CAI在中學物理教學中的應用探究

王景師

（福建省晉江市養正中學，福建 晉江 362261）

1 引言

物理是一門理論知識深厚、原理觀點嚴謹的綜合性學科，以實驗為基礎、以實踐為導向的物理學科包含大量抽象理論，在教學過程中形成諸多重、難點知識，對教師的專業背景、知識儲備、教學能力具有較高要求，也倒逼教學實踐從方法、工具、手段、模式等方面做出積極調整[1]。傳統物理教學以教師的講解、演示為主導，對于激發學生主動性、積極性作用有限，尤其是物理實驗演示環節，實驗環境不穩定、實驗過程難以反復呈現、學生參與程度低等問題無法切實解決。而CAI依托互聯網信息技術和計算機工具，使物理教學成為可視化、交互性過程，幫助學生在實踐操作中對教學內容形成直觀、具體的認識，從而進一步提高物理教學的效率與水平。

2 CAI 應用于中學物理教學的主要優勢

2.1 創設情景，調動學生感官

教學情景是導入教學內容、強調教學主題的重要手段，在教育教學實踐中具有廣泛應用。對于物理教學而言，創設教學情景是實現理論知識與現實生活充分連接的有效方法，但如何使物理教學內容以更直觀、更立體的形象呈現在學生面前，始終是創設物理教學情景的難點之一。CAI依托計算機多媒體技術，能夠創建包含文字、聲音、圖像、動畫、視頻等各種媒介形式的教學情景，能改變以往教學內容靜止、單一的外在表現，使微觀的物理世界從不同角度實現動態化展示，這是掛圖、模型、幻燈片等教學手段無法達到的教學效果。與此同時，CAI所創設的動態的、有聲的教學展示環境，能充分調動學生的視覺、聽覺，甚至能對學生的感覺、知覺形成正向刺激[2]。而學生感官在得到充分調動的情況下，能對教學內容產生更深刻、全面的認知，不僅有利于加深學生的知識印象，也對學生的知識轉化、能力遷移起到積極作用。

2.2 化繁為簡，具化教學內容

眾所周知，中學物理教學包含大量理論知識，其中不乏抽象晦澀的重難點問題，學生依靠既往知識經驗和生活經歷，很難對其形成深刻體悟，甚至無法對教學內容形成基本認知和正確理解。CAI應用于中學物理教學，能使抽象復雜的理論知識轉化為容易被學生理解和識記的具象內容。比如在電學部分，學生對電流的形成及運動理解深度不足，在電路模塊也容易混淆串聯、并聯相關知識，這就導致學生無法深入理解所學內容，更無法將理論知識轉化為分析問題、解決問題的實際能力。CAI輔助教學可采用動畫形式演示自由電荷在電力場作用下的定向移動，從而以可視化方式闡述電流的形成與運動。對于串并聯電路教學而言，CAI教學除了可利用動畫展示不同電路連接方式下電路特征以外，還可以通過對比自來水管的連接與水流，模擬串并聯電路的工作原理與過程，從而幫助學生將物理學習內容與生活中的常見事物聯系在一起，使學生直觀、形象地感知學習內容[3]。實際上，CAI教學應用在將教學內容化繁為簡、降低難度的同時，為師生節約了更多課堂教學時間，這對增加課堂知識容量、提高課堂教學效率具有積極意義。

3 CAI 在中學物理教學中的應用案例分析

3.1 教學案例的選擇背景

凸透鏡成像是中學物理教學中的難點之一，隨著物距改變，所成的像也會發生大小、虛實、正倒等方面的改變。如果只依靠教師的板書、講解，很難完整呈現物理過程，即使是教師進行實驗演示，也會受到實驗條件、進度控制、演示環境等因素的制約，無法使所有學生準確觀察物理現象、深刻理解物理本質。因而本文選取凸透鏡成像這一章節，利用CAI模擬凸透鏡成像的物理實驗，以動畫形式展示實驗過程，為學生提供可完整觀察、可參與操作的物理實驗。

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發生變化，且這種變化在物距達到一定數值范圍時，所成的像表現出明顯規律，具體成像情況見表1。在實驗仿真模擬設計中，沿用物理實驗的研究習慣，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蠟燭或移動透鏡來實現。以表1中物距大于2倍焦距時的成像規律為例，可得出如圖1實驗結果。

