數字化物理教學的設計與實踐
——大學物理教學設計之三

吳天剛 倪忠強 吳於人

(同濟大學物理系,上海 200092)

數字化物理教學的設計與實踐
——大學物理教學設計之三

吳天剛 倪忠強 吳於人

(同濟大學物理系,上海 200092)

本文論述了什么是數字化物理教學,從而提出如何設計數字化物理教學,并指出數字化物理教學中值得討論的幾個問題.

大學物理;教學設計;數字化教學

數字時代,數字技術改變了生活,也沖擊了教育.有人提出了數字化教學理念,相應地物理數字化教學的研究和實踐也逐步展開.作為學生重要基礎課和素質教育課的大學物理課程的教學設計,如何充分地、科學地利用數字技術,使學生在高效率掌握知識的同時,提高學生自主學習意識,培養學生科學探究與創新的興趣和能力,成為當今時代物理教師應該研究的重要課題之一.

1 什么是數字化物理教學

對于一門課程來說,若不考慮教學管理范疇,所謂數字化教學,則包括教學內容數字化和教學手段數字化.

物理教學內容數字化,應包括兩個含義,一是模擬信號數字化,二是現象規律數字化.模擬信號數字化是指利用計算機信息處理技術把力、聲、光、電、磁和溫度等信號轉換成數字信號,或把語音、文字、圖像等信息轉變為數字編碼,用于傳輸、處理與分析[1].在這個過程中傳感器、AD/DA轉換接口和計算機是必不可少的重要組成部分.圖1為熱聲效應遠程客戶端界面,該實驗可以遠程操控真實設備,通過數據采集觀察實驗結果,并通過攝像頭及網絡傳輸觀察真實實驗的視頻信號.實驗時遠端客戶機前的學習者可以按下實驗界面中“打開儀器”的按鈕,通過網絡傳輸和DA轉換接口,數字信號轉變為電信號,啟動真實的試驗裝置.實驗中由于聲波產生的熱泵效應引起熱聲堆上下產生溫度差,傳感器將溫度信號轉變為電信號,AD轉換接口將電信號轉換為數字信號輸入計算機.圖1中實驗數據的采集、圖表顯示和實景顯示的窗口,均為模擬信號數字化的結果.現象規律數字化是指利用計算機軟件技術進行數值計算或仿真,模擬現象,研究規律.圖2為大學物理數字化教學網上展示的部分數字化教學成果[2].這些物理現象的模擬使用C++和OpenGL(Open Graphics Library,開放的圖形程序接口),不但生動再現了物理現象,而且揭示了物理規律.通過應用這類課件,教學內容可以更為深入,教學效益更為提高.學生運用計算機工具研究物理的過程,也是提高研究能力的過程.

教學內容的數字化引起教學內容的傳媒發生改變,教學手段的數字化也便同時發生.利用計算機和投影設備授課,利用計算機網絡教學,利用計算機改造實驗以及利用計算機測試和評價等數字技術的應用越來越普遍.

綜上所述,數字化物理教學的實施過程是信息技術全面改造課程的教學過程,是數字化在教學中聚合的過程,是教學改革中技術路線的實踐過程.

2 如何設計數字化物理教學

利用信息技術設計物理課程的數字化教育模式,是一項十分艱苦而有意義的工作.我們努力設計培養創新人才的探究型學習模式,建設數字化物理學科文化環境,開設利用信息技術解決物理問題的選修課[3].下面就課堂內外的教學活動討論數字化物理教學設計.

2.1 設計科學的混合式數字化課堂教學模式

大學物理課程的講授,難點之一就是對于物理情景的再現.物理教學中的很多情景是理想狀態下或者是微觀世界的現象,因而利用數字化的手段對于情景的再現,有其得天獨厚的優越之處.

目前,利用PPT和各類物理多媒體課件上課的方式已被廣大教師接受,也普遍認為黑板和計算機投影應共存.我們認為,應根據教學需要,采用科學的混合式數字化物理教學模式,才能達到最佳教學效果.

科學的混合式數字化物理教學模式,要求教師在一次講授中,能夠合理使用各種教學媒體,包括板書(傳統或數字化黑板、白板板書,計算機屏幕上用鼠標簡單標記或隨堂輸入)、計算機教案、多媒體課件、演示實驗(數字化和非數字化實驗設備),也能適時分析學生計算機研究作品或利用自己及其他教師的計算機研究作品和學生一起探究物理規律.

例如在“拍”的教學中,我們可以利用音叉讓學生聽;可以利用計算機實時測量系統讓同學們很直觀地在計算機屏幕上看到兩個同方向同頻率振動合成的過程;可以利用 Flash交互課件插入PPT演示;還可以利用Matlab等軟件讓同學調節參數觀察和聆聽結果.當然,并不是媒體用得越多越好,媒體的選擇和運用設計要根據內容、課時、學生、教師等諸多因素決定.

