在中學開設通信技術課程的探索

■余偉

在中學開設通信技術課程的探索

■余偉

在高中課程改革的大背景下，學校提倡開設各類校本課程，用以補充現(xiàn)行教材的不足，并拓展學生的知識面。筆者以通信技術相關知識為載體，編寫課程講義，作為一門校本課程在學校開設，就開設課程的背景、目的和意義、課程內容的選擇、主要的教學方法、開課后的體會等方面做一小結，旨在為中學開設校本課程方面做一些有益的探索。

開設課程；通信技術；探索

開設課程的背景

當前科學技術迅猛發(fā)展，知識更新的速度日益加快，因而學校教育面臨著新的挑戰(zhàn)和沖擊。為及時反映最新科研成果，補充課程結構單一的不足，更為重視解決學生素質的全面提高和個性才能的全面發(fā)展等問題。

中學物理教育是中學科學教育不可缺少的重要組成部分，也是進行科學教育的核心內容之一。物理課程的內容除以考慮知識體系是否系統(tǒng)、學科結構是否完整為出發(fā)點以外，還應重視中學生的發(fā)展需求、中學生的興趣以及中學生的未來學習生涯。在中學階段，應當教給學生些什么？這是國內外從事中學物理教育的專家、學者乃至教育工作者們共同關注的問題，也是中學物理課程改革必須解決的基本問題之一。

開設課程的目的和意義

對學生而言

1）以通信基礎知識為載體，使學生在理解通信原理的同時體會到科學家們在通信技術的發(fā)展過程中所付出的艱辛，以及體現(xiàn)出的科學精神、科學思想和科學方法。從麥克斯韋預言電磁波到今天的通信技術，無不滲透著科學家的探索精神、實踐精神；從盧瑟福的核式原子結構理論到玻爾的定態(tài)躍遷原子理論被人們接受的過程中既包含建立模型的研究方法又體現(xiàn)了實驗與物理理論的結合更加密切的現(xiàn)代物理思想；從愛因期坦受激輻射理論的提出到第一臺激光器的誕生，體現(xiàn)了理論對實踐的指導意義。

2）通過對電通信、光通信基本原理的學習，使學生感受到物理學對技術發(fā)展所起的作用，既拓展了學生的視野又可激發(fā)他們學習物理的興趣。如電磁波的發(fā)現(xiàn)導致通信技術的興起；激光器與光纖對通信技術帶來的變革。如電話和電視的原理：我們對著話筒說話，話筒就將聲音轉變成隨聲波而變化的電流信號，然后這個電流信號被傳送到接收者的電話機中，電話機就將這電流信號還原成聲音從耳機中放出來。電視也一樣，它先是逐幀逐行地掃描，將圖像亮度和顏色的變化轉變?yōu)殡娏骰螂妷盒盘枺儆么诵盘柸フ{制電磁波來傳遞圖像信息的。無論無線通信，還是光纖通信其傳遞信息的基本原理，都是以高頻信號作為載波即用聲音信號或圖像信號調制高頻信號。

3）通過使用光纖傳遞信息的動手實驗，親自體會光纖通信基本過程，學生會消除通信技術的神秘感，體會到高新技術也是他們可以觸及的，使他們勇于把所學知識應用于實踐。

對教師而言

1）在課程開發(fā)過程中，教師必須不斷學習有關科技前沿的知識，了解學生的需求。這樣，有利于提高教師自身的科學素養(yǎng)，把握學生的學習狀態(tài)和學習心理，促進教師課堂教學能力的提高。

2）解決課程開發(fā)過程中遇到的各種問題時，教師與專家和同行進行交流，收集、整理有關的資料，提高自身科學素質。

課程實踐在教學研究中所體現(xiàn)的新穎之處

1）編寫適合中學生水平的通信原理講義。用通俗的語言和圖解的方法闡述通信的基本概念，幾乎不用數(shù)學公式就能使學生初步了解從電通信到光纖通信各波段的概況。

2）深入淺出的授課方式。挖掘通信技術知識中蘊含的簡潔而樸素的物理原理，通過類比的方法啟發(fā)學生用已有的物理知識去理解現(xiàn)代科技中的高深理論。例如，用諧振子受迫振動的能量轉換解釋愛因斯坦的受激輻射理論是本次教學實踐中一次非常成功的嘗試。

