CAI在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用探究

王景師

（福建省晉江市養(yǎng)正中學(xué)，福建 晉江 362261）

1 引言

物理是一門理論知識(shí)深厚、原理觀點(diǎn)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)木C合性學(xué)科，以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)、以實(shí)踐為導(dǎo)向的物理學(xué)科包含大量抽象理論，在教學(xué)過程中形成諸多重、難點(diǎn)知識(shí)，對(duì)教師的專業(yè)背景、知識(shí)儲(chǔ)備、教學(xué)能力具有較高要求，也倒逼教學(xué)實(shí)踐從方法、工具、手段、模式等方面做出積極調(diào)整[1]。傳統(tǒng)物理教學(xué)以教師的講解、演示為主導(dǎo)，對(duì)于激發(fā)學(xué)生主動(dòng)性、積極性作用有限，尤其是物理實(shí)驗(yàn)演示環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境不穩(wěn)定、實(shí)驗(yàn)過程難以反復(fù)呈現(xiàn)、學(xué)生參與程度低等問題無法切實(shí)解決。而CAI依托互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)工具，使物理教學(xué)成為可視化、交互性過程，幫助學(xué)生在實(shí)踐操作中對(duì)教學(xué)內(nèi)容形成直觀、具體的認(rèn)識(shí)，從而進(jìn)一步提高物理教學(xué)的效率與水平。

2 CAI 應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)的主要優(yōu)勢(shì)

2.1 創(chuàng)設(shè)情景，調(diào)動(dòng)學(xué)生感官

教學(xué)情景是導(dǎo)入教學(xué)內(nèi)容、強(qiáng)調(diào)教學(xué)主題的重要手段，在教育教學(xué)實(shí)踐中具有廣泛應(yīng)用。對(duì)于物理教學(xué)而言，創(chuàng)設(shè)教學(xué)情景是實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)與現(xiàn)實(shí)生活充分連接的有效方法，但如何使物理教學(xué)內(nèi)容以更直觀、更立體的形象呈現(xiàn)在學(xué)生面前，始終是創(chuàng)設(shè)物理教學(xué)情景的難點(diǎn)之一。CAI依托計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)，能夠創(chuàng)建包含文字、聲音、圖像、動(dòng)畫、視頻等各種媒介形式的教學(xué)情景，能改變以往教學(xué)內(nèi)容靜止、單一的外在表現(xiàn)，使微觀的物理世界從不同角度實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化展示，這是掛圖、模型、幻燈片等教學(xué)手段無法達(dá)到的教學(xué)效果。與此同時(shí)，CAI所創(chuàng)設(shè)的動(dòng)態(tài)的、有聲的教學(xué)展示環(huán)境，能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的視覺、聽覺，甚至能對(duì)學(xué)生的感覺、知覺形成正向刺激[2]。而學(xué)生感官在得到充分調(diào)動(dòng)的情況下，能對(duì)教學(xué)內(nèi)容產(chǎn)生更深刻、全面的認(rèn)知，不僅有利于加深學(xué)生的知識(shí)印象，也對(duì)學(xué)生的知識(shí)轉(zhuǎn)化、能力遷移起到積極作用。

