淺談信息技術在物理探究式教學中的應用

李明哲　張安

摘 要：沒有經過深思熟慮就將信息技術運用到教學中，不僅無法達到利用信息技術“促進探究”的效果，還有可能削弱學生的觀察和實際操作能力。本文力圖通過分析“仿真物理實驗”、“DIS實驗”和“計算機輔助數據處理”三種典型的信息技術手段在物理探究教學中的優勢與不足，提出物理探究教學中應用信息技術的決策模型，用以優化教學設計，提高教學的有效性。

關鍵詞：物理探究式教學；信息技術；仿真物理實驗；DIS實驗

1 引言

《基礎教育課程改革綱要（試行）》明確指出：課程改革要“大力推進信息技術在教學過程中的普遍應用，促進信息技術與學科課程的整合”。近年來，信息技術與學科課程整合不斷發展，信息技術在教學中的作用已經從“多媒體展示工具”向“認知工具”的方向發展。特別是“幾何畫板”、“仿真物理實驗室”、“DIS實驗系統”等智能型軟硬件的出現，在實時測量、處理實驗數據、分析實驗結果等方面有了快速高效的手段。將信息技術合理應用到物理探究教學中，可以起到明顯的“促進探究”作用，深化學生對物理規律的理解。但是，盲目地在物理探究教學中使用信息技術，不僅無法產生“促進探究”的正效應，還可能削弱學生的觀察和實際操作能力。因此，只有深入了解不同信息技術的特點，分析它們在學習活動中的優勢與劣勢，才能有機地將信息技術與物理探究教學整合起來。

2 物理探究式教學中常見的三種信息技術比較

仿真物理實驗室、DIS（數字化信系統）實驗和Excel數據處理是三種典型且具有一定“智能型”的軟（硬）件系統，作為教學活動中的認知工具，它們在目前的物理實驗探究過程中被使用的頻率越來越高。這三種技術無論是從設計目的還是操作的易用性方面都有較大的差異，更重要的是它們與傳統物理實驗手段之間存在著不同的互補性對比（見表1）。

3 物理探究式教學與信息技術整合決策模型

通過上述的比較分析發現，不同的信息技術手段或模式各有優劣，在傳統實驗與現代化的信息技術手段之間，并非取代和被取代的關系，而是互補的關系。在物理探究式教學過程恰當地運用信息技術才能最大限度地發揮激發學生學習興趣、提高學生參與熱情的功能。要實現這樣的目標，必須從教學設計入手，根據不同教學內容整合最優的信息技術。圖1為在探究式教學設計中應用信息技術的決策流程圖，該過程根據不同信息技術與傳統實驗的互補點提出三個判斷問題，并由此來決定選擇何種方式完成探究任務。

4 運用決策模型的教學設計案例

案例一 ：探究帶電粒子在勻強電場中偏轉的規律

“帶電粒子在電場中的運動”是高中物理的重點模型，但是難以用傳統手段進行定量研究，學生對帶電粒子的運動只能停留在抽象數學模型中，而“仿真物理實驗”則可以十分方便的模擬帶電粒子在勻強電場中運動的情景。圖2為 “帶電粒子在勻強電場中運動”的模擬實驗界面。

仿真物理實驗室提供了豐富的參數設置和動態顯示模式，模擬實驗過程可以隨時暫停和終止。在“對象”中點擊右鍵即可進行相關參數，如粒子的電荷量、質量、初速度，電場的長度、寬度、場強等。這樣的模擬操作讓帶電粒子運動形象化，學生有了很直觀的體驗，對進一步理解和運用帶電粒子在電場的偏轉規律打下良好的基礎。

案例二：自感現象的實驗探究

在自感現象的教學中，通常通過觀察電路中小燈泡亮度延遲（或閃亮）現象來反映電路中線圈的自感作用。實驗操作簡單、現象明顯，可以很好的證明斷電自感現象的存在，無需借助模擬實驗加以呈現。但是由于自感現象持續時間很短，學生很難直觀感受通過小燈泡的電流如何隨時間變化，更無法觀察開關斷開后通過小燈泡的電流與原電流方向相反。

借助DIS實驗系統，只需在傳統原實驗電路中接入電流（或電壓）傳感器。既保留了實驗操作簡單、現象明顯的特點，又可以利用DIS的高頻采樣和實時記錄的功能，對短暫的電流變化過程進行數據記錄并通過數據繪圖（示波）功能將電流的變化直觀的呈現出來（如圖3）。同理，通電自感現象也參照此法進行實驗研究。

在本課例中，DIS技術的介入彌補了傳統實驗在觀察暫態現象和數據圖像化處理等方面的不足。中學教材中譬如“探究感應電動勢大小的影響因素”、“碰撞中的動量守恒”等內容，均可運用DIS實驗對傳統實驗進行恰當的補充和改進，增強實驗的直觀性和可信度。

課例三：探究折射角與入射角的關系

探究折射角與入射角的定量關系是折射定律（斯涅耳定律）教學中不可缺少的環節，此環節的重點是測量多組入射角i和折射角r，通過數據分析找出它們的定量關系。傳統實驗中，數據處理通常是利用列表方式進行。但是，受學生計算效率和教學時間的限制，在課堂上很難讓學生測量多組數據，也無更多時間讓學生對i和r間的定量關系進行猜測和測算。

根據第3點決策模型易發現利用Excel輔助進行快速數據處理，是優化本探究實驗的合理方案。在Excel中建立數據記錄表，可以多設計幾種i和r的定量關系，并在相應列中輸入相應的計算公式。實驗過程中直接將測量數據填入表格，立即得到計算結果，就可以分析哪一種猜測是合理的。采用這種方式后，數據處理的時間大大縮短，有利于學生開展更多的猜測和探究。此外，還可以利用Excel中繪制數據趨勢線（即擬合）功能，對不同的定量關系進行數據擬合，直觀對比就可發現sini與sinr呈現出最佳的線性關系（如圖4）。

5 結語

探究式教學是學生體驗科學探究的有效方式，信息技術在科學探究中的作用越來越大，將物理探究式教學與信息技術的整合既是豐富物理教學方式的渠道也是培養學生探究能力的有效途徑。對于探究中不可或缺的物理實驗，在教學設計時充分考慮到傳統實驗手段與信息技術的優勢互補，合理運用物理探究式教學與信息技術整合的決策過程，才能讓信息技術最大程度的發揮“促進探究”的作用，實實在在讓學生實際操作能力、觀察能力和思維能力得到發展。

參考文獻：

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