信息技術(shù)物理實驗的點睛之筆

信息技術(shù)物理實驗的點睛之筆課改背景下傳統(tǒng)實驗教學(xué)和信息技術(shù)要有機結(jié)合甘肅省天水市麥積區(qū)天成學(xué)校辛亞輝郵編：741020【摘要】物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，實驗幾乎貫穿了物理教學(xué)的整個過程。物理實驗是教師根據(jù)科學(xué)研究和教學(xué)目的,利用物理儀器、教學(xué)設(shè)備等手段,模擬再現(xiàn)自然現(xiàn)象，或者人為控制條件，驗證物理原理或規(guī)律，并予以研究的科學(xué)實踐活動。它是一種目的性很強的、可重復(fù)進(jìn)行的、簡約化的探索和論證過程。在強調(diào)探究式教學(xué)、發(fā)現(xiàn)式教學(xué)、研究性學(xué)習(xí)的新課程改革的環(huán)境下，實驗在中學(xué)物理教學(xué)中更加占據(jù)著舉足輕重的地位。但是受實驗設(shè)備、實驗教學(xué)方法、學(xué)生因素等客觀條件的限制，有些實驗效果不夠理想。如果利用多媒體模擬輔助物理實驗，把試驗?zāi)康?、原理、器材，以及試驗過程等直觀展示在屏幕上，將使使學(xué)生看到色彩鮮艷的動態(tài)視頻、聽到生動逼真的音響效果，多感官立體的呈現(xiàn)一堂知識盛宴。【關(guān)鍵詞】信息技術(shù)；物理實驗；整合；物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，實驗幾乎貫穿了物理教學(xué)的整個過程。物理實驗是教師根據(jù)科學(xué)研究和教學(xué)目的,利用物理儀器、教學(xué)設(shè)備等手段,模擬再現(xiàn)自然現(xiàn)象，或者人為控制條件，驗證物理原理或規(guī)律，并予以研究的科學(xué)實踐活動。它是一種目的性很強的、可重復(fù)進(jìn)行的、簡約化的探索和論證過程。在強調(diào)探究式教學(xué)、發(fā)現(xiàn)式教學(xué)、研究性學(xué)習(xí)的新課程改革的環(huán)境下，實驗在中學(xué)物理教學(xué)中更加占據(jù)著舉足輕重的地位。但是受實驗設(shè)備、實驗教學(xué)方法、學(xué)生因素等客觀條件的限制，有些實驗效果不夠理想。如果利用多媒體模擬輔助物理實驗，把試驗?zāi)康?、原理、器材，以及試驗過程等直觀展示在屏幕上，將使使學(xué)生看到色彩鮮艷的動態(tài)視頻、聽到生動逼真的音響效果，多感官立體的呈現(xiàn)一堂知識盛宴。許多中學(xué)物理實驗，若采用動畫模擬實驗，通過多媒體視頻課件放大細(xì)微的物理現(xiàn)象，就可以使學(xué)生們看到想看而看不到的現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生興趣，提高課堂效率。合理的利用多媒體教學(xué)技術(shù)，可以優(yōu)化實驗教學(xué)過程，極大地提高試驗教學(xué)效果。一、中學(xué)物理實驗教學(xué)的現(xiàn)狀近幾年來，中考、高考物理試題增加了實驗?zāi)芰Φ目疾椋瑢W(xué)生得分率卻沒有提高，實驗教學(xué)始終是物理教學(xué)的一個薄弱環(huán)節(jié)。分析原因，主要有以下幾個方面：（一）實驗教學(xué)缺失了應(yīng)有的學(xué)科特征物理概念的引入和規(guī)律的總結(jié)大都是通過實驗進(jìn)行的。原本實驗教學(xué)可以極大的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對培養(yǎng)學(xué)生自身的創(chuàng)新精神培養(yǎng)起到非常重要的作用。