3）設計一個通信技術的綜合性實驗。實驗包括三種現(xiàn)有常用的通信方式：以電流為載體的電話；以電磁波為載體的廣播；以光纖為載體傳輸語音和圖像信息。學生通過實驗要達到3個目的：理解通信的基本過程和傳遞信息的方式；通信系統(tǒng)的各組成部分及其功能；了解什么是有線通信和無線通信。

課程內容的選擇

根據(jù)課程開設的目的，考慮到選修課的課時限制、本校學生和筆者的實際情況，大體作了如下設計：現(xiàn)行教材中雖有涉及通信基礎知識，但沒有進行較系統(tǒng)的介紹，除了對無線通信有較詳細的介紹外，其他部分知識如激光原理、光纖通信等知識只是點到為止。部分學生通過學生問卷的方式表達了他們學習、了解高新技術的愿望。鑒于筆者在專業(yè)課的學習過程中，對激光的原理和光纖通信等知識的理解，選取了通信技術知識中的現(xiàn)代通信史、無線通信、模數(shù)信號轉化的原理、激光的發(fā)現(xiàn)和原理、光纖通信技術等幾部分內容作為選修課程內容。這些內容中，無論無線通信還是光纖通信，其傳遞信息都是以高頻信號作為載波，即用聲音信號或圖像信號調制高頻信號的方式進行，學生學習了這一基本原理就會對通信技術的發(fā)展主線有整體的認識。其中，現(xiàn)代通信史和無線通信這兩部分所選內容以學生自學為主，從知識的橫向拓展學生的視野；模數(shù)信號轉化的原理、激光的發(fā)現(xiàn)和原理、光纖通信技術這幾部分內容是在學生自學的基礎上進行必要的講授，從知識的縱向拓展學生的視野。

通信為生活帶來了方便，但信號的傳輸過程對大多數(shù)學生來說，還是陌生和抽象的，為了學生能體會到高新技術也是他們可以觸及的，課程內容中設計了電磁波發(fā)射及接收實驗和光纖通信實驗。

引導學生學習本課程采用的主要教學方法

實驗法

物理學是以觀察、實驗為基礎的科學。通信技術是學生既熟悉又陌生的技術。熟悉是因為在日常生活中，學生幾乎每天都早跟它們打交道；陌生是因為大部分學生在應用通信工具的過程中，對于通信中涉及的物理知識一無所知，或一知半解。實驗法在學生學習本課程的內容時起到三個作用：一是可以豐富學生們的感性認識，抽象的通信信號傳播、接收讓學生直接地感受到，加深學生對通信知識的理解；二是學生通過實驗，可以把物理知識和生活實際緊密結合起來，使學生養(yǎng)成善于分析、善于總結的良好習慣，使學生感到物理知識親切，能解決生活中的具體問題；三是通過光纖通信實驗，學生可以感受到本課程知識與現(xiàn)代科學技術密切聯(lián)系，學生可以迅速地接受新的信息、開闊眼界、活躍思想[23]。

因此，在教學環(huán)節(jié)中，為了讓學生了解現(xiàn)有常用的通信方式，學生主要做了電話通信實驗、電磁波發(fā)射及接收實驗和光纖通信實驗。其中光纖通信實驗的實驗內容為：把光發(fā)射機的發(fā)光裝置對準光接收機的接收裝置，學生可以觀察到光的傳播，通過光的傳播聲信號從光發(fā)射機傳到光接收機，若中間有障礙物則接收不到信號，這樣學生就可以感受到以光為載波傳播信號；增大光發(fā)射機與光接收機之間的距離，學生可以感受到聲信號逐漸減弱，體會光在空氣中傳播過程的耗損存在；光發(fā)射機與光接收機之間用光纖連接，學生可以觀察到光在光纖中傳播，而且可以得知信號明顯增強；彎曲光纖，信號強弱幾乎不變，幫助學生理解光沿光纖傳播，光纖線路彎曲對信號的傳播沒有影響，即信號被約束在光纖內傳播；在光發(fā)射管與光纖之間或光纖與光接收管之間加一放大鏡進行實驗，體驗光纖線路中耦合器的作用。

