二是用DIS进行数字化实验。DIS实验简化了实验数据的采集过程,但要求学生有更高的设计实验方案的能力和处理实验数据尤其是处理表格、图像的能力。系统在观测小信号和瞬间变化信号、处理数据和分析实验结果等方面具有传统实验仪器无法比拟的优势,能使学生实验的研究范围大大拓宽。同时,系统的开放性设计保证了学生可利用此平台方便地设计实验来验证提出的假设,为学生的探究活动提供了工具保证。如“让小车沿长木板匀速运动”的实验,消除摩擦力对运动的影响是非常重要的。教学中可充分发挥学生的主动性,让大家参与讨论,在学生提出几种不同的设想后,利用DIS处理数据的优点,将每一个设想都尝试一下。这个过程其实就是探究的过程。又如磁现象的定量研究在传统实验教学中始终是一个空白,借助传感器就能研究螺线管中磁感强度与螺线管的匝数、直径、长度以及通电电流的关系,研究不同位置磁感强度的变化情况。图6为某次测量中螺线管通电后产生的磁感应强度与传感器顶端位置的关系。DIS使许多实验从定性观察上升到了定量分析层面,实验质量和教学效果得到了提升。
4. 信息技术作为交流工具
在网络环境下,可通过下载、复制或建立友情链接的方式,将互联网上成型的虚拟实验及其他关于物理学家、学史、规律、趣闻、生产生活等资源为我所用,学生可以边学习边交流。如采用网络版“仿真物理实验室”,学生可以通过人机对话一边操作一边在网上畅游,获取新知识,遇到问题还可以通过网络与同伴交流。
5. 信息技术作为技能训练工具
建立在信息技术基础上的虚拟实验室为学生提供了全方位的、开放性的操作环境。如学生可在虚拟场景中从各个角度观察游标卡尺,用它测量物体(如测量圆柱的直径、圆桶的深度和圆环的内径等),并根据得到的反馈信息(包括测量方法和读数)进行有重点的训练,完成对游标卡尺的结构、测量方法及读数的意义建构。又如对万用表、示波器等一些较复杂的仪器,可有目的地引导学生反复模拟使用过程,使他们理解原理和测量方法,待初步掌握了测量技能后,再到真实仪器上调试,这样便减少了盲目性,训练效果十分明显。
三、信息技术与实验教学整合的教学模式
笔者认为,信息技术与实验教学整合,一要发挥传统实验与信息技术各自的优势,优化实验教学过程,促进学生学习并应用信息技术解决实际问题;二要突出学生主体地位,有效培养学生的学习能力和综合素质。基于这样的理念,笔者在实践中采用如下两种教学模式。
1. 以教师使用信息技术为主的演示型教学模式
最简单的方式就是基本不改变现有教学模式,只是将信息技术作为展示教学内容的工具。运用这一教学模式,教师要致力于多媒体课件的开发和使用。一般在演示实验的基础上,用计算机模拟实验现象的物理过程,使学生获得的表象得以强化,促进学生识别实验现象发生及变化的条件,然后再进行抽象概括,形成概念或找出规律、特征。它的流程一般为:
如“氢原子的能级与跃迁”的教学,做好氢光谱的观察实验,让学生看到谱线特点,特别是看到其发射光谱与吸收光谱的谱线位置相同,是理论分析的基础,至关重要。在这个意义上,计算机不能取代传统实验。但建立在实验基础上的氢原子玻尔模型是抽象思维的产物,它无法做实验,无法直接观察,若用语言叙述,学生很难在脑子里形成一个物理过程的动态形象,计算机辅助教学软件则可以展现这个动态物理模型。
另一种方式是探索型实验教学模式。对一些需要在实验基础上进行定量研究的概念和规律,用这种模式能极大地提高探究效率,增强学生的自信心和成就感。其流程是:
