硕士论文-计算机辅助实验在高中物理教学中的实践研究.pdf

分类编： 密级： 单传代码：1 0 0 6 5 学 弓：一0 4 3 0 6 g 0 4 天滓i 币j 厄大学 研究生学位论文 论文题目：过簋扭煎助塞验垄矗生塑理数堂虫 的塞践班究 学生姓名：嫂申请学位级别：拯直亟 申请专业名称：堂抖教堂 研究方向：物理 指导教师姓名：塞4 挂苤专、l k 技术职称：数握 提交论文日期：2 q q 鱼! q 摘要 面向2 l 世纪的教育体系是以培养创新性人才为目标。在物理教学中改革教学手 段引进现代信息技术是培养创新入才所必需的，本研究在现代教育基本理论指导下， 在高中物理教学中进行了计算机辅助实验并努力开发新的计算机辅助实验，改变了轻 视实验和轻视实验过程的现状，有效的进行了计算机辅助实验与物理教学的有机整 合，体现了教育要面向现代化的宗旨，提高了实验的效果，优化了课掌教学从而促进 了教学改革和提高了物理教学质量。 本研究采用实验法，辅以调查法。本实验设计采取准实验设计，为等组前测一 一后测实验设计模式。选取同等程度的两个班，随机选取实验班和对照班。在对照班 采用传统的物理教学，在实验班采取计算机辅助实验教学，具体措施有：用计算机模 拟实验辅助物理教学进行演示实验。充分利用多媒体计算机强大的图，文，声，像处理功 能，利用多种软件进行制作对物理现象，物理过程的进行科学模拟。用计算机与真实实 验结合辅助物理教学，利用计算机实时测量技术，用微机做实验终端，通过接口电路、 各类传感器和常规仪器共同完成各类实验，把传统仪器发展为功能齐全的智能化教学 仪器进行实验教学。对变量进行测量和严格控制，用计算机e x c e l 软件对数据进行处 理，学习效果水平差异运用z 检验。 研究结果表明，在高中物理课程中实施计算机辅助实验教学对学生学习效果产生 了积极的影响，收到了预期的效果。计算机辅助实验教学有利于提高教学效率，有利 于提高全体学生成绩，有利于激发学生的兴趣。研究证明将计算机辅助实验与物理教 学有机结合，有效突破物理教学的难点，增加了教学容量，对教学起到事半功倍的效 果。同时也为学生探究性活动提供了生动活泼的学习氛围。使学生的主体地位得到发 挥，有利于学生的发展。符合新课改的理念，呼应信息时代的呼唤，对深化教学改革 全面推进素质教育具有重要意义，具有可行性和实效性。 关键词：计算机辅助实验高中物理教学实践研究 a b s t r a c t t h ee d u c a t i o n a ls y s t e mo ft h e2lc e n t u r yi sa i m i n gt od e t e c ta n df o s t e ri n n o v a t i v e t a l e n t s t h ei n n o v a t i o no ft e a c h i n gm e t h o d si np h y s i c sa n dt h ei n t r o d u c t i o no ft h em o d e m i n f o n n a t i o nt e c h n o l o g ya r es u r et ob ei m p e r a t i v e u n d e rt h eg u i d a n c eo ft h em o d e m f u n d a m e n t a le d u c a t i o n a lt h e o r i e s ，t h er e s e a r c hi se x p e r i m e n t i n gw i t hc a ia n dt r y i n gt o d e v e l o pn e wc a ie x p e r i m e n t s ，i th a sb e e nc h a n g i n g t h ea c t u a l i t yo fi g n o r i n gt h e e x p e r i m e n t sa n dt h e i rp r o c e s s e s e f f e c t i v e l yh a v i n ga c h i e v e dt h ec o m b i n a t i o no ft h ec a i a n dp h y s i c st e x t b o o kt e a c h i n g ，t h er e s e a r c hf u l l ys h o w st h et e n e tt h a te d u c a t i o ns h o u l db e f a c i n gt h em o d e r n i s m i ti sn o to n l yi m p r o v i n gt h ee x p e r i m e n t sr e s u l t s ，b u ta l s oo p t i m i z i n g t h ec l a s s r o o mt e a c h i n g ，m e a n w h i l ei ti sa l s op r o m o t i n gt h et e a c h i n gi n n o v a t i o na n d p h y