淺談數字化教學在物理教學中的恰當應用

朱曉敏

從70年代中期起，計算機技術開始與教學相結合，產生了計算機輔助教學（CAI）.自80年代中期開始，計算機飛速發展并成為重要的教育技術之一.進入21世紀，借助于網絡的計算機輔助教學也已經興起.在近幾年，又出現了數字化物理實驗平臺（即我們所說的傳感器）的發展與完善，計算機作為一種高度交互的媒體，它在教學領域中正在發揮越來越大的作用.隨著科技的發展，數碼產品：例如手機，平板電腦等功能的多樣化，中學物理教學中利用計算機，數碼產品輔助教學無疑有其不可替代的優越性，然而這些數字設備作為一種工具也必然有一定的局限性.本文將對中學物理中如何科學的利用數字設備輔助教學談一些粗淺的看法.

1 應該對數字化教學的作用有一個清楚的認識

在傳統教學模式中，教師通常使用文字、語言、動作等表達方式把知識傳授給學生.有時為了教學直觀，教師會借助于實物、模型、掛圖和實驗等教學輔助工具來演示和闡述所講內容.當然這些教具是必不可少的，但有其局限性：例如，有些被研究的對象太抽象（如電場線、磁感線），有些被研究對象太大（如人造衛星的運行）或太小（如分子的熱運動），無法用實物來展示；有些運動過程發展變化非常迅速（如碰撞過程、波的疊加），有些過程進行得非常緩慢（如某些放射性元素的衰變），用模型、掛圖、實驗則不能準確反映，甚至根本不能正確說明.某些內容雖然用錄像或頻閃照相的方法也能夠反映出來，但因這些方法的交互能力差，教師不能任意地調用.而數字化教學能夠利用計算機恰恰彌補了傳統教學手段的不足.其一，由于它的交互性，使教師演示時機動靈活、迅速方便、輕松省時，從而使課堂容量增大，課堂效率提高；其二，由于它圖、文、聲并茂，使傳統教學中無法或難以表達的內容形象直觀地展現在學生面前，能使學生學習的注意力集中，對現象、過程的認識和理解更加深刻，記憶更加牢固，從而獲得了更好的教學效果.

2 應該把數字化教學與物理實驗給合起來應用

多媒體課件在物理教學的應用中雖然方便、簡捷、直觀，而且外觀精美，但同時也失去了物理實驗的直觀和演示驗證的功能，在說明物理事實的方面缺乏可信度.物理學是以實驗為基礎的自然科學，因此實驗在物理教學過程中是必不可少的.然而有些實驗數據處理起來比較繁索，也有些實驗過程變化迅速，研究起來不太方便，還有一些實驗由于設備限制而無法進行，因此若能把數字化教學與物理實驗結起來應用，各取所長，則可收到事半功倍的效果.

2.1 利用計算機輔助分析實驗數據

快速計算、作圖是計算機的優勢之一，多媒體軟件可幫助我們分析實驗，進行數據處理，作出相應的關系圖像，以提高課堂效率.如在《探究單擺周期與擺長的關系》實驗中，學生需要通過實驗所測數據，做出T-L，T2-L，或T-L2甚至更多圖像，從而來確定單擺周期和擺長的關系.原來由于實驗數據的處理比較繁索，運算、作圖工作量很大，一節課很難完成實驗得出結論；若用EXECL軟件輔以數據處理、作圖（如圖1），把繁雜的計算交給計算機處理后，學生有了更充足的時間來分析，歸納，總結得出實驗結果.不僅如此，還可以使學生在掌握知識的同時領悟到物理學的研究方法（包括控制等量法、實驗法、作圖法等）的魅力，大大地提高了課堂效率.

2.2 利用數字化物理實驗平臺分析演示實驗

利用計算機信息技術的特有功能分析物理實驗，能讓學生對新學知識點的理解更容易，更加深刻，記憶牢固.比如在《互感和自感》這一內容的教學中，對于斷電自感現象：當電路中（圖2）的電流突然減小時，線圈產生自感電動勢，使小燈A延緩熄滅，甚至有的實驗中會出現燈閃一下再熄滅現象的原理以及此時小燈泡中的電流方向問題，理論分析的結果若能有實驗驗證，那就更能體現物理的魅力了. 那么，我們可以利用傳感器，將電流這一物理量的變化，通過傳感器，在計算機上直觀真實地展示出來，那學生的印象更深刻，理解起來更容易.如圖3就是傳感器顯示的自感電流隨時間的變化圖象.該圖象既顯示了自感電流的大小變化，也顯示出了電流的方向變化，這讓學生對自感電流大小方向變化的了解更形象更具體，結合理論分析的結果，對自感這一知識點的掌握就更加透徹了.