2.2 建設友好的互動式數字化課外學習環境

建設數字化課外學習環境,就是要利用計算機網絡技術的優勢,研究青年學生的學習心理需求,保證網絡環境的友好性和互動性.教學網站的特點決定了它比其他企業網站需要實現的功能更為強大與復雜.這因為網站不僅是信息發布,論壇討論或辯論,重要的應該體現在利于協同學習的交互功能之上,以及全方位的、專業性強的資源共享(最好是分布式管理的資源共享).

網站建設的目的就是利用現代信息技術,實現更高層次的教學目標,所以教學網站一定是圍繞教學展開的.我們認為物理教學網站應該是課堂教學的延伸,這個延伸不是課時的延時,而是結合網絡的強大功能,拓展學生的知識,提高學習的效率和學生自主學習的能動性.同濟大學物理課程網站設計時除了常用的功能(包括信息、資源發布、上傳下載學習材料、留言、討論等)外,還加強了下述的功能開發和建設.

網絡雜志為激發學生的學習自主性,我們為學生開發了網絡雜志系統,在這個系統中,學生可以在線設計自己的物理雜志,學生在編輯雜志過程中,本身也是一個學習的過程,透過每期的物理網絡雜志,可以透射出學生的投入和探索精神.雜志編輯和撰寫過程中,學生不但開拓了課堂外的知識,更激發了他們的學習積極性和能動性.

物理博客學生學習的自主性在物理博客中也有很好的體現.打開每一位學生的博客,都能讀到很好的科技文章,更多的是在博客中學生會提出自己的見解,還有學習中的經驗和體會也會在博客中供大家參考.自開設博客專欄后,這個板塊一直受到學生的青睞.

題庫和在線測試網上測試系統,除具有在線輸入或批量導入題目、題庫管理、隨機或手動組卷、自動評分、成績統計等功能外,還可與學習計劃、學習跟蹤、操作跟蹤相關聯,便于教師及時掌控學生的學習信息,強化網絡教學管理.

教師教學設計交流為方便教師提高教學水準,開設了面向教師的物理教學設計站點,在該站點中,由經驗豐富的教師提供素材,專門為教師設計了每堂課的教學方案,并提供大量多媒體資料和題庫,此外還設有教學研究板塊,教師可以在此進行理論交流.可以說,這個板塊在同類網站中開了先河.

2.3 開展豐富的創意性數字化物理研究活動

開展內容豐富、形式多樣的物理研究活動,在活動中鼓勵學生進行數字化研究,在研究中培養學生的創新意識和能力,其效果是課堂教學所不能達到的.在同濟大學物理系組織每年一次的全校非物理專業物理競賽活動中,學生可以自由選題,不少同學都選擇數字化應用方面的題目,在決賽中產生了像“環繞立體聲”、“基于 Matlab的單擺周期研究”等一批理論聯系實際、很有創意的優秀作品.有些作品在國內大學物理教學中是首創.通過競賽,培養了學生學習物理課程的興趣以及綜合應用基礎知識的能力,使他們在查閱資料、分析問題、邏輯推理、實踐技能及表述等各方面有了充分的鍛煉和提高.

學生在物理學習中的創意研究,我們也幫助他們提煉和深入,繼續申報學校、上海市和全國的大學生創新項目研究.

3 數字化物理教學中值得討論的幾個問題

3.1 數字化運用的工具性和必然性

就像黑板、粉筆出現后,班級教學代替私塾(師徒)式教學;數字化技術的出現,必然引起教學手段和模式的改革.但是數字化設備和軟件是工具、是媒介.教學目標是課程教學目標,數字化有助于教學目標的實現,其本身不是教學目標.因而必須明確數字化運用的工具性和必然性.

3.2 數字化推廣的差距性和層次性

由于學校、科目、學生、教師和各種客觀條件的差異,應該承認數字化推廣的不平衡性.我們應該在承認差距的前提下研究差距,有層次、有節奏地、因地制宜推廣數字化教學經驗.

3.3 數字化發展的開放性和協作性

由于數字技術發展的高速性和開放性,決定了推廣數字化物理教學建設經驗,建設數字化物理學科學習環境,設計適應數字化時代的物理教學內容和手段模式,是需要分布在各校的廣大教師協同進行的事業.物理教學的數字化發展一旦凸顯開放性和協作性的特征,物理教學也便凸現飛速發展的趨勢.

[1] 陳顯玲.試論中國報業調整期發展策略之數字化生存.第二屆全國新聞學子優秀論文評選獲獎論文,http://media.people.com.cn/GB/22114/44110/55469/4896668.html

[2] 大學物理數字教學.中國數字物理教學工作室主辦.http://chphy.zhetao.com

[3] 王祖源等.論物理教學中信息技術的應用.大學物理教育專刊,2006

2009-06-08)