s i c st e a c h i n gq u a l i t y a s s i s t e dw i t hi n v e s t i g a t i o na p p r o a c h e s ，t h er e s e a r c ha d o p t e de x p e r i m e n t a la p p r o a c h t h ee x p e r i m e n ta p p l i e sq u a s i e x p e r i m e n t a ld e s i g n p r o t e s t i n ga n dh i n d t e s t i n gm o d e r a n d o m l yp i c k i n gt w og r o u p so ft h es a m ed e g r e e ，w em a k et h e mo n ee x p e r i m e n t a lc l a s s a n do n ec o m p a r i s o nc l a s sr a n d o m l y i nc o m p a r i s o nc l a s s ，t r a d i t i o n a lt e a c h i n gm e t h o d sa r e u s e dw h i l ei ne x p e r i m e n t a lc l a s sc a it e a c h i n gm e t h o di sa d o p t e d c o n c r e t ew a y sa r ea s f o l l o w s ：s i m u l a t i o no ft h ee x p e r i m e n t so nc o m p u t e ri sa p p l i e dt oa s s i s tt h ec l a s s r o o m t e a c h i n g ；f u l lu s eh a sb e e nm a d eo fm u l t i m e d i ai np i c t u r e s w o r d s a u d i oa n dv i d e oa n d a l s ot h es o f t w a r ed e v e l o p m e n ti sa d o p t e dt os i m u l a t et h ew h o l ep h y s i t sp h e n o m e n o na n d p r o c e s s c o m p u t e r sa r eh i g h l yu s e dt oa s s i s tp h y s i c st e a c h i n g ，m e a s u r i n gt e c h n o l o g ya l l t h et i m e t h e ya r ef o l l yu s e da se x p e r i m e n t a lt e r m i n a l s a l lt y p e so fs e n s o r s r e g u l a r i n s t r u m e n t sa n dt h ei n t e r f a c ec i r c u i t r ya r ew o r k i n gt o g e t h e rt oh a v ec o m p l e t e da l ik i n d so f e x p e r i m e n t sb yd e v e l o p i n gt h et r a d i t i o n a li n s t r u m e n t si n t om u l t i f u n c t i o n a l i n t e l l e c t u a l i z e d i n s t r u m e n t s c o m p u t e r sa r ea l s ou s e dt om e a s u r ea n dm o n i t o ra l lt h ev a r i a b l e s d i s p o s ea 1 1 t h ed a t u m zi su s e dt oc h e c ko u tt h ed i f f e r e n c eo fs t u d yr e s u l t s t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a ta p p l y i n gt h ec a it op h y s i c st e a c h i n gi nh i g h s c h o o lh a sap o s i t i v ee f f e c to nt h es t u d e n t s s t u d y c a ii na s s i s t i n gp h y s i c se x p e r i m e n t s c a nn o to n l yp r o m o t et e a c h i n ge f f i c i e n c y ，b