淺談信息技術與物理教學整合研究中的三個層次

韓建光

（常熟市教育局教科室，江蘇 常熟 215500）

信息技術與物理課程整合的研究伴隨著筆者的教學實踐活動已經有十多年的歷程，用當下的思考來回顧這個歷程，筆者的整合研究形成了以下3個層次.

1 輔助教學

所謂“輔助教學”，就是在現有的課堂教學構架中，把信息技術作為實施課堂教學的一種特殊手段，從而在縮放時空、模擬真實、提高興趣、增大容量等方面起到了傳統媒體無法實現的效果，這種技術延伸了教學的視野，通常教師們會運用一些多媒體集成軟件將文本、圖片、聲音、視頻、動畫等整合在一起形成所謂的“課件”.

筆者還探索了一種新的做法，那就是在課堂上現場構造物理問題，這樣做的好處是可以充分展示問題構造的過程，使得學生親自感受到問題構造的科學性，揭開課件制作的神秘面紗，從而激發學生參與構造問題的興趣.

例如，教學中有這樣一個問題：真空中有一個半徑為r的圓柱形勻強磁場區域，磁場方向垂直于紙面向里，Ox為過邊界上O點的切線，從O點在紙面內向各個方向發射速率均為v0的電子（e、m），設電子間的相互作用力忽略，且電子在磁場中的偏轉半徑也為r.問所有從磁場邊界出射的電子，速度方向有何特征？

上述問題是帶電粒子在磁場中偏轉時經常遇到的問題，關鍵在于勾畫出粒子在磁場中運動的軌跡與磁場邊界間的幾何關系，用“幾何畫板”現場做如下的構造，很快就能解決問題.

（1）建立直角坐標系，原點設為O.

（2）在y軸上做一個點，設為O1.

（3）選擇O1O，做圓O1，作為磁場的邊界.

（4）選擇O O1，做圓O，電子做圓周運動時的軌跡的圓心在該圓上.

（5）在做圓O上做點O2.

（6）選擇O2O，做圓O2，作為電子做圓周運動時的軌跡.

（7）做圓O1圓O2的交點P，該點就是電子射出磁場時的點，此時速度設為v.

上述構造過程的展示，實際上已經將問題的關鍵探討出來了，當拖動O2點，可以觀察所有從磁場邊界出射的電子，速度方向的特征，即速度始終與x軸平行，如圖1所示.

實際運用過程中要注意以下幾點.

（1）提前熟悉問題構造時的物理模型，做到心中有數，避免教學現場浪費時間，甚至出現科學性的錯誤.

（2）選擇那些構造簡單、物理背景明顯的問題作為現場構造的素材，充分體現幾何畫板軟件的特點.

（3）盡可能采用點、線、圓等簡單的工具就可以完成的構造問題，避免用到復雜的技巧和計算.

2 促進探究

所謂“促進探究”，就是把計算機作為一種學習活動中的認知工具，它從挖掘學習者思維的深度實現非良構知識的學習，它可以掌握在教師手中，更多的時候可以掌握在學生的手中.“計算機多媒體軟件以及交互性和超文本鏈接的能力顯示了它在科學教育中的巨大發展潛力.在中學物理的學習中提倡智能型的軟件，學生輸入條件后按照科學規律自動給出正確的情景……，這種教學軟件可以豐富學生對物理情景的感知認識，深化對于科學規律的理解.對于中學物理實驗室中不能完成的實驗，這類軟件的意義更為重要.”《物理課程標準解讀》就物理學科實現深層次探究性學習而言，像“幾何畫板”、“仿真實驗室”、DIS（數字信息系統）等就是非常適合物理學科教學中應用的智能型軟件.

例如，“帶電粒子在電場中的偏轉”是電場中的典型問題，在中學階段這是一個很難實現定量研究的實驗，筆者用幾何畫板開發一個虛擬的探究情景，界面如圖2所示.

圖2

這個情景可以幫助我們探究下面的一些問題，帶電粒子經過電壓U加速獲得的速度v與加速電壓、粒子荷質比間的關系；再經過電壓U′偏轉后偏轉的位移y、偏轉的角度tanθ與加速電壓U、粒子荷質比、偏轉電壓U′、板長L、板間距離d等參量間的關系.

特別是下面兩個結論可以很直觀地觀察到：一是加速并偏轉后粒子的偏轉距離與粒子荷質比無關；二是當粒子從電場飛出時，其速度的反向延長線與x軸的交點正好是Ox的中點，這一個結論對類平拋運動都是成立的.

開展基于“促進探究”的教學實踐活動時要特別關注以下幾點.

（1）關注物理探究情景的科學性.

探究情景具有科學性是最基本的要求，要改變“輔助教學”層次上“課件”更關注視覺效果的做法，轉而關注學習者在學習過程中思維的深層次發展，只有這樣，信息技術與課程整合的研究才能真正與新課程的改革要求相適應，讓探究情景成為學習者思維活動展開的舞臺.一旦設計者確定了一種模型關系，軟件就可以在變化過程中始終保持這樣的關系，并且以“圖形”的方式表現相對應的內在聯系，以內在的不變性體現變化過程背后的規律，這種有一定智能性表現的情景，正是實現探究性教學活動的最佳選擇.

（2）設置物理探究情景的可探性.

設定物理探究情景進行探索性學習時，要讓學生主動探索，教師從簡單的知識傳授者轉變為學生活動的設計者、學習情景的設計師、學生學習過程中的導師和伙伴.學生在這一過程中一定會有一些問題和障礙，主動探索的結果更多的時候也許是片面的甚至是錯誤的，但我們不應只看重學生探索的結果，更應重視這一過程中出現的學習主動性、思維上表現的創造性和新穎性.