講授法

講授法是一種傳統(tǒng)的教學方法，它具有信息量大、短時獲得大量知識，受益面廣，能有效幫助學生理解，學習的效果相對比較好的特點。但它也存在缺點，即在能力培養(yǎng)方面，積極性調動比較薄弱。因此，在應用的過程中要盡量克服講授法的缺點，應注意講授本身要如何啟發(fā)、調動學生的積極性。在講授某一知識點時，要先設置問題情景；講授過程要把握節(jié)奏，關注學生注意力的持續(xù)情況；講授的內容不要太詳盡，即不完全講授，抓主干、留枝干，在重要的地方、容易混淆的地方設問，調動學生的積極性，并讓其進行短暫的思考。例如，在講授“激光的原理”這一部分知識時，可先通過實例展示激光各個方面的特性，為學生學習的新內容創(chuàng)設情景。在講授過程中可以設置以下的問題：

1）使物體發(fā)生共振的條件是什么；

2）自發(fā)輻射和受激輻射中哪一種產(chǎn)生的條件與共振產(chǎn)生的條件類似；

3）受激輻射與受激吸收是同時進行的，如何保證受激輻射發(fā)出的光子多于被受激所吸收的光子數(shù)，從而得到光放大；

4）光沿傳播方向前進時不斷放大，前進的距離越長，放大的倍數(shù)越高，由此，我們很容易想到把激光器制得越長，光放大倍數(shù)越大，但實際上大部分激光器的體積很小，是通過什么方法縮小激光器的體積卻不減少光的傳播距離呢；

5）處于高能級軌道上的粒子受激輻射后進入低能級軌道，就使處在低能級軌道的粒子數(shù)大于處在高能級軌道上的粒子數(shù)，這樣就會使得被吸收的光子數(shù)多于發(fā)出的光子數(shù)，光強就會減弱。怎樣才能讓處于高能級的粒子數(shù)再次多于處在低能級的粒子數(shù)。

通過這些情景與問題的設置，既可以啟發(fā)學生積極思考，又可以幫助學生理解激光的發(fā)光機理。

開設課程的體會

本課程在確定以通信知識作為內容后，在收集資料、編寫講義和授課的過程中，經(jīng)歷了與老師、同事交流，與學生一起做實驗，最后與學生交流學習心得的過程，重新修改講義。針對這一教學實踐，筆者有如下體會。

滲透于科學中的簡潔與和諧美，學生樂于接受、易于接受

在紛亂繁雜的自然表象中，概括出簡潔明了的規(guī)律，就是一種科學美。科學中的規(guī)律就是這種美的表現(xiàn)形態(tài)。例如，復雜的、非線性的信號通過量化后成了一串的“0”“1”，它是這樣簡潔、優(yōu)美。信號數(shù)字化后，為信號的發(fā)射、接收、保密、存儲等方面帶來的優(yōu)點是顯而易見的。學生很容易理解信號的數(shù)字化過程，在對信號的數(shù)字化理解基礎上也進一步地認識了寬帶是怎樣的概念（頻率越高即單位時間內輸出的“0”“1”越多，信息的容量就越大）。筆者認為，學生易于接受這部分知識，應歸功于科學知識中的簡潔所帶來促進學生理解知識的效應。愛因斯坦認為：“物理上真實的東西，一定是邏輯上簡單的東西。”物理學中的簡潔美不僅表現(xiàn)在“0”“1”為通信帶來的方便，而且在物理學的許多方面都有體現(xiàn)。例如，愛因斯坦的質能關系式E=mc2、普朗克的能量子頻率有能量的關系式E=hν、牛頓的萬有引力和庫侖的電荷靜電相互作用定律等，都是用極其簡單的形式去解釋復雜的自然現(xiàn)象。