u ta l s op r o m o t es t u d ya c h i e v e m e n t ，a l s oi n s p i r e s t u d e n t s i n t e r e s t t h er e s e a r c hs h o w st h a tt h ec o m b i n a t i o no ft h ec a ia s s i s t i n gi n e x p e r i m e n t sa n dp h y s i c sc l a s s r o o mt e a c h i n gc a nb r e a kt h r o u g ht h ed i m c u l t i e si np h y s i c s t e a c h i n g ，s u p p l ym o r et e a c h i n gc o n t e n t ，g e tt w i c et h er e s u l tw i t hh a l ft h ee f f o r t a tt h e s a m et i m e ，i tc a na l s oc r e a t et h el o v e l ya t m o s p h e r ef o rt h ee x p l o r a t i o ns t u d y i ti sp l a y i n g a l li m p o r t a n tr o l ei nr e a l i z i n gt h ep r i n c i p a lp a r to ft h es t u d e n t si nt h e i rs t u d i e sa n di s p r o p i t i o u st ot h e i rd e v e l o p m e n t t h er e s e a r c hi sc o n s i l i e n tt ot h et e a c h i n gr e f o r m sa n da l s o s u i t st h em o d e mi n f o r m a t i o ng e n e r a t i o n i ti sf a i r l ym e a n i n g f u l i nf u l l yf u r t h e r i n gt e a c h i n g r e f o r i l l s a d v a n c i n gc o m p r e h e n s i v ee d u c a t i o n i ti sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e k e yw o r d s ：c a ia s s i s t i n ge x p e r i m e n t s h i g hs c h o o lp h y s i c st e a c h i n g p r a c t i c a lr e s e a r c h 【论文题目】计算机辅助实验在高中物理教学中的实践研究 第一章引言 1 1 题目陈述 物理是一门以实验为基础的自然学科，同时也是一门概念性和规律性很强的学科， 中学物理的概念和规律基本上是从物理现象，物理事实分析归纳而来。这种从现象到 规律，从感性到理性的过程，通常是学生认知的难点。能否提供科学，具体，清晰，生 动的感性材料是降低学生认知困难的一个关键。通常感性材料是在物理实验现象的观 察中获取。但存在明显不足，如物理现象的具体过程实验无法观察到：再如物理实验 的能见度低，物理过程稍纵即逝，不利于观察；还有些近代物理实验，在当前中学实 验设备条件下无法进行。以上实验存在的不足，较大程度上影响了学生对物理概念， 物理过程模型的建立，从而影响了学生对物理问题实质的理解。又如有很多物理演示 实验都要当掌测量数据、当堂计算、当掌得出结论，而数据处理相当繁杂，难以快速 找到简明的物理规律，例如牛顿第二定律就是通过课拳演示实验总结出来的。传统的 做法要耽误许多时| 日j 且只能定性泌明，如果利用微机测量并处理数据，则立即可以得 到实验结果。在学生分组实验中也是这样，过去常常是学生在实验室测量完数据之后 回到教室去处理数据，如果出现差错，也没有办法补测，为了得到较好的实验成绩， 往往发尘学生编造实验数据的情况，不利于培养学生实事求是的科学品质。【1 1 本研究 大大弥补了以上的不足。 当前的新课程改革对中学物理教学又提出了新的要求和标准，尤其是对于创新意 识和实践等能力提出了较高的要求。新颁发的普通高中物理课程标准指出：物理 课程的总目标不仅仅是让学生学习物理基础知谚 和技能，更要让学生学习科学探究方 法，发展自主学习能力，并能将物理知识应用于生活和尘产实践中。3 我国的“十一 五”规划中也指出要着力自主创新，指出创新是民族的灵魂，国家兴旺发达的不竭动 力。举持自主创新、综合创新，将被高度强调，从而为中国在新一轮的世界产业发展 和经济竞争中抢占有利位置奠定坚实的技术基础。可见，培养适应现代社会发展的创 新性人才是我们的任务所在。但长期以来，受“应试教育”思想的影响，教学过于重视 对学生知识的传授，忽视对学生能力的培养。