表1 成像規律

3.3 基于CAI交互式動畫的實驗設計

基于CAI交互式動畫實驗設計，實際上在教師完成前期課程分析與動畫設計的基礎上，構建了一個可供師生共同參與的交互式模擬實驗環境，CAI所具備的虛擬仿真、人機交互等優勢功能得以充分體現，學生在實驗教學環節的“觀眾”角色也明顯轉變，學生通過點擊、拖動鼠標觸動動畫實驗中的按鈕元件，不僅可以反復模擬實驗過程，而且能根據自身實際情況控制模擬實驗的進度，這無疑為學生提供了充分參與物理教學、深化知識理解的良好機會[4]。在凸透鏡成像CAI交互式動畫模擬實驗設計中，教師與學生雖共同參與教學過程，但二者的工作付出、參與環節明顯不同，這也與教師和學生間的參與目的、身份背景、能力水平等差異密切相關。其中，教師主要負責模擬實驗的動畫設計過程。教師在深入分析教學課題、規劃動畫設計方案的基礎上，需重點制作動畫元件和設置條件控制語句。其中制作動畫元件既要插入透鏡、蠟燭等實驗工具要素，又要設置課前導讀、過程操作、實驗結論等內容模塊。條件控制語句主要針對焦距、物距、成像變化等內容展開，可利用多媒體動畫制作軟件內嵌的語言腳本功能完成，主要目的在于真正使模擬實驗實現“動態”表達，像本文中的凸透鏡成像編寫條件控制語句，就是為了表現出隨著物距變化蠟燭成像的變化表現。對于學生而言，可在教師設計好的動畫實驗腳本上，通過拖動鼠標或蠟燭來改變物距，進而觀察成像變化、總結成像規律，并對比教師課件的內置結論，進一步驗證自身的實驗總結。所以基于CAI的交互式模擬實驗以師生共同參與為基礎，其基本流程如圖2所示。

3.4 CAI在中學物理教學中的應用拓展

隨著計算機技術的快速發展，CAI在中學物理教學中的應用得以同步拓展和優化，CAI課件設計所憑借的技術與手段也在發生改變，并日漸趨于多樣化和立體化，能為廣大教師提供更豐富、更便捷的教學設計選擇[5]。就CAI課件設計所依托的軟件平臺來講，教師可根據教學內容和表現需求選擇不同的課件開發方法和軟件平臺。首先，教師可選擇現成的課件制作工具。比如課件制作工具中應用較為廣泛的AuthorWare，基于圖標的創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基礎圖標進行拖放、設置即可實現，無需過多編程操作對于廣大教師而言無疑是簡捷而高效的選擇。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單、易于上手，具有較為廣泛的使用基礎，但課件形式呆板、即時性不足、集成功能較弱、交互性較差等問題比較突出，在教學設計與應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。時代發展之下，計算機編程語言不斷推陳出新、更新迭代，當前使用廣泛、表現出色的計算機編程語言有C語言、java、C++、php等，其訪問接口方便、數據處理能力突出、安全性與通用性良好等優勢，高度契合物理課件開發對真實性、原理性、即時性的要求，特別是在模擬實驗原理、還原實驗過程等方面的表現，是一般課件工具難以企及的高度。不過語言編程專業性高、開發周期長，對計算機能力一般的非專業教師群體而言，開發應用難度極大。

4 CAI 在中學物理教學中的應用思考

4.1 課件開發講求實效

CAI課件應用于中學物理教學，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內容呈現形式，有利于深化學生知識印象、優化知識體系脈絡。不過在CAI教學應用的實踐過程中，以新穎生動的表現形式提高學生注意、刺激學生感官無可厚非，若忽視了教育教學的目標與要求，使課件開發及其教學應用陷入形式大于內容的誤區，則極易引發教學的失衡與偏頗。所以CAI在中學物理教學的應用中，教師必須明確物理教學的目標與要求，將傳遞科學知識、提升學生能力、塑造學生思維作為重要追求，以此指導課件設計與教學實踐。基于此，教師選取教學素材、創設課題情景、模擬實驗過程，都應圍繞促進教學發展、提高教學質量展開，切忌刻意追求聯系不緊密、教學意義不足的形式化內容，避免形式繁復的課件沖淡教學重點、分散學生學習注意，確保教學課件與教學內容相協調，與教學策略相補充[6]。

4.2 深入把握工具屬性

雖然CAI在中學物理教學中具有較為廣闊的應用空間和良好的應用表現，但CAI的教學應用其目的在于輔助、優化、推動教學實踐，而非取代傳統教學方法、顛覆既有教學思維。從本質來看，CAI課件與傳統的板書、掛圖、幻燈片等教學載體一樣，都是服務于教學工作、服務于廣大師生的教學工具，在中學物理教學中應用CAI課件并不意味著需要完全摒棄傳統教學媒介，更不代表CAI課件的模擬實驗可以代替演示實驗。演示實驗存在諸多不足和限制，但演示實驗作為課堂教學的重要組成部分，能在教師的啟發與引導下，幫助學生盡快建立知識連接、進入學習狀態，都對實驗對象和過程形成正確認知[7]。教師在演示實驗過程中，輔之以講解、提問、討論互動等教學互動，對激發學生興趣、提高學生注意、啟迪學生思維具有積極意義，這是CAI課件模擬實驗無法完全達到的效果。所以CAI應用于中學物理教學，應以教學工具的角色而存在，充分發揮教學補充作用。

5 結語

綜上所述，CAI應用于中學物理教學對教學發展和學生教學都具有積極作用，廣大教師理應提高計算機應用水平、整合專業知識技能，選擇符合自身實際能力和教學目標要求的工具平臺，著力推進高效率、高質量CAI教學開發。與此同時，教師也要牢牢把握教育教學的本質與原則，合理利用現代媒體的教育優勢，避免教學實踐華而不實、本末倒置。