但是由于學(xué)生的升學(xué)壓力，實驗占卷面的分值比重不大，容易造成教學(xué)中“做實驗”變成“說實驗”。九年級和高三年級題海戰(zhàn)術(shù)代替有趣的物理實驗,低年級學(xué)生將大量的規(guī)律和公式機械記憶、物理實驗教學(xué)缺失了應(yīng)有的學(xué)科特征。（二）教學(xué)設(shè)備陳舊，難以勝任教學(xué)需求。不少中學(xué)的教學(xué)實驗設(shè)備短缺，很多實驗儀器使用時間早已超過了壽命，不能適應(yīng)現(xiàn)有的實驗要求。在一些城鄉(xiāng)結(jié)合部學(xué)校和偏遠(yuǎn)農(nóng)村學(xué)校情況尤其嚴(yán)重，有些實驗儀器常常導(dǎo)致學(xué)生興沖沖進(jìn)入實驗室，卻因無法操作或測不出數(shù)據(jù)掃興而歸，不能達(dá)到預(yù)期教學(xué)的目的。很多學(xué)校沒有專業(yè)的實驗員，實驗儀器的經(jīng)常維護和保養(yǎng)成為問題，損壞的儀器不能有效維修直接就報廢。實驗室管理制度建立不夠科學(xué)、不夠完善，在一定程度上又制約了實驗教學(xué)。近幾年隨著國家經(jīng)濟建設(shè)步伐的家快，教育主管部門加大對教育經(jīng)費的投入，實驗設(shè)備和實驗儀器得到更新和補充，極大地改善了實驗教學(xué)設(shè)備老舊的狀況。（三）教師實驗教學(xué)方法老套，難以適應(yīng)新課程的要求。傳統(tǒng)的物理教學(xué)以學(xué)生掌握和鞏固知識為目的，對實驗在過程與方法、情感與態(tài)度方面的重要作用認(rèn)識不夠，因此實驗教學(xué)基本上以教師為中心：演示實驗教師做、學(xué)生看；分組實驗則讓學(xué)生按教師設(shè)計好的方案進(jìn)行，缺乏獨立思考和創(chuàng)造性活動。1、實驗教學(xué)方式老套。長期以來的應(yīng)試教育、講授式教學(xué)養(yǎng)成了教師傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方式，習(xí)慣性地先介紹實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗儀器、注意事項等，學(xué)生根據(jù)所講的步驟被動地重復(fù)實驗，獲取數(shù)據(jù)，驗證規(guī)律、定理、公式……，缺失了認(rèn)知過程中的主觀能動性。2、“講實驗”代替“做實驗”。受長期應(yīng)試教育的影響，以及實驗器材、人為因素的影響，實驗教學(xué)被忽視，“做實驗不如講實驗”，“講實驗不如背實驗”的想法在很多教師的頭腦中根深蒂固。往往在城鎮(zhèn)實驗設(shè)備完善的中學(xué)學(xué)生實驗的完成率也不到2/3,而在實驗設(shè)施不完善的鄉(xiāng)鎮(zhèn)中學(xué)則基本上一個學(xué)生實驗都不做。老師們認(rèn)為：實驗教學(xué)采用講授法，更節(jié)省教學(xué)時間，便于突出和把握有關(guān)實驗知識要點。而按照新的課程理念，演示實驗應(yīng)該重視學(xué)生參與，學(xué)生分組實驗則要盡量采用探究式，讓學(xué)生真正進(jìn)入科學(xué)學(xué)習(xí)的狀態(tài)，扮演研究者的角色。（四）學(xué)生情況參差不齊，影響實驗效果老師在學(xué)生做分組實驗時害怕學(xué)生損壞實驗儀器，嚴(yán)格要求按照設(shè)計好的方案操作。學(xué)生一到實驗室就興奮，紀(jì)律混亂，亂動實驗儀器，兩方面均讓實驗課不能獲得預(yù)期的效果。筆者在長期的實驗教學(xué)中發(fā)現(xiàn)演示實驗基本上前幾排學(xué)生有效果，后幾排的同學(xué)被擋住看不清。