学生提出问题的能力明显低于解决问题 的能力，解决非常规性教学问题的能力低于常规问题的能力。为了实现提高创新意识 和实践能力这一目标，新课程标准中最大的特点就是将课常内容与大量的探究活动 ( 课内或课外) 有机的联系起来，探究活动成了课章教学不可缺少的一环。而探究活 动的主体是学生，教师只是个指导者。而在学生迸行物理问题探究时往往对于他们 的设想要进行验证，或者检查它的可行性，但由于实验条件的不满足，往往想做的做 不出想测的无法测量，或者需要利用大量的时间计算，使得精力很大一部分没有用 于真正的物理问题的思考上。而机辅实验可以有效的模拟实验和测量实验数据，并且 有很高的效率，有效地解决如上问题。 物理学习有两种感知形式。一种是以观察、实验为形式的对正在发生的物理现象 的感知，另一种是以听讲、阅读为形式的对教材中材料的感知。其中听讲、阅读是物 理学习中感知的一种形式，实现对教材中提供的材料的感知，这种感知形式的特点是 以口头或书面的语言( 包括词) 为媒介。这种形式能引起学生对物理现象的感知，其间 学生要在头脑中经历一个脱去语言外衣、形成物理现象的直观图景的加工过程。而观 察、实验是物理学习中感知的主要形式。离丌了对f 在发生的物理现象的观察，物理 学习就成了无源之水，无本之木。在两种形式中，观察、实验是基本的形式，是感知 之本。但由于仪器设备的限制以及学习时间的限制，学生不可能对涉及的一切物理现 象都直接进行观察。【3 1 同时建构主义认为，学习者获取知识对事物的性质、规律以及 该事物与其它事物之间的联系的深刻理解最好的方法就是让学习者到现实世界的真 实环境中去感受、去检验，而不是仅仅聆听别人( 如教师) 对于这种经验的介绍和讲 解。【4 魄倡在教师指导下的、以学习者为中心的学习，也就是说，既强调学习者的认 知主体作用，又不忽视教师的指导作用，教师是意义建构的帮助者、促进者，而不是 知识的传授者与灌输者。学尘是信息加工的主体、是意义的主动建构者，而不是外部 刺激的被动接受者和被灌输的对象。口】计算机辅助实验可以作为建构主义学习环境下 的理想认知工具，能有效地促进学生的认知发展，所以随着计算机辅助实验应用的飞 速发展，建构主义学习理论丁f 愈来愈显示出其强大的生命力，并在世界范围内r 益扩 大其影响。 本研究在高中物理教学中采用计算机辅助实验，可较好地解决实验存在的不足。 无论是在课掌演示实验中还是在学生分组实验中，以至在课外活动等各种设计物理实 验的活动中，计算机都能扮演重要的角色。计算机辅助实验( 简称机辅实验) 指的是 用计算机模拟实验辅助物理教学和用计算机与真实实验结合辅助物理教学两方面。计 算机模拟实验辅助物理教学充分利用了多媒体计算机强大的图，文，声，像处理功能，通 过对物理现象。物理过程的科学模拟，使微观变宏观，高速变低速，使静变动，使连续变定 2 格，使看不见，摸不着的物理现象，物理过程变为有形，有声，有色的生动画面。极大地丰 富了学生的感性认识，激发了学生的求知欲，使其认知主体作用得以充分发挥，同时也 有效地引导了学生对物理过程的分析研究，促进了学生科学思维的培养。因此它具有 不可代替的作用。用计算机与真实实验结合辅助物理教学，用传感器采集实验数据， 通过接口箱与计算机连接，计算机完成数据的采集、计算、分析，不仅解决了一些传 统实验中难以直接测量的物理量的测量问题，同时快速准确。可以说机辅实验是“能 做实验”的补充、“难做实验”的模拟，复杂物理现象的展示、抽象物理概念的剖析， 微观世界的放大、宏观世界的缩小，【6 】又是实验数据的自动采集、处理、结果输出快 捷工具。它在物理实验教学中的应用与传统方式相比较既不是简单的替代关系也不是 排斥关系，若能有效地把它们整合到起，机辅实验对物理实验教学能起到事半功倍 的效果，对优化物理课堂教学，提高物理教学质量具有重要作用。 自2 0 0 1 年6 月教育部颁布的基础教育课程改革纲要( 试行) 中要求促进信息 技术与学科课程的整合以来，信息技术与课程整合成为一个炙手可热的研究话题。信 息技术与课程整合有许多潜在的意义，既呼应信息时代的召唤，又符合课程改革的理 念，1 7j 物理课程标准也提出重视将信息技术应用到物理实验室，加快中学物理实 验软件开发和应用，诸如通过计算机实时测量、处理实验数据，分析实验结果等。1 2 】 这罩的信息技术与本文上面所提到计算机辅助实验含义相同。其特点是现代化手段与 传统的科学实验进行有机结合，形成多媒体实验教学环境。具有测量精度高、测试速 度快、时空被扩大、智能交互、图文并茂、动画丰富等特点。使传统的科学仪器扩展 了新的功能，使基本的科学实验赋予新的内容，突出了现代化测试手段和方法的应用， 能够激发学生的兴趣，拓展学生的视野，增强其适应科技发展的能力。有效突破物理 教学中的重难点增加教学容量。同时也促进了教学模式的改变，创造了学生探究的环 境，使学生的主体地位得到发挥。 i e p ( 国际教育成就评价) 的测试结果表明，我国1 3 岁学生解答常规问题正确率为 8 0 ，远远高于其他固家。而另一项调查表明，我国学生应用能力极差，在他们的测试中， 平均成绩仅为2 1 分。这些都表明，我国目前的教学重视学生基础知识的强化训练，而 忽视学生的应用能力和创造能力，培养出来的人只能是“高分低能”。”3 本研究着重 于培养学生的创造能力。 