再如《通電導線在磁場中受到的力》，在電流和磁場垂直時，實驗演示器材通過導軌上的導體棒的運動能很好地演示其所受安培力的方向（如圖4）.但是要演示電流與磁場平行時不受安培力，這個器材就有點欠缺了（如圖5）：導體棒不動，只能說明在水平方向導體棒不受力作用，那在豎直方向呢？若在這個實驗中，導軌上加上一個壓力傳感器，通過計算機顯示的壓力大小反應即使在豎直方向上，也不受到安培力，更能嚴密準確的說明通電導線在電流與磁場平行時中不會受到磁場的作用力.從而能夠說明導線在磁場中的受力是與電流的擺放位置也有關系的.

在數字化物理實驗平臺（即我們所說的傳感器）加入了教學媒體后，我們可以有很多實驗由傳感器來直觀體現一些物理量及其變化，如交流電的產生：線圈在磁場中轉動產生交流電，電流的大小方向變化，可以通過電流傳感器，由計算機顯示，盡管不是完全是正弦或余弦的圖象，但的確能看得出電流隨時間周期性變化；氣體的等溫變化實驗中，壓強和體積的變化關系等，在這里就不一一例舉了.

2.3 利用計算機輔助模擬或展示無法直接觀察的實驗

對于大部分近代物理實驗，在中學階段由于設備限制而無法進行，若能利用計算機信息技術進行模擬，則可形象直觀地反映物理現象，從而體現物理課的時代氣息.如α粒子散射實驗，大部分的中學不能做，書上也只有一個示意圖，利用計算機，模擬這一實驗過程，可以幫助學生理解實驗過程和結論.還有可以模擬無法實際觀察到的物理過程如分子的熱運動等；另外，利用手機攝像慢動作來展示變化太快的物理過程，例如在探究曲線運動中運動方向的實驗中，若是做實驗，利用透明圓塑料桶罩住小球使其做圓周運動，突然拿開塑料桶，觀察小球在失去外力作用下的運動方向，這個實驗往往小球運動太快，無法觀察，那可以用手機慢動作拍攝，然后播放時觀察小球失去外力后的運動方向.現場拍攝學生實驗過程，現場播放，吸住學生眼球，提高實驗研究效率，活躍課堂氣氛，達到更好的教學效果.

數字化教學，在物理教學中應用有很多，我們可以結合各種數碼設備，網絡資源，凡是有助于提高課堂效果，培養學生學習興趣的手段，器材都可以想方設法融入課堂，輔助課堂.

3 應該注意數字化教學在物理教學中的局限

數字化教學縱然有種種優點，處處便利，但在教學中的應用也要適當，不應為了體現課堂多媒體化而進行數字化教學，而應精心挑選那些非數字化技術不能或只有數字化教學效果最佳的知識內容，進行精心設計，合理使用，從而發揮數字化教學的優勢.比如振動、波動和核反應等利用電腦課件的效果就比較好；反之如果課件的運用只是將大量的板書和推導過程或作圖過程寫入，在課堂上顯示，則學生印象不深，不易吸收，倒不如教師在黑板上一邊講解一邊書寫或畫圖的效果好；另有些現成的而且能達到教學要求的實驗，如果改用播放動畫來展示，則會缺乏真實感，弄巧成拙，不如用實物進行演示更具說服力，更能使學生信服.例如 自由落體的教學中，利用牛頓管演示真空中的自由落體，非常的真實，現象明顯，同學們觀察實驗后的印象也會很深刻，畢竟是真人真事真實驗！若是利用電腦課件模擬，則缺乏可信度，因為電腦上任何情況特效都能制作出來！再比如，研究平拋運動水平方向，豎直方向的運動，也是應該在真實的實驗基礎上，之后在在利用課件來理論分析，這樣結合，才能既讓學生信服又能讓學生直觀理解.因此，數字化教學并不是適合所用內容，作為教師，應該多斟酌，合理利用，揚其長而避其短.

總之，數字化教學方式是教學者的一個有力的工具，正如其它工具一樣，它只適于某些任務而不適于所有任務.數字化教學的長處能否得到充分的發揮，取決于教師在設計和使用計算機課件或數碼器材時是否作過認真思考，反復的推敲.我們深信，隨著數字化教學的日臻完善和教師自身素質的不斷提高，數字化教學在未來的物理教學中將發揮出越來越大的作用.