因此能拿下去展示的實驗盡量拿下去讓每一位同學(xué)去觀察，如蹄形磁鐵的磁感線。學(xué)生分組實驗好的班學(xué)生探究效果明顯，課堂紀(jì)律井然，操作規(guī)范，儀器擺放整齊，有實驗數(shù)據(jù)。不好的班恰恰相反，紀(jì)律混亂，有的小組里面根本沒人動手，實驗儀器當(dāng)玩具，分組實驗?zāi)茏鐾昃秃懿诲e了。針對這種情況只能好學(xué)生帶一個學(xué)困生，放在老師眼皮底下實驗，老師多指導(dǎo)，學(xué)生相互監(jiān)督。二、傳統(tǒng)實驗設(shè)備在實驗教學(xué)中的成效（一）傳統(tǒng)媒體在實驗教學(xué)中容易貼合教學(xué)目標(biāo)。傳統(tǒng)教學(xué)媒體是老師集體智慧的結(jié)晶，非常貼合教材。傳統(tǒng)媒體與教學(xué)目標(biāo)更易靈活匹配，由于教師的教學(xué)經(jīng)驗，對教材、板書等的操作得心應(yīng)手，這也體現(xiàn)了傳統(tǒng)教學(xué)媒體簡便易行的優(yōu)點。筆者在光學(xué)課教學(xué)時經(jīng)常使用老式的投影儀，非常方便，貼近教材很容易讓學(xué)生理解物像關(guān)系。電磁波教學(xué)時要使用收音機，現(xiàn)代信息技術(shù)是不可能這么貼合教材的。（二）傳統(tǒng)實驗設(shè)備在實驗教學(xué)中取得了輝煌成就。物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，直觀的實驗教學(xué)在整個物理教學(xué)中占有重要地位，取得了輝煌的成就，新課程改革體現(xiàn)在物理課程上是更加突出了實驗教學(xué)。傳統(tǒng)實驗設(shè)備是針對具體某一實驗設(shè)計的，方便易操作，在實驗教學(xué)中取得輝煌成就。如馬德堡半球?qū)嶒炂魇莾善P，兩名學(xué)生在兩側(cè)同時去拉很方便很直觀。講電荷的產(chǎn)生時，老師用手搖動感應(yīng)起電儀，劈啪聲伴隨著火花放電很直觀的。（三）傳統(tǒng)媒體在現(xiàn)代信息化時代越顯劣勢傳統(tǒng)的直觀教學(xué)主要是運用演示實驗、教學(xué)模型和圖像投影等進(jìn)行的。但這些手段有較大的局限性，如有的可見度小；有的演示現(xiàn)象瞬息即逝；有的限于條件演示效果很差；使學(xué)生對許多物理知識的理解不能充分建立在直觀感知的基礎(chǔ)上。隨著科技的發(fā)展，信息化時代悄然來臨，教材與時俱進(jìn)，一些實驗教材明確要求采用計算機軟件輔助實驗。如八年級測小車的平均速度，八年級聲波的波形圖，高一自由落體運動測定。信息技術(shù)在物理實驗教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用也日益廣泛，信息技術(shù)不僅能模擬實驗，如今它與傳感器、數(shù)字化等技術(shù)相結(jié)合，可以形成嶄新的實驗方法和技術(shù)，對傳統(tǒng)的手工實驗方式是一種前所未有的挑戰(zhàn)。三、信息技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用信息技術(shù)作為演示的工具，可使靜態(tài)事物動態(tài)化、微觀現(xiàn)象可視化、抽象知識形象化，完成難做實驗的仿真模擬、進(jìn)行物理過程的動態(tài)分析。信息技術(shù)作為演示工具，主要應(yīng)用在以下三方面：（一）信息技術(shù)轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)物理實驗教學(xué)的理念在普通物理課堂的演示實驗中，由于受到常規(guī)實驗儀器本身的限制，實驗效果常不如人意。