中共中央、国务院关于深化教育改革，全面推进素质教育的决定中强调：为 实施素质教育，要充分发挥现代教育技术的作用，大力提高教育技术手段的现代化水 3 平和教育信息化程度，继续搞好多样化的电化教育和计算机辅助教学。可见，将计算 机辅助实验与物理教学有机整合，就是要落实大批创新人才的培养。这既是我国素质 教育的主要目标也是当今世界各国进行新一轮教育改革的主要目标。 1 2 背景材料及分析 1 2 1 计算机辅助实验与传统实验教学整合是时代发展的必然结果 面向2 1 世纪的教育体系应该是以现代教育理论为指导、以现代信息技术为支撑、 以培养创造性人才为目标，把学生培养成能充分适应2 1 世纪人才要求的现代教育体 系。随着计算机网络技术、传感技术、以及人工智能等技术的发展“虚拟现实”以及 具有决策、推理、自然语言功能的计算机人工智能技术给人类带来了人机交互的新概 念和新方法。虚拟现实的交互方式可以为人们创造一种身临其境的真实感觉，而人工 智能的交互方式可以使人们所经历的集成环境更具有对话和交流的人性感。在实施物 理教育的过程中，信息技术在对多种媒体信息进行整合与传输时所表现出的集成性、 交互性、开放性、情景性、智能性等特点能为物理教育过程提供多元化的教学资源、 智能化的教学过程、非线性化的教学信息组织等全方位的技术支撑，因而，将对传统 的教育观念、教学模式，教学方法、教学环境、教学组织形式等产生深刻的影响。9 】 基于计算机信息技术的计算机辅助实验为提高教学质量和教学效率、实现教学过程与 教学目标的最优化提供了一种全新的教学方式。 从2 0 世纪8 0 年代末开始，世界各国开始不约而同地纷纷站在未来时代要求的 高度，对本国的学校教育系统作出重大改变，教育改革成为全球政治、经济改革的先 导和重要组成部分。就基础教育而言，各国改革的一个基本点和共同点都集中在如何 使本国的青少年具备2 l 世纪所需要的“关键能力”。这种“关键能力”可以比较集 中地概括为用新技术获取和处理信息的能力、主动探究能力、分析和解决问题的能力、 与人合作及责任感、终身学习的能力等。”可见其中无论哪种能力都是以用新技术获 取作为其丽提提条件，而现代的新技术当以计算机技术为主要特征。 随着时代发展、科技进步，人们的生活方式、学习方式、工作和学习环境无一 不发生深刻的变化。在当前知识经济时代，知识劳动者大量增加，知识对经济增长的 贡献快速上升。这导致了教育改革和信息技术紧密联系在一起。2 0 世纪9 0 年代初， 从各方面得到的信息，都说明世界各国的教学仪器产品，已经很少再有单纯的传统教 学仪器；一般都用计算机做终端，形成新一代智能化教学仪器。在教学方法上也由教 4 师为主体转变成学生为主体。学生由被动式学习转变成主动探究。 1 2 2 计算机辅助实验与传统实验教学整合对高中物理教学的必要性 中共中央、国务院关于深化教育改革，全面推进素质教育的决定中强调：为 实施素质教育，要充分发挥现代教育技术的作用，大力提高教育技术手段的现代化水 平和教育信息化程度，继续搞好多样化的电化教育和计算机辅助教学。 我国目前物理实验教学存在很大差距：学生实验数量太少，为学生刨设的真实情 境不足，这从我国与其它国家仞、高中物理教材在学生实验的数量方面的比较可以看 出。探究性实验内容太少，物理实验教学质量不高。建构主义认为，学习者获取知 识对事物的性质、规律以及该事物与其它事物之间的联系的深刻理解最好的方法就是 让学习者到现实世界的真实环境中去感受、去检验，而不是仅仅聆听别人( 如教师) 对于这种经验的介绍和讲解。“学习科学是学生们要亲自动手做而不是要别人做给他 们看的事情”。所以。要使物理实验教学为培养具有创造力的人爿服务，就必须加大 实验的力度，提高实验教学的质量，把探究性实验作为创造物理情境、探究物理问题 的主要手段。而利用计算机辅助实验既可以准确快速完成演示实验，成功的导入新课， 优化了教学过程，增强了学生的兴趣，激发了学生学生的求知欲望，又可以在分组实 验和探究性实验中培养学生的动手能力了解现代技术如何应用于研究。为学生适应现 代化社会的要求打下了基础。并且用计算机实施测量技术进行物理实验，能够完成一 些常规仪器难以完成的实验，而且节约了时间，提高了精度。留给学生更多的时间思 考问题，理解试验的内涵。物理教学中，这种实施测量计算机辅助物理教学模式是纯 软件的c a i 辅助教学模式所无法取代的。“”它与计算机模拟实验相结合将取得很好的 效果。 1 2 3 计算机辅助实验与传统实验教学整合是新课改的呼唤 物理课程标准中明确指出学生要学习终身发展必备的物理基础知识和技能， 了解这些知识与技能在生活，生产中的应用，关注科学技术的现状及发展趋势。学习 科学探究方法，发展自主学习能力，养成良好的思维习惯，能运用物理知识和科学探 究方法解决一些问题。发展好奇心与求知欲，发展科学探索兴趣等。“1 新课程的逐步 推广，给当f ；i 的教育必然带来一场新的革命。他要求教师在教学理念，教学思想，教 学方式上都要进行一场深刻的变革，以适应现代教学的改革要求。和传统方式相比重 大转变是：由传统的感知验证、归纳的教与学向着象科学工作者一样的科学探究的形 5 式转变。在这样的探究式教学过程中，要更多的使用适合于探究的教学手段和教学资 料，而在以前的教学设备和教学器材中有许多设备和器材有待改进和组合，以适应新 的教学要求。