初探物理實(shí)驗(yàn)的信息化道路
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一、信息技術(shù)應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的途徑
1.信息技術(shù)作為演示實(shí)驗(yàn)的輔助工具
由于受到教學(xué)條件、教學(xué)場(chǎng)地、教學(xué)時(shí)間等限制，傳統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn)效果常常不如人意。信息技術(shù)作為演示的工具，可使靜態(tài)事物動(dòng)態(tài)化、微觀(guān)現(xiàn)象可視化、抽象知識(shí)形象化，完成難做實(shí)驗(yàn)的仿真模擬、進(jìn)行物理過(guò)程的動(dòng)態(tài)分析。有些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象比較清晰，但實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的本質(zhì)比較抽象，這時(shí)就需要?jiǎng)赢?huà)模擬演示，在慢動(dòng)作中將微觀(guān)變化放大處理，為學(xué)生搭建由形象思維邁向抽象思維的“橋梁”，從而加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解，提高課堂效率。例如，在做“波的干涉”實(shí)驗(yàn)時(shí)，振動(dòng)加強(qiáng)區(qū)和振動(dòng)減弱區(qū)相互間隔，這個(gè)現(xiàn)象很容易觀(guān)察到，但對(duì)于為何會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，學(xué)生很難理解，因?yàn)椴ǖ寞B加原理涉及到微觀(guān)動(dòng)態(tài)觀(guān)察，學(xué)生很難跨越形象直接進(jìn)入本質(zhì)，此時(shí)如采用動(dòng)畫(huà)模擬演示，邊慢節(jié)奏的動(dòng)畫(huà)演示，邊配上適當(dāng)?shù)闹v解，學(xué)生在可視化的環(huán)境中，很容易就掌握波的疊加原理了。有些實(shí)驗(yàn)在課堂內(nèi)因教學(xué)條件所致無(wú)法開(kāi)展，此時(shí)可用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬，或用視頻資源來(lái)彌補(bǔ)教學(xué)條件的不足。例如，在講原子核式模型時(shí)，對(duì)于α粒子的散射實(shí)驗(yàn)，只能用仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬代替。
2.信息技術(shù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和處理的工具
信息技術(shù)不僅有強(qiáng)大的展示功能，還有高速的信息處理能力。利用信息技術(shù)這一特點(diǎn)可使原本復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理過(guò)程變得輕松快捷。例如，可以利用EXCEL表格記錄數(shù)據(jù)，利用軟件自帶的畫(huà)圖功能，實(shí)時(shí)作出點(diǎn)線(xiàn)圖，在探究?jī)蓚€(gè)變量的關(guān)系時(shí)顯得尤為方便。在探究單擺周期和擺長(zhǎng)之間關(guān)系時(shí)，就可利用EXCEL的畫(huà)圖功能，描繪圖像，促使思維的轉(zhuǎn)化。新教材中引入了數(shù)字信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室(DigitalInformationSystemLaboratory，簡(jiǎn)稱(chēng)DIS)，它是由“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+實(shí)驗(yàn)軟件包+計(jì)算機(jī)”構(gòu)成的新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。它運(yùn)用傳感器采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)接口與計(jì)算機(jī)連接，完成數(shù)據(jù)的采集、分析，必要時(shí)可以畫(huà)出數(shù)據(jù)分析表和曲線(xiàn)，還可以對(duì)不同條件下的實(shí)驗(yàn)誤差進(jìn)行分析與討論。DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅大大簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)處理的過(guò)程，而且大大提高了數(shù)據(jù)測(cè)量的精度，大大降低了實(shí)驗(yàn)誤差，使原本在傳統(tǒng)教學(xué)中只能定性分析的實(shí)驗(yàn)也可進(jìn)行更精確的定量研究了，這樣就可以使學(xué)生更專(zhuān)注于實(shí)驗(yàn)內(nèi)在的原理研究。
3.信息技術(shù)作為進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)的研究工具
在研究力的平衡、運(yùn)動(dòng)的合成等實(shí)驗(yàn)中都可以支持學(xué)生進(jìn)行多角度、多方位的探索。又如，仿真物理實(shí)驗(yàn)室這一工具軟件，在虛擬環(huán)境中創(chuàng)設(shè)了一個(gè)完備的綜合性實(shí)驗(yàn)室，它可同時(shí)為許多學(xué)生提供自己動(dòng)手、探索問(wèn)題的模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生可以利用它進(jìn)行無(wú)限次的設(shè)想、嘗試、探索和思考。