而通過多媒體技術(shù)模擬實驗的輔助,模擬一些重要的，但在現(xiàn)實實驗環(huán)境下難以完成的一些物理實驗，則可彌補常規(guī)實驗儀器的不足。1、信息技術(shù)更新了物理實驗教學(xué)理念傳統(tǒng)的物理教學(xué)以學(xué)生掌握和鞏固知識為出發(fā)點和歸宿，學(xué)生學(xué)習(xí)物理實驗的范圍囿于學(xué)校、課堂、書本。信息技術(shù)擴大了物理實驗的內(nèi)涵，擴展了物理實驗的教育功能。以信息技術(shù)為依托的物理實驗教學(xué)中，利用錄像、光盤、網(wǎng)絡(luò)等能加強實驗教學(xué)與社會、生活、科學(xué)技術(shù)之間的聯(lián)系，使學(xué)生的視野更開闊。信息技術(shù)的交互性和超文本鏈接的優(yōu)勢更為在物理實驗教學(xué)中的“師生互動”提供了可靠的保證。2、信息技術(shù)改變了物理實驗教學(xué)手段在實驗的不同環(huán)節(jié)，信息技術(shù)都發(fā)揮了其獨特的作用，觀察環(huán)節(jié)可以極大地擴展實驗的可視性和可重復(fù)性，數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)信息技術(shù)給物理量的測量帶來了革命性的變化，不但簡單方便，而且測量精度高，數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)能將學(xué)生從簡單、機械、繁瑣的數(shù)據(jù)處理過程中解脫出來，讓他們的時間和精力用在更有創(chuàng)造力的方面。3、信息技術(shù)改變了物理實驗教學(xué)方法傳統(tǒng)教學(xué)中把物理實驗分成演示實驗與分組實驗。新課程理念下的物理實驗教學(xué)，更注重學(xué)生的探究，讓他們自己去設(shè)計實驗，選擇儀器，收集實驗數(shù)據(jù)，歸納并總結(jié)規(guī)律。物理課程標(biāo)準(zhǔn)明確提出要重視將信息技術(shù)應(yīng)用到物理實驗室，加快物理實驗軟件的開發(fā)和應(yīng)用，諸如通過計算機實時測量、處理實驗數(shù)據(jù)、分析實驗結(jié)果等。一方面，采用信息技術(shù)使處理數(shù)據(jù)層面上的工作簡單化，學(xué)生用于數(shù)據(jù)處理的時間大大減少，他們有更多機會去進(jìn)行探索研究；另一方面，信息技術(shù)本身就是學(xué)生進(jìn)行探究活動的有效工具。以計算機為代表的現(xiàn)代信息技術(shù)能夠跟傳統(tǒng)實驗實現(xiàn)“優(yōu)勢互補”（不是全面替代），推動物理實驗教學(xué)方法的改革。（二）信息技術(shù)有效創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣1、多媒體技術(shù)能將物理實驗中的立體感、運動效果和諧體現(xiàn)。物理教學(xué)過程中經(jīng)常會碰到要畫出立體感十分強的示意圖、輔助線等，以便于學(xué)生正確理解物理問題的空間意義。如均勻磁場的分布、磁場中的通電導(dǎo)體的受力運動方向，感生電流的流動方向。具有立體感的圖形很難畫，如教師畫不好圖，而又無合適的掛圖且掛圖是靜態(tài)的，會造成學(xué)生理解困難，時間花在學(xué)生無效的想象中，而計算機多媒體輔助教學(xué)中的3DSMAX或COOl3D軟件則可以制作出完全立體的、漂亮的、準(zhǔn)確的示意圖，并且還能制作虛擬的立體實物圖，使學(xué)生理解起來毫無困難。又如電壓、電流、磁場等。適當(dāng)?shù)嘏囵B(yǎng)學(xué)生的想象能力是對的，但過多的抽象內(nèi)容會嚴(yán)重妨礙學(xué)生學(xué)習(xí)，不易于理解和掌握。