作为物理这门以实验为基础的学科更是做在各门学科的前列，对实验器 材的要求更高这就必对已有的器材进行改进和组合。“7 利用机辅实验将使学生体会到 科技进步对知识发展的作用，使研究手段更加完善，加以它能进行常规实验较难控制 的测量和环境要求的探究性实验更能激发学生的探索兴趣。同时物理课程标准指 出：物理课程的总目标不仅仅是让学生学习物理基础知识和技能，更要让学生学习科 学探究方法，发展自主学习能力，并能将物理知识应用于生活和生产实践中。恰当运 用计算机辅助实验于配合了这种新理念，对教学改革会起到促进的作用，并且可以是 学生体验现代化的科学探究过程。 1 2 4 现状与存在问题： 实验教学的现状与物理教学的性质、教育改革形势的要求和作为基础教育重要环 节的地位很不相称。 中学物理教学改革中，当前最突出的问题是实验教学薄弱。而众所周知，物理学 是- - 1 “ 7 以实验为基础的科学。物理学的实验基础、理论体系和研究方法，是现代科学 和技术的基础，它们在学生智能结构的发展中将占有越来越重要的地位。纵观目前国 内外物理教学的动念，也能给我们一些启示。在一些发达国家，实验在中学物理教学 中已明显得到重视和加强。例如：据英国牛津大学教育学院七十年代一份研究资料介 绍，欧洲国家，中学最后二年( 即预科) 的学生物理实验所占的比例较大，如英国约 占整个教学时间2 5 5 0 ，在中学低年级可占每章课教学时间的7 0 一8 0 。又如，西德 国民教育初中物理课程共安排了3 4 3 个实验，其中2 9 5 个由学生自己完成，学生对物 理学这门课的学习，几乎完全是自己手脑并用的过程中完成的。由此可见，在指导思 想上，中学物理教学孥持以实验为基础；在实验教学要求上，增大学生的实验比例， 着重实验能力的训练；在教学形式上，更多地趋于采用边教边实验的方法。 但在考虑采用边教边实验等教学形式时，也应考虑到：2 1 世纪是一个信息的时 代，在我们的工作、学习和同常生活中需要获取和处理的信息越来越多，这对于在学 校罩j 下处于学习阶段的学生来说，如何利用计算机技术处理大量有用信息，从而更高 效地利用这些资源，必将成为学生必需的能力之一。在教学中必须采用现代教育技术 6 手段，是我们推进素质教育不可或缺的手段和方法之一。因此要做好计算机辅助实验 与中学课程的整合是必要的，是有利于促进教学改革的。 从计算机辅助实验在中学物理教学中应用的范围来看有不少学校已经先后启动 和应用，但大多数学校没有真正使其在物理教学中充分发挥作用。根据调查情况看， 现在大多数学校都配有计算机。也开始使用计算机辅助实验，但限于一些教研课、展 示课等而在平时教学课或者习题课、复习课、毕业班的课则是少之又少。并没有发 挥它在教学上的作用。出现这样的现象，究其原因，排除客观条件如资会、硬件等因 素的影响，其一是教师技术问题，不会上计算机辅助实验课：其二是嫌麻烦；其三是 运用不当，效果不理想。教师使用计算机的技术可以不断提高，可运用不当则是由于 认识上的欠缺，没有注意将计算机辅助实验与物理教学的整合。在运用计算机辅助实 验时应注重运用先进的教学理念和教学设计思想，突出学生自主学习的主体作用以及 教师必不可少的主导作用。同时，应主要针对难点、重点突破，有针对性的选择运用， 千万不可滥用，或搞形式。 从计算机辅助实验在中学物理教学中应用的形式上看，以课章演示型和操作练习 型的单一形式为主，这两种形式都没有摆脱传承式教学模式，往往忽略双向交流，交 互性差。而这两种形式一般的做法是：往往是教师花大量的精力( 课前紧张) 设计并 制作出课件，然后在课掌上按照设计的流程操作计算机，把知识内容逐一呈现给学生， 尽管设计比较精美，容量丰富，也有多种刺激，但由于缺乏或较少交流互动，并未挖 掘其主体作用，学生只是尤如看了一场电影一般。这种过于依赖媒体的做法，教师虽 然自我感觉良好( 课堂轻松) ，但其教师的主导作用也就荡然无存了，其作用充其量 只是一个电影放映员罢了。最终的效果自然也就十分可想而知了。这是由于在传承式 教学模式的影响下，没有交互，双向交流从而没有充分发挥学生的主体地位造成的。 在这些过程中计算机辅助实验主要作为教学媒体、手段和方法来帮助教师或学生解决 教或学中的问题。不能引起真正意义上的教学模式、学习方式的改变。因此只有教学 模式、学习方式的改变从理念上摆好学生的位置爿能充分发挥计算机辅助实验的功 效，使计算机辅助实验和物理教学形成有机的整体。从而把学生的主动性、积极性、 创造性较充分地发挥出来，使传统的以教师为中心的课章教学结构发生根本性变革， 使学生的创新精神与实践能力的培养真f 落到实处。 1 3 采用机辅实验的理论依据 i 3 1 实验的重要性 物理教育心理学的研究指出，兴趣出自好奇好奇出于意想不到意想不到 源于丰富多彩的物理世界实验及来源于生活实际的案例是再现丰富多彩的物理 世界的最有效的途径。”1 实验能培养学生的兴趣和激发学生的求知欲，创设学生有效 掌握知识的学习环境，可以训练学生的科学方法，还可以培养学生的各种能力，培养 学生良好的科学素质。实验方法的优点是能将复杂的条件进行简化和纯化，借助仪器 设备，突出研究对象的主要因素，排除次要的非本质因素，创造一个恰当的实验环境， 使需要认识的某种性质或关系以比较纯粹的形态表现出来，以便人们能比较容易且精 确地发现规律。