實驗內容貼近生活，縮小物理知識與生活和科學的距離

一堆不銹鋼是冷冰冰的，然而當這堆不銹鋼制成了一件作品，如一匹騰飛的駿馬，或一株破土而出的幼苗，聳立在街心或公園時，客觀它給人們的感受絕不是冷冰冰的鋼鐵，而是一種生機。物理知識也是如此，當學生整天面對的是一堆概念、公式、符號時，就像面對著一堆冷冰冰鋼鐵。然而，當這些知識運用于生活和科學，或使“信息高速公路”通入家庭，或使航天飛機直上太空，它也決不再只是一些抽象的概念、公式和符號，而是一種愉悅和力量。學生就能感受到知識的力量，體會到所學知識與科技間的緊密。學生在做光纖通信演示實驗時，喜悅之情溢于言表。他們真實地看到光做為載體傳播信號，親眼目睹了科普讀物中的神秘細絲——光纖，他們知道了光纖傳遞信息的基本過程，感受到科學就在我們的身邊。

筆者認為，在平常的學生實驗中，若能明確這一實驗將為生活或生產(chǎn)實際帶來哪些方便，或某一高科技中的部分，哪怕是小小的部分用到了該實驗的原理，學生會對物理知識感興趣，也會更喜歡學習物理。

課程的開設，可以促進學生科學素養(yǎng)的提高

現(xiàn)在使用的教材內容中也有一部分和物理學科前沿的問題有關。例如，狹義相對論引入教材。普通中學的學生由于承受會考和高考雙重的壓力、學生的精力都投入到練習題中，無暇顧及教材選修內容的閱讀，更不用說自覺地去學習課外的科普知識。當前課程改革的核心理念就是強調學科教學在學生素養(yǎng)發(fā)展中的地位和作用，認為在高中的物理教學中可以、而且應當滲透進一些學科前沿的內容。通過通信技術課程的學習，學生可以感受到科學中的簡潔與和諧，體會到科技的神奇，認識到生活的改善離不開科技的發(fā)展，而且愛因斯坦、湯斯、梅曼等一系列科學家在通信技術的發(fā)展過程中不斷探索的事跡和精神也將會激發(fā)學生向未知領域的追求與探索。因此，通過通信技術課程的學習，可以促進學生更自覺地學習科學的前沿知識，提高自身的科學素養(yǎng)。

課程的開設，可以促進我們深入學習物理理論知識，挖掘物理法則中的普適性

有人問李政道先生，最初接觸物理學，有什么東西給他印象最深？他毫不遲疑地回答，是物理法則普適性的概念深深地打動了他，物理法則既適用于地球上你臥室里的個別現(xiàn)象，也適用于火星上的個別現(xiàn)象。這一思想對他來說是新穎的，激發(fā)著他的興趣。牛頓的萬有引力定律堪稱是物理學中普適性的經(jīng)典，贏得了后世無數(shù)科學家的贊賞，鼓舞了一代又一代青年走上獻身物理學研究的道路。在授課過程中，若能挖掘通信技術知識中蘊含的普適性的物理法則，同樣可以激發(fā)學生的學習興趣，促進學生對高深理論的學習。例如，共振的法則既適用于機械振動，也適用于光的受激輻射。

課程實驗結論表明，教師可以根據(jù)本校的具體情況，把當前的科技前沿的知識作為課程開發(fā)的載體，以某一角度為切入點，開設選修課或科技知識講座。我相信這些課程的開設將拓寬學生的視野，滿足部分學生渴望獲取最新科研成就的愿望，激發(fā)學生愛科學、學科學、用科學的情感。這些課程將是對現(xiàn)行教材的一種有益的、必要的補充。■

[1]閻金鐸.物理教學論[M].南寧:廣西教育出版社,1996

[2]鐘啟泉.現(xiàn)代課程論[M].上海:上海教育出版社,2006

[3]劉旭東.校本課程的理念與實施[M].北京:首都師范大學出版社,2003

[4]胡炳元.物理課程與教學論[M].杭州:浙江教育出版社,2003

[5]喬際平.物理學習心理學[M].北京:高等教育出版社,1991

[6]劉岳衡.聚焦科技前沿 培養(yǎng)理解能力[J].物理通報,2003(9)

[7]宋健農(nóng).新課標下的高中物理教學應關注學科前沿成果[J].物理通報,2005(4)

（作者單位：福建省廈門市海滄實驗中學）

10.3969/j.issn.1671-489X.2011.11.017