2.2 化繁為簡(jiǎn)，具化教學(xué)內(nèi)容

眾所周知，中學(xué)物理教學(xué)包含大量理論知識(shí)，其中不乏抽象晦澀的重難點(diǎn)問題，學(xué)生依靠既往知識(shí)經(jīng)驗(yàn)和生活經(jīng)歷，很難對(duì)其形成深刻體悟，甚至無法對(duì)教學(xué)內(nèi)容形成基本認(rèn)知和正確理解。CAI應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)，能使抽象復(fù)雜的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為容易被學(xué)生理解和識(shí)記的具象內(nèi)容。比如在電學(xué)部分，學(xué)生對(duì)電流的形成及運(yùn)動(dòng)理解深度不足，在電路模塊也容易混淆串聯(lián)、并聯(lián)相關(guān)知識(shí)，這就導(dǎo)致學(xué)生無法深入理解所學(xué)內(nèi)容，更無法將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為分析問題、解決問題的實(shí)際能力。CAI輔助教學(xué)可采用動(dòng)畫形式演示自由電荷在電力場(chǎng)作用下的定向移動(dòng)，從而以可視化方式闡述電流的形成與運(yùn)動(dòng)。對(duì)于串并聯(lián)電路教學(xué)而言，CAI教學(xué)除了可利用動(dòng)畫展示不同電路連接方式下電路特征以外，還可以通過對(duì)比自來水管的連接與水流，模擬串并聯(lián)電路的工作原理與過程，從而幫助學(xué)生將物理學(xué)習(xí)內(nèi)容與生活中的常見事物聯(lián)系在一起，使學(xué)生直觀、形象地感知學(xué)習(xí)內(nèi)容[3]。實(shí)際上，CAI教學(xué)應(yīng)用在將教學(xué)內(nèi)容化繁為簡(jiǎn)、降低難度的同時(shí)，為師生節(jié)約了更多課堂教學(xué)時(shí)間，這對(duì)增加課堂知識(shí)容量、提高課堂教學(xué)效率具有積極意義。

3 CAI 在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用案例分析

3.1 教學(xué)案例的選擇背景

凸透鏡成像是中學(xué)物理教學(xué)中的難點(diǎn)之一，隨著物距改變，所成的像也會(huì)發(fā)生大小、虛實(shí)、正倒等方面的改變。如果只依靠教師的板書、講解，很難完整呈現(xiàn)物理過程，即使是教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，也會(huì)受到實(shí)驗(yàn)條件、進(jìn)度控制、演示環(huán)境等因素的制約，無法使所有學(xué)生準(zhǔn)確觀察物理現(xiàn)象、深刻理解物理本質(zhì)。因而本文選取凸透鏡成像這一章節(jié)，利用CAI模擬凸透鏡成像的物理實(shí)驗(yàn)，以動(dòng)畫形式展示實(shí)驗(yàn)過程，為學(xué)生提供可完整觀察、可參與操作的物理實(shí)驗(yàn)。

3.2 案例問題的基本描述

凸透鏡成像的物理研究中，隨著物距的改變所成的像也會(huì)發(fā)生變化，且這種變化在物距達(dá)到一定數(shù)值范圍時(shí)，所成的像表現(xiàn)出明顯規(guī)律，具體成像情況見表1。在實(shí)驗(yàn)仿真模擬設(shè)計(jì)中，沿用物理實(shí)驗(yàn)的研究習(xí)慣，以蠟燭代表成像物體，蠟燭到透鏡的距離即為物理研究中的物距，物距變化可通過移動(dòng)蠟燭或移動(dòng)透鏡來實(shí)現(xiàn)。以表1中物距大于2倍焦距時(shí)的成像規(guī)律為例，可得出如圖1實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 成像規(guī)律