“” 现在有一批非常努力，训练得很好，知识非常扎实的学生，但他们的知识是片面 的，而且没有创新的能力，很多学生学习物理时形成一种印象，认为物理学就是一些 演算。演算是物理学的一部分但不是最重要的部分，经典的理论及相关的演算是物理 学的骨干，而只有骨干的物理学是骷髅，物理学要有骨干，还要有血有肉。有血有肉 的物理学才是活的物理学。物理学最重要的部分是与现象有关的，绝大部分物理学是 从现象中来的。现象是物理学的根源，多注重想象彳。会有更多的新的东西，活的东西。 通过演示实验可以使学生在获得生动的感性认识的基础上，更好地理解和掌握物理概 念和规律，同时培养学生的观察能力、分析综合能力及逻辑思维能力，还为学生实验 的正确操作起着示范作用。因此，做好演示实验对于提高物理课掌教学质量可谓举足 轻重。1 学生实验是学生牢固掌握自然科学知识的重要方式，是学生获得基本实验技 能的重要手段。通过实验可以加深学生对自然现象的科学认识，培养学生实事求是的 科学态度和良好的实验习惯，以及动手动脑能力和归纳概括能力。实验型研究性学习 其最大特征是不仅能培养解决问题的能力、方法和思维，还能让学习者在问题解决过 程中主动地获取知识。实验过程中问题的解决不仅是一个知识输出的再现过程，更是 一个知识信息重组和整合的获得性过程。此外，实验型研究性学习还具有问题来源的 实践性、问题过程的探究性、问题情境的新颖性、问题信息的整合性、问题解决的探 究性、问题思维的丌放性等多项特征。这些能力恰是我们现阶段学生比较缺乏的，同 时也是现阶段中学生应具有的能力。 1 3 2 机辅实验的作用及重要性 建构主义提倡在教师指导下的、以学习者为中心的学习，也就是说，既强调学习 s 者的认知主体作用，又不忽视教师的指导作用，教师是意义建构的帮助者、促进者， 而不是知识的传授者与灌输者。学生是信息加工的主体、是意义的主动建构者，而不 是外部刺激的被动接受者和被灌输的对象。教师要成为学生建构意义的帮助者，就要 求教师在教学过程中从以下几个面发挥指导作用： ( 1 ) 激发学生的学习兴趣，帮助 学生形成学习动机；( 2 ) 通过创设符合教学内容要求的情境和提示新旧知识之倒联 系的线索，帮助学生建构当前所学知识的意义。( 3 ) 为了使意义建构更有效，教师 应在可能的条件下组织协作学习( 开展讨论与交流) ，并对协作学习过程进行引导使 之朝有利于意义建构的方向发展。”1 而计算机辅助实验在高中物理教学中将在以上几 方面发挥作用。 自从电脑被应用并不断发展以来，人们就丌始探索电脑在物理教学中的应用； 国外几十年前就丌始进行了电脑的物理教学活动。发展到今天，已经达到能利用电脑 进行大规模物理课程的教学的程度。在美国，有的高等院校让入校学生自己选择是愿 意利用电脑学习普通物理，还是愿意听教师讲课，有趣的是，一学期下来后，从两种 不同形式学习的学生学习成绩的统计分析中发现，已用电脑学习的学生成绩更为理 想。现代教学过程对教学方法的依赖也将对教学手段的不断更新提出新的要求，良好 的教学环境能为在教育过程中实现现代教学理念提供保障。当然，这种保障还必须依 据具体的学习目标，结合学生的实际以及知识的主要特征，通过合理选择一定的教学 方法j 。能真币得以实现。“”在此我们针对课程设置以及学生的实际情况，在课堂演示 实验，分组实验，探究性实验中充分运用计算机辅助实验优化物理学习过程。 物理实验，是以掌握物理要素及其相互问规律为目的，人为复制和调控物质运动 的状态与过程的一种科学实践活动。物理实验主要依赖仪器进行。“”物理作为一门以 实验为基础的自然科学，在物理教学过程中，实验是必不可少的，实验效果直接影响 了整节课的教学效果。利用多媒体辅助教学可以把实验微观宏观化，动念静态化、模 糊清晰化。但我们这里的机辅实验既包括用计算机模拟实验又充分利用了计算机的自 动采集数据、自动分析实验数据、用图象或数据表示的实验结果等功能，有快速、准 确、并能随时记录变量等优势，又不缺乏真实性。 在物理教学中做的物理实验是教学实验，它与物理学家进行科学研究而做的物 理实验科学实验既有联系又有区别。科学实验的特点的主要特点有：( 1 ) 实验条 件可以严格控制( 2 ) 实验可以重复( 3 ) 需要借助各种仪器( 4 ) 可以在特殊条件下 或特殊环境中进行。教学实验和科学实验在本质上有许多共同之处。教学实验是有选 9 择地把一部分研究或探索物理现象和规律的实验和事实，在集中的时倒内显现给学 生，教给学生。0 0 l 同时，许多实验由于实验环境和测量手段的限制，传统装备难以满 足要求，致使许多实验处于“想做而做不出，做得出又做不好”的境地。【1 4 l 可见，时 间上的要求是教学中实验的一个重要特点。同时，科学性应该是所有实验中的重中之 重。而现在特别是在学生分组实验中，由于设备精确度，学生操作等问题常常得不到 比较好的实验数据，或者由于实验课时间的限制，有的学生作出了数据，但来不及将 数据处理就带出实验室，结果发现误差很大。使学生无法及时发现问题，也降低了学 生的实验兴趣，甚至产生了实验中不经心，回家编数据的现象。这既不利于培养学生 的实验能力，而且久而久之也养成了学生缺乏科学的严谨性和科学的态度。 在研究性学习中机辅实验也体现出它的优势。