4.信息技術(shù)作為實(shí)驗(yàn)基本技能訓(xùn)練的工具
對(duì)一些復(fù)雜儀器的準(zhǔn)確使用和讀數(shù)是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的基本功，它往往需要經(jīng)過(guò)大量的練習(xí)，才能達(dá)到熟練的程度。信息技術(shù)在虛擬世界中為學(xué)生提供了全方位、開(kāi)放性的操作環(huán)境，學(xué)生可隨時(shí)隨地的進(jìn)行模擬練習(xí)，在訓(xùn)練的同時(shí)還能得到及時(shí)的反饋，每個(gè)同學(xué)根據(jù)反饋，可及時(shí)調(diào)整訓(xùn)練重點(diǎn)，真正做到了因材施教。例如，在游標(biāo)卡尺的讀法上，就可采用上述方法。
二、信息技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合的教學(xué)模式
1.學(xué)生自主的研究型教學(xué)模式
學(xué)生一般只能沿著老師指定的路線(xiàn)往下走，被動(dòng)的去接受所謂的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，完全缺乏主動(dòng)權(quán)，如今利用信息技術(shù)可為學(xué)生們提供動(dòng)態(tài)的情境空間，提供廣闊的探究舞臺(tái)，學(xué)生完全可以自由的獨(dú)立自主的進(jìn)行探究活動(dòng)，在反復(fù)的嘗試、反思、修正中提高自己的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)和思維品質(zhì)。它的流程一般為：提出問(wèn)題→作出猜想→設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)→收集、處理、分析數(shù)據(jù)→交流討論→反思修正實(shí)驗(yàn)方案→再次嘗試實(shí)驗(yàn)→歸納總結(jié)規(guī)律→評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。這種教學(xué)模式雖然花時(shí)比較多，但在培養(yǎng)學(xué)生綜合能力上起著不可替代的作用，因此教師還是應(yīng)該自覺(jué)的盡量使用。
2.師生協(xié)作的互助型教學(xué)模式
由于學(xué)生的能力有限，完全的自主探索，不僅耗時(shí)多，而且很可能一直找不到正確的方向，多次失敗還會(huì)導(dǎo)致部分學(xué)生喪失繼續(xù)探索的勇氣，因此，師生互助型的教學(xué)模式就顯得更為有效。教師可以組織學(xué)生進(jìn)行充分的討論，在此基礎(chǔ)上篩選出幾種有代表性的比較可行的方案，再讓學(xué)生去嘗試討論。它的流程一般為：教師提出問(wèn)題→學(xué)生作出猜想→師生共同討論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)→選定設(shè)計(jì)方案→收集、處理、分析數(shù)據(jù)→師生交流討論→學(xué)生歸納總結(jié)規(guī)律→師生共同評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。
三、信息技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合中要注意的問(wèn)題
1.處理好模擬實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的關(guān)系
模擬實(shí)驗(yàn)雖有種種長(zhǎng)處，但它畢竟是存在于虛擬世界，它無(wú)法替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性，若不加區(qū)別，一味用虛擬的過(guò)程替代真實(shí)實(shí)驗(yàn)，將會(huì)弱化學(xué)生的實(shí)際操作能力和科學(xué)意識(shí)，背離實(shí)驗(yàn)教學(xué)的初衷。因此，模擬實(shí)驗(yàn)只能作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無(wú)法滿(mǎn)足課堂需求時(shí)，作為局部突破，配合使用，只有這樣，教學(xué)才能收到事半功倍的效果。
2．處理好數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的關(guān)系
數(shù)字化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境自動(dòng)化程度比較高，學(xué)生接觸比較少，使用時(shí)更易由于好奇而過(guò)多的關(guān)注傳感器本身，反而將實(shí)驗(yàn)的物理意義弱化了。另外，在培養(yǎng)細(xì)致、認(rèn)真、耐心的觀(guān)察習(xí)慣上，數(shù)字化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境也有所欠缺。因此，盡管數(shù)字化改造是實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件現(xiàn)代化的發(fā)展趨勢(shì)，但我們還是應(yīng)該把真實(shí)實(shí)驗(yàn)條件作為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的基礎(chǔ)，信息技術(shù)裝備只能是物理實(shí)驗(yàn)的有力的輔助設(shè)備之一。
作者：包 莉 單位：江蘇省昆山中學(xué)