利用計算機多媒體輔助教學(xué)中的Aouthorware和Flash軟件則可以虛擬地演示出這些內(nèi)容，顯現(xiàn)給學(xué)生的是更加形象的內(nèi)容，有利于學(xué)生建立正確的物理概念及以后的物理學(xué)習(xí)。2、用多媒體技術(shù)將在瞬間發(fā)生物理現(xiàn)象和諧展現(xiàn)。有的物理實驗現(xiàn)象的發(fā)生在瞬間，學(xué)生的眼睛無法跟上。如在研究物體運動的時候，自由落體運動、變速直線運動在一定時間間隔內(nèi)通過的距離或速度變化，用眼睛難以捕捉得到，只能借助于照片或打點計時器來觀察，既費時又費錢、費力。我們采用若利用Flash軟件通過幀的調(diào)整及運動時間的合理設(shè)置，制作出完全立體的、漂亮的、準(zhǔn)確的示意圖，就很容易讓學(xué)生觀察到物體運動的速度變化及變化規(guī)律的演示，易于學(xué)生理解、掌握。模擬不能重現(xiàn)的物理場景。有些物理實驗，揭示的是微觀世界的物理現(xiàn)象，實驗難以演示或現(xiàn)象很難觀察到，學(xué)生無法建立感性認(rèn)識，從而妨礙了對知識的理解，我們可以借助動畫來模擬展示微觀世界，幫助學(xué)生理解物理知識。如：硫酸銅溶液的擴散實驗，由于現(xiàn)象發(fā)生需要的時間太長，在課堂上不能直接觀察到結(jié)果；物理課中提到的許多儀器設(shè)備、場面及儀器的裝配，學(xué)生是不可能身臨其境的。如原子核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、a粒子散射實驗、電動機等實驗。從學(xué)生實驗角度看，為防止發(fā)生意外傷害、實驗儀器損失，或由于實驗條件的限制，有一些實驗像電流表反接、短路、用小量程測大電流、人體導(dǎo)電等，一般是不能做或不允許做的，這勢必影響學(xué)生對知識的構(gòu)建。虛擬實驗環(huán)境則可解決這一難題看，對學(xué)生深刻理實驗起到了非常重要的作用。（三）優(yōu)化演示實驗教學(xué)效果，突破學(xué)生理解難點在實驗的不同環(huán)節(jié)，信息技術(shù)都可發(fā)揮獨特的作用：在觀察環(huán)節(jié)極大地擴展實驗的可視性和可重復(fù)性，在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)使物理量的測量不但簡單方便，而且精度提高，在數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)則讓學(xué)生從機械、繁瑣的數(shù)據(jù)處理過程中解脫出來，投入更有創(chuàng)造力的方面。信息體技術(shù)是一種通過計算機，把文字、圖形、動畫和聲音等多種媒體信息進(jìn)行綜合處理應(yīng)用的技術(shù)。初中物理實驗與信息技術(shù)相結(jié)合，打破了常規(guī)實驗的局限性。通過模擬實驗的輔助，模擬一些重要的但在目前條件下難以精確完成的實驗,彌補常規(guī)實驗的不足，提高實驗的演示效果。同時，從傳統(tǒng)的演示實驗手段來看，有些實驗無法在課堂上演示；而有的實驗難度大，成功率低；有的實驗耗時長而又觀察不清。而信息交技術(shù)所提供的畫面可以把重點部分放大，也能縮??；同時還具有倒放、停格、快速選擇等功能。四、信息技術(shù)與物理實驗教學(xué)整合1、有效使用物理常規(guī)實驗與課件模擬實驗物理學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)。物理學(xué)中的概念和規(guī)律都是人們從生產(chǎn)、生活實踐和實驗中抽象、概括而積累下來的知識。