像“仿真實驗室”軟件提供與真實器件完全相同的虛擬實驗儀器，像電流表、電壓表、電阻箱、燈泡、電鍵、電鈴、干電池、蓄電池等，還提供了一些設置物理情景時常用的構件，像帶電粒子、斜面、長直木板、彈簧、連接細繩、磁場、電場、重力場等，使用時構建出的實驗及問題情景視覺效果非常逼真，更重要的是根據實驗的需要，可以設置運動對象的相關參數，比如質量、電荷量、速度等.

例如探究點電荷的場強分布特點，可以設置一個源點電荷放置在坐標原點.電荷量設置為0.003C，另設置一個試探電荷，電荷量設置為0.001C，實驗環境設置成不考慮電荷間的庫侖力，并用箭頭顯示庫侖力矢量.當用鼠標拖動試探電荷在源電荷附近移動時就可以動態看到庫侖力矢量的變化過程，也可以在源電荷周圍不同距離的地方放置一組試探電荷，對比這些電荷的庫侖力矢量就可以了解電場的分布，非常直觀、形象，如圖3所示.

（3）能夠模擬科學探究的一般過程.

適合開發、促進探究活動開展的軟件一般都具有強大的計算、繪圖功能，以數形結合的方式來處理所采集的數據，建立起物理模型中的數學規律.一般用函數圖像與所描繪的數據點進行“擬合”的過程本身就是一個科學探究規律的一種方式，這種“觀察實驗、抽象思維、數學處理”三者有機相結合的方法是物理學探究的基本方法.當然與物理新課程倡導的“科學探究”活動中的7個要素即“提出問題、猜想與假設、制定計劃與設計實驗、進行實驗與收集證據、分析與論證、評估、交流與合作”也是一脈相承的.

圖3

3 構建信息化的學習環境

所謂信息化的學習環境要能夠實現包括教師的教學設計、教學過程的實施、教學的過程性和終結性評價等，要能夠記錄學習過程中的思維軌跡，能夠實現結果與過程相結合的評價，充分發揮網絡在收集信息、分析信息、共享信息、反饋信息、評價信息上的獨特優勢，充分發揮學生在學習活動中的主觀能動性.

這樣的信息化學習環境，是對現有的傳統的學習環境的一種系統更新，就像南京師范大學吳康寧教授在《信息技術“進入”教學的四種類型》一文中說的那樣“目的在于形成一種全新教學時空，最大限度地聯結學生的經驗，最大限度地激發學生的興趣，最大限度地挖掘學生的潛能，最大限度地引發學生的創造性，最大限度地促使學生去完整地感知盡可能完整的世界.”

筆者在進行高中物理中“單擺”這一教學活動時，開發了一個網絡化的自主學習環境，所有的探究活動全部在這個網絡化的課件內完成，課件的界面如圖4.

圖4

主要的欄目有自學導航、理想模型、受力分析、實驗探究、數據處理、成果展示、在線測試、繽紛單擺、科學人物、你問我答.這些欄目設置時考慮了網絡環境下的學習特點，分為3類.

（1）電子文檔類：包括“自學導航”、“理想模型”、“受力分析”、“繽紛單擺”、“科學人物”.這些欄目中主要以文本為載體提供了豐富的資料，拓展了教材中的學習內容；另外文檔中根據需要通過超鏈接的方式實現了課件內資源以及課件與互聯網的貫通.

（2）信息共享類：包括“實驗探究”、“數據處理”.這些欄目通過服務器實現強大的交互功能，實驗方案的設計、實驗數據的共享、處理好的實驗結果的下載、上傳等均在這些欄目中實現.

（3）學習評價類：包括“在線測試”、“你問我答”、“成果展示”.這些欄目實現了終結性評價和過程性評價的有機結合；“在線測試”的時間、題目數量、組合方式都可以根據需要設定，測試的結果也會同時反饋和共享；“成果展示”欄目中有教師預設的問題供學生選擇，同時要求學生在完成學習任務后將自己的成果在此發布，讓教師和學伴評價；“你問我答”欄目則實現了師生間、學伴間即時的信息互通，它是通過一個設置在課件內的聊天室實現的，這個聊天室只能為登陸了筆者的課件的學習者服務，因此交互的信息的指向性非常強，很好地發揮了聊天室的學習功能.

在“探究周期與擺長的關系”這一關鍵問題時，筆者把學生分成28個學習小組，每兩個學生一組，由于課堂時間上的限制，每組學生不可能在課堂上測量很多組數據，要求每組至少測出一組周期與擺長的實驗數據，這樣可以有至少28組數據可供大家共享，這里網絡共享的功能就得到了充分的發揮.要求學生將自己測出的擺長和周期的數據發布在課件中“數據處理”欄目中，如圖5所示.每個實驗小組從網絡上收集其他學生的實驗數據，并用從網絡課件上下載一個“幾何畫板”處理這些數據.具體處理時的操作方法在如圖6所示的界面中的“操作說明”；然后將處理好后的“幾何畫板”再上傳到課件上的“成果展示”欄目中發布.

圖5

圖6

（2）調節界面上的參數更改點“n值調節”、“K值調節”，屏幕上的圖像會發生同步改變，直到圖像與描繪的數據點擬合地最好.

教師分析學生作品時突出蘊含在其中的物理科學方法，得出單擺的周期公式.下面是一個學生上傳的作品，教師做如下的分析.

（4）界面中的Y點明顯偏離了擬合的曲線，通過測量其坐標查找出了這組數據為（0.72，1.47），分析中應將該組實驗數據剔除.