3.3 基于CAI交互式動(dòng)畫的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于CAI交互式動(dòng)畫實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)際上在教師完成前期課程分析與動(dòng)畫設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一個(gè)可供師生共同參與的交互式模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，CAI所具備的虛擬仿真、人機(jī)交互等優(yōu)勢(shì)功能得以充分體現(xiàn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的“觀眾”角色也明顯轉(zhuǎn)變，學(xué)生通過點(diǎn)擊、拖動(dòng)鼠標(biāo)觸動(dòng)動(dòng)畫實(shí)驗(yàn)中的按鈕元件，不僅可以反復(fù)模擬實(shí)驗(yàn)過程，而且能根據(jù)自身實(shí)際情況控制模擬實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度，這無疑為學(xué)生提供了充分參與物理教學(xué)、深化知識(shí)理解的良好機(jī)會(huì)[4]。在凸透鏡成像CAI交互式動(dòng)畫模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，教師與學(xué)生雖共同參與教學(xué)過程，但二者的工作付出、參與環(huán)節(jié)明顯不同，這也與教師和學(xué)生間的參與目的、身份背景、能力水平等差異密切相關(guān)。其中，教師主要負(fù)責(zé)模擬實(shí)驗(yàn)的動(dòng)畫設(shè)計(jì)過程。教師在深入分析教學(xué)課題、規(guī)劃動(dòng)畫設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，需重點(diǎn)制作動(dòng)畫元件和設(shè)置條件控制語句。其中制作動(dòng)畫元件既要插入透鏡、蠟燭等實(shí)驗(yàn)工具要素，又要設(shè)置課前導(dǎo)讀、過程操作、實(shí)驗(yàn)結(jié)論等內(nèi)容模塊。條件控制語句主要針對(duì)焦距、物距、成像變化等內(nèi)容展開，可利用多媒體動(dòng)畫制作軟件內(nèi)嵌的語言腳本功能完成，主要目的在于真正使模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)“動(dòng)態(tài)”表達(dá)，像本文中的凸透鏡成像編寫條件控制語句，就是為了表現(xiàn)出隨著物距變化蠟燭成像的變化表現(xiàn)。對(duì)于學(xué)生而言，可在教師設(shè)計(jì)好的動(dòng)畫實(shí)驗(yàn)?zāi)_本上，通過拖動(dòng)鼠標(biāo)或蠟燭來改變物距，進(jìn)而觀察成像變化、總結(jié)成像規(guī)律，并對(duì)比教師課件的內(nèi)置結(jié)論，進(jìn)一步驗(yàn)證自身的實(shí)驗(yàn)總結(jié)。所以基于CAI的交互式模擬實(shí)驗(yàn)以師生共同參與為基礎(chǔ)，其基本流程如圖2所示。

3.4 CAI在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用拓展

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，CAI在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用得以同步拓展和優(yōu)化，CAI課件設(shè)計(jì)所憑借的技術(shù)與手段也在發(fā)生改變，并日漸趨于多樣化和立體化，能為廣大教師提供更豐富、更便捷的教學(xué)設(shè)計(jì)選擇[5]。就CAI課件設(shè)計(jì)所依托的軟件平臺(tái)來講，教師可根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和表現(xiàn)需求選擇不同的課件開發(fā)方法和軟件平臺(tái)。首先，教師可選擇現(xiàn)成的課件制作工具。比如課件制作工具中應(yīng)用較為廣泛的AuthorWare，基于圖標(biāo)的創(chuàng)作方式使得課件制作過程清晰有序、連貫流暢，普通課件制作只需對(duì)基礎(chǔ)圖標(biāo)進(jìn)行拖放、設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)，無需過多編程操作對(duì)于廣大教師而言無疑是簡(jiǎn)捷而高效的選擇。此類課件制作工具還有Toolbook、Dirctor與Flash、Founder Author Tool等，盡管這類課件制作工具操作簡(jiǎn)單、易于上手，具有較為廣泛的使用基礎(chǔ)，但課件形式呆板、即時(shí)性不足、集成功能較弱、交互性較差等問題比較突出，在教學(xué)設(shè)計(jì)與應(yīng)用過程中存在諸多制約。其次，教師可以使用程序語言編寫課件。時(shí)代發(fā)展之下，計(jì)算機(jī)編程語言不斷推陳出新、更新迭代，當(dāng)前使用廣泛、表現(xiàn)出色的計(jì)算機(jī)編程語言有C語言、java、C++、php等，其訪問接口方便、數(shù)據(jù)處理能力突出、安全性與通用性良好等優(yōu)勢(shì)，高度契合物理課件開發(fā)對(duì)真實(shí)性、原理性、即時(shí)性的要求，特別是在模擬實(shí)驗(yàn)原理、還原實(shí)驗(yàn)過程等方面的表現(xiàn)，是一般課件工具難以企及的高度。不過語言編程專業(yè)性高、開發(fā)周期長(zhǎng)，對(duì)計(jì)算機(jī)能力一般的非專業(yè)教師群體而言，開發(fā)應(yīng)用難度極大。