中學(xué)物理實驗教學(xué)以培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新精神為目標(biāo)，以學(xué)生掌握課本中學(xué)生實驗所包含的實驗方法和手段為重點，以學(xué)生掌握物理知識、形成能力為最終目的。而學(xué)生對物理概念和規(guī)律的認(rèn)識、理解和掌握往往依賴于對物理現(xiàn)象的真實感知，這一過程只有依靠真實的物理實驗過程才能實現(xiàn)，因此有條件完成的實驗應(yīng)該先進(jìn)行實驗的演示，或讓學(xué)生親自動手實驗，給學(xué)生提供一個感性認(rèn)識的基礎(chǔ)，然后，適時切入課件，對實驗進(jìn)行模擬，使連續(xù)或瞬間的物理過程變得有序和可控，引導(dǎo)學(xué)生對實驗現(xiàn)象進(jìn)行分析和抽象。但是要特別強調(diào)的是，物理概念和規(guī)律都是來源于生活、生產(chǎn)實際和科學(xué)實驗的。模擬得再好的多媒體課件都不可能代替實驗室內(nèi)的傳統(tǒng)實驗和演示實驗，它只能起到輔助教學(xué)的作用。如果盲目地追求多媒體課件的運用，反而會適得其反。如有的教師在講全電路歐姆定律時，本來實驗就能夠很好地說明電路中的電流和電阻之間的關(guān)系，卻非要做成課件：在屏幕上放映通過改變電阻使其電流自動變化，去說明電路中電流和電阻間的關(guān)系。這樣，學(xué)生會認(rèn)為這些變化是教師人為做出來的，不一定是真實的。這說明，只有合理地把信息技術(shù)與物理實驗教學(xué)整合，使實驗教學(xué)上升到一個新的層次，才有助于學(xué)生發(fā)現(xiàn)規(guī)律、獲得知識，提高學(xué)生的科學(xué)文化素質(zhì)和實驗技能。課件作為物理實驗過程的再現(xiàn)、概括、補充或模擬，實現(xiàn)物理實驗和課件模擬實驗的優(yōu)勢互補，能充分體現(xiàn)物理實驗的教育教學(xué)功能。值得指出的是，對于一些抽象的理想實驗（如說明牛頓第一定律的伽利略理想實驗），外太空中的完全失重實驗，難以觀察的實驗（如電場線、磁感應(yīng)線的空間分布，LC回路中自由電子的振蕩過程），有危險而不能也不現(xiàn)實去做的實驗（如核爆炸、核反應(yīng)堆），在現(xiàn)有實驗條件下，無法對他們進(jìn)行實驗演示，借助多媒體對實驗進(jìn)行模擬展示是可行的。在物理實驗教學(xué)中原創(chuàng)性實驗的基礎(chǔ)地位不容置疑，課件模擬實驗只能是學(xué)生學(xué)習(xí)、認(rèn)知的輔助工具。用課件來取代物理實驗是不可取的。2、正確把握物理實驗教學(xué)中教師的主導(dǎo)作用與課件的輔助作用隨著現(xiàn)代教學(xué)媒體不斷完善和發(fā)展，計算機超文本、超鏈接特性廣泛應(yīng)用于教學(xué)活動中。教師運用自己的智慧制作出了許多優(yōu)秀的課件，在教學(xué)活動中，老師只需要點擊鼠標(biāo)，就可以按課件固化的教學(xué)過程來指揮課堂教學(xué)。這種用課件來代替教師的做法是不可取的。任何教學(xué)活動，都是師生相互作用的過程，在這一過程中，教師應(yīng)該根據(jù)學(xué)生不同的實驗情況和不同環(huán)境，適時調(diào)整教學(xué)過程和教學(xué)計劃，對教學(xué)信息進(jìn)行有效調(diào)整和引導(dǎo)。在物理實驗教學(xué)中，教學(xué)過程應(yīng)該充分體現(xiàn)對物理實驗的探索性，師生共同討論的合作性和學(xué)生思維的獨立性，這個過程不只是傳授知識，還有方法的啟示、能力的培養(yǎng)，這是任何現(xiàn)代教育媒體都不可代替的。每一堂優(yōu)秀的課例，都離不開教師成功的調(diào)控和主導(dǎo)，課件不可