教学活动中,通过信息技术搜集、处理数据,拓宽交流渠道与信息量,把物理实验、数据处理和探究学习结合起来。如通过数字化实验系统,不仅可以进行数据采集、测量,而且还可以通过多模显示、组合显示、视图放大、图线分析、自定义变量和表达式等有效手段,使实验数据的处理、显示更加便捷。高精度的数据,形象、直观的图线图形有助于学习者进行科学探究,提高能力。
2. 以学生利用信息技术为主的自主探究教学模式
在传统的实验教学中,由于条件的限制,学生的探究欲望往往不能得到很好的满足,信息技术环境能为学生提供探究的有利条件。借助于多媒体技术和工具软件创设的虚拟仿真环境,学生能在动态情景空间中观察现象、读取数据、探索和发现研究对象之间的数量关系和变化规律。物理学习应指导学生尝试用“几何画板”、“仿真物理实验室”等工具软件研究问题。如几何光学中的面镜(平面镜、球面镜)成像规律、光线通过玻璃砖与三棱镜的传播特点、观察水中物体(视位置及轨迹)、光学元件成像观察范围以及与折射(全反射、色散)相关的光学小实验等,都可以让学生在探索中学习。这样可使他们对所学知识有更深刻的理解,同时加深认识数理之间的联系和学会物理图景的动态分析。
四、信息技术与实验教学整合要处理好的两个关系
1. 模拟实验与传统实验的关系
实验教学是物理教学的基础,它既是学生对物理知识的认知起点,同时也是培养学生学习兴趣的重要途径。信息技术可以突破传统实验仪器的局限性,补充、完善真实实验的不理想之处。
从演示实验方面看,信息技术可以对那些难以观察到的、复杂的、困难的实验进行模拟和再现,成为常规实验的补充。特别是有些物理定律只是一种理想的模型,在正常条件下不能实现,应用信息技术则可弥补学生感性认识的不足,使之变得容易理解。把模拟实验与传统实验结合起来,教学会收到事半功倍的效果。
从学生实验角度看,为防止发生意外伤害、实验仪器损失,或由于实验条件的限制,有一些实验像电流表反接、短路、用小量程测大电流、人体导电等,一般是不能做或不允许做的,这势必影响学生对知识的构建。虚拟实验环境则可解决这一难题。
值得注意的是,培养学生的实践能力和严谨的、以事实为依据的科学态度,是物理实验教学的基本目的之一。模拟是被理想化的模型,对一些操作方便、效果明显的实验,无论从真实性还是从效果来看,都不宜用计算机模拟。若不加区别、一味用虚拟的过程替代真实实验,将会弱化学生的实际操作能力和科学意识,背离实验教学的初衷。
2. 数字化实验与传统实验的关系
数字化的实验环境和资源是现实环境和资源在空间、时间上的延伸,它与现实的环境和资源并没有本质差异。但是,由于数字化实验涉及到综合性、技术性的知识较多,学生对许多内容都比较生疏,实验时注意力容易转移。同时,数字化实验自动化程度高,易使学生单纯关注实验数据的采集、处理,忽视实验的物理意义,使实验变成数字“游戏”。
从培养学生的能力来看,传统物理实验与数字化实验有明显的差异:前者侧重于培养细致、认真、耐心的观察习惯,后者则侧重于培养在观察中思考探究的能力;前者重视培养正确选择和使用仪器的能力,后者则相对欠缺;前者一般比较重视实际操作技能的训练,后者则有利于掌握利用信息技术学习、拓展知识的能力;在数据处理过程中,前者可以充分培养计算、作图以及利用数学知识解决物理问题的能力,后者则有助于培养分析数学图形的能力和对复杂物理现象进行分析判断的能力;在对学生自主探究和创新能力的培养方面,前者学生设计实验的局限性比较大,限制了探究的深度和广度,后者则多数实验可以由学生自行设计、动手完成。
因此笔者以为,尽管数字化改造是实验教学条件现代化不可缺少的一环,但应该把真实实验条件作为实验室建设的基础,信息技术装备只
是物理实验的有力的辅助设备之一。







