科教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)中，利用演示實(shí)驗(yàn)輔助課件、計(jì)算機(jī)傳感器和接口技術(shù)、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等技術(shù)將中學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)中觀察面小、現(xiàn)象不明顯、或中學(xué)實(shí)驗(yàn)條件下無(wú)法完成的演示實(shí)驗(yàn)等置于學(xué)生的可視化的教學(xué)情景之中，從而優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但它仍舊處在輔助地位,輔助教師進(jìn)展教學(xué)，發(fā)揮輔助作用，教師仍發(fā)揮主導(dǎo)作用，學(xué)生仍處于主體地位。即在課堂教學(xué)中由教師創(chuàng)設(shè)物理情景，幫助和促使學(xué)生形成并明確研究問(wèn)題，將學(xué)生注意力集中到研究的情景上來(lái)，產(chǎn)生學(xué)生的學(xué)習(xí)需要和沖動(dòng)，做好學(xué)習(xí)準(zhǔn)備，然后進(jìn)展實(shí)驗(yàn)探究和信息技術(shù)媒體對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化即實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程和物理現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)

32、數(shù)據(jù)等可視化。這階段教師的作用是創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情景，提出問(wèn)題或矛盾，調(diào)動(dòng)學(xué)生的思維情景，規(guī)學(xué)生的行為。實(shí)驗(yàn)媒體和信息技術(shù)媒體在這階段的作用是展示情景，與學(xué)生的生活建立共同經(jīng)歷體驗(yàn)，加深學(xué)生的理解。而后通過(guò)實(shí)驗(yàn)圖景及所獲得數(shù)據(jù)分析處理并成生成概念原理，同時(shí)建構(gòu)新舊知識(shí)聯(lián)系，形成合理的構(gòu)造，并拓展訓(xùn)練。其操作模式如下： 4.2 虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室模式虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室模式是由計(jì)算機(jī)生成的交互人工世界，沉浸與交互是根本特征，在虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室模式中，學(xué)習(xí)者仿佛置身于一個(gè)完全真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境中，在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，充分發(fā)揮自己的想象，去體驗(yàn)、改良和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，然后在實(shí)踐中具體的應(yīng)用。它可以防止真實(shí)實(shí)驗(yàn)或操作所帶來(lái)的危險(xiǎn)如高壓實(shí)驗(yàn)等以及真實(shí)實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)困難或?qū)嶒?yàn)器材的限制等，為學(xué)生的充分開(kāi)展提供更廣闊的空間。當(dāng)然，在媒體虛擬實(shí)驗(yàn)室中需要教師事先設(shè)計(jì)和制作好學(xué)生可能需要的所有物理實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)課件，而且都要具有可交互性、靈活性。即由師生共同創(chuàng)設(shè)情景，確定課題，引起思考規(guī)主題，得出實(shí)驗(yàn)方案，由實(shí)驗(yàn)室或虛擬實(shí)驗(yàn)室提供器材，例，智力支持和資源共享提供科學(xué)簡(jiǎn)化模型，進(jìn)而進(jìn)展實(shí)驗(yàn)探究，互動(dòng)交流，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，辨析數(shù)據(jù)，科學(xué)處理，分析處理生成概念原理，同時(shí)建構(gòu)新舊知識(shí)聯(lián)系，形成合理的構(gòu)造，并拓展訓(xùn)