研究性学习的核心就是实验探究， 而实验探究所强调的就是“想得出做得到”，实现一个完整的探究过程对学生来说是 最重要的。只要过程完整，实验做得出，实验的设想错了，也没关系根据逆向思 维法则，错误也是研究的素材、教学的资源。可如果设想中的实验最终做不出，不仅 会大大挫伤学生的探究热情，研究性学习也就失去了“研究”色彩而演变为“思辨” 了。机辅实验的测量、计算和分析功能，突破了传统实验的诸多限制，大幅度优化了 研究方法，为研究性学习的顺利丌展提供了有力支持。 让计算机来采集数据，处理数据，更利于学生的实验能力培养。应当指出，我们 这里是针对教学内容和教学目的有选择的进行机辅实验的教学手段。将复杂的数据处 理交给计算机进行，使学生更能集中精力于实验的原理过程设计等实验中重要的方 面。以往，学生自己处理数据多以得到良好实验成绩而拼凑数据，且没有足够时间思 考实验的整个过程和出现的问题及解决方法。同时，学习论告诉我们：完全陷入细节 的学习不仅没有必要，而且会使物理科学中最有生命力的内容在无数的细节中湮没， 学生也没有机会形成运用基础知识独立分析和解决问题的能力。1 3 】现阶段我们的学生 缺乏的诈是分析和解决问题的能力，具体的计算能力可能相差无几，也没有必要反复 练习。应当指出并也不是所有实验的数据都交给计算机处理，在非机辅实验中学生的 处理数据的能力可以得到充分的训练。机辅实验将有限的课堂时间多用在培养其分析 和解决问题上。 同时，机辅实验也增加了实验教学的丌放性。它不仅使不同程度的学生有充分的 时间完成分组实验还可以完成研究性学习的实验。实验中重要一点是精确性，而现有 常规实验中有的存在系统误差，如牛顿定律的演示实验，将小车所受的拉力用重物的 1 0 重力来计算，且很难得到定量结果，只是定性分析。而利用机辅实验可以准确快捷的 得到结果，增加了实验的可信度，同时提高了实验精度，节省了课章时间。有的测量 上存在一定困难，如瞬时速度，这对动量和能量等问题的研究都会产生影响。机辅实 验可利用光电门很快测出瞬时速度，计算出加速度，并得到结论。 1 4 问题及假设 本研究通过在多节物理课具体实施计算机辅助实验，以验证以下问题及假设。 1 4 1 问题：在物理教学中应用计算机辅助实验对高中生学习效果的影响 1 4 2 假设： 计算机辅助实验有利于提高教学效率。 计算机辅助实验有利于学生成绩的提高。 计算机辅助实验有利于激发学生的兴趣。 第二章研究方法与实施步骤 2 1 研究方法 本研究采用实验法，辅以调查法。 本实验设计采取准实验设计，为等组前测后测实验设计模式。使实验过程的研究 方法做到可测量、可操作。 2 2 被试选取 被试：为天津一中高一年级十一班和十二班两个班。 被试的分组：按高一上学期期未物理成绩及问卷调查情况，抽取两个成绩相同的班， 在这两个班中随机指定一个为实验班( 十一班) ，另一个为控制班( 十二班) 。从两班 按学习成绩、实验能力等方面各选取4 0 人，男女生各半，并以此稳定的4 0 人各种测 量数据来作为本研究的处理数掘。 2 3 变量分析 自变量：运用机算机辅助实验进行物理教学 对照班：按传统的物理教学方法备课、上课 实验班：用机辅实验干预学生的学习过程 因变量：学习效果 因变量的测量包括以下两个方面： 直接指标：物理测验成绩中实验的得分情况，物理平时成绩期中期末考试成绩。 间接指标： 采用问卷调查方式，对实验班和对照班进行学习物理兴趣的测量， 胡象岭物理学习兴趣量表，并对测验结果进行统计。 课掌教学效率，即相同的内容所用时间长短。采取计算课时的方式， 用实验班课时与对照班比较。 试卷采用 测量结果 无关变量 消除性别、人数影响，被试选择实验班和对照班，从两班按学习成绩、实验、 动手能力等方面各选取4 0 人，男女生各半，并以此稳定的4 0 人各种测量数据柬作为 本研究的处理数据。 1 2 为了消除学习基础的不同，选择总分和物理平均成绩都接近的两个班测试。为 了消除原始学习兴趣的不同，选择原始兴趣差不多的两个班。 为了消除人为因素的影响，各选择同一个年级的两个班实验。同一个物理教师， 以同样态度对待被试。严格按两种实验教学方法备课、上课，使两班实验课教学内容 互不干扰，避免了两种实验教学方法的相互影响。两班的实验考核、平时成绩、期中 与期末考试、学习物理兴趣水平测试，在内容、时间、方式上相同，统一安排时间、 统一评分标准，由不了解教改情况的教师进行评判。同时两班班主任年龄、风格相似。 学习用同一版本的教材，进度、时间、内容完全相同。 2 4 实施步骤 2 4 1 操纵自变量 自变量说明 用计算机模拟实验辅助物理教学： 充分利用多媒体计算机强大的图，文，声，像处理功能，利用多种软件进行制作对物 理现象，物理过程的进行科学模拟，使微观变宏观，高速变低速，使静变动，使连续变定格， 使看不见，摸不着的物理现象，物理过程变为有形，有声，有色的生动画面。极大地丰富了 学生的感性认识，激发了学生的求知欲，能使学生通过意义构建建立认知结构并主动 探索解决问题途径。把抽象教材形象化，使教学过程生动、有趣、感染力强，促进学 生的理解和记忆，使其认知主体作用得以充分发挥。同时也有效地引导了学生对物理 过程的分析研究，促进了学生科学思维的培养。因此它具有不可代替的作用，是“能 做实验”的补充、“难做实验”的模拟，复杂物理