4 CAI 在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用思考

4.1 課件開發(fā)講求實(shí)效

CAI課件應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)，多元化的媒介手段和立體化的感官刺激，極大程度地豐富了教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)形式，有利于深化學(xué)生知識(shí)印象、優(yōu)化知識(shí)體系脈絡(luò)。不過在CAI教學(xué)應(yīng)用的實(shí)踐過程中，以新穎生動(dòng)的表現(xiàn)形式提高學(xué)生注意、刺激學(xué)生感官無可厚非，若忽視了教育教學(xué)的目標(biāo)與要求，使課件開發(fā)及其教學(xué)應(yīng)用陷入形式大于內(nèi)容的誤區(qū)，則極易引發(fā)教學(xué)的失衡與偏頗。所以CAI在中學(xué)物理教學(xué)的應(yīng)用中，教師必須明確物理教學(xué)的目標(biāo)與要求，將傳遞科學(xué)知識(shí)、提升學(xué)生能力、塑造學(xué)生思維作為重要追求，以此指導(dǎo)課件設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐。基于此，教師選取教學(xué)素材、創(chuàng)設(shè)課題情景、模擬實(shí)驗(yàn)過程，都應(yīng)圍繞促進(jìn)教學(xué)發(fā)展、提高教學(xué)質(zhì)量展開，切忌刻意追求聯(lián)系不緊密、教學(xué)意義不足的形式化內(nèi)容，避免形式繁復(fù)的課件沖淡教學(xué)重點(diǎn)、分散學(xué)生學(xué)習(xí)注意，確保教學(xué)課件與教學(xué)內(nèi)容相協(xié)調(diào)，與教學(xué)策略相補(bǔ)充[6]。

4.2 深入把握工具屬性

雖然CAI在中學(xué)物理教學(xué)中具有較為廣闊的應(yīng)用空間和良好的應(yīng)用表現(xiàn)，但CAI的教學(xué)應(yīng)用其目的在于輔助、優(yōu)化、推動(dòng)教學(xué)實(shí)踐，而非取代傳統(tǒng)教學(xué)方法、顛覆既有教學(xué)思維。從本質(zhì)來看，CAI課件與傳統(tǒng)的板書、掛圖、幻燈片等教學(xué)載體一樣，都是服務(wù)于教學(xué)工作、服務(wù)于廣大師生的教學(xué)工具，在中學(xué)物理教學(xué)中應(yīng)用CAI課件并不意味著需要完全摒棄傳統(tǒng)教學(xué)媒介，更不代表CAI課件的模擬實(shí)驗(yàn)可以代替演示實(shí)驗(yàn)。演示實(shí)驗(yàn)存在諸多不足和限制，但演示實(shí)驗(yàn)作為課堂教學(xué)的重要組成部分，能在教師的啟發(fā)與引導(dǎo)下，幫助學(xué)生盡快建立知識(shí)連接、進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，都對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象和過程形成正確認(rèn)知[7]。教師在演示實(shí)驗(yàn)過程中，輔之以講解、提問、討論互動(dòng)等教學(xué)互動(dòng)，對(duì)激發(fā)學(xué)生興趣、提高學(xué)生注意、啟迪學(xué)生思維具有積極意義，這是CAI課件模擬實(shí)驗(yàn)無法完全達(dá)到的效果。所以CAI應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)，應(yīng)以教學(xué)工具的角色而存在，充分發(fā)揮教學(xué)補(bǔ)充作用。

5 結(jié)語

綜上所述，CAI應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)對(duì)教學(xué)發(fā)展和學(xué)生教學(xué)都具有積極作用，廣大教師理應(yīng)提高計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平、整合專業(yè)知識(shí)技能，選擇符合自身實(shí)際能力和教學(xué)目標(biāo)要求的工具平臺(tái)，著力推進(jìn)高效率、高質(zhì)量CAI教學(xué)開發(fā)。與此同時(shí)，教師也要牢牢把握教育教學(xué)的本質(zhì)與原則，合理利用現(xiàn)代媒體的教育優(yōu)勢(shì)，避免教學(xué)實(shí)踐華而不實(shí)、本末倒置。