（教育技术学专业论文）大学物理演示实验网络探究学习系统的设计.pdf

大学物理演示实验网络探究学习系统的设计 摘要 现代教育的一个重要目标是培养学生的基本学习技能、信息素养、合作与交 互能力、创新精神和实践能力。探究学习、网络学习、信息技术与课程整合等方 面的研究是当前推进教学改革，培养新型人才的重要着眼点。 本文从当前大学物理教学的实际问题出发，研究了演示实验的教学功能，不 同演示资源类型和教学组织方式的特点根据探究学习的基本原则和建构主义学 习理论，提出了大学物理探究学习的具体目标和实施原则。并具体设计了基于演 示资源的物理网络探究学习模式，在课堂情境、实验室演示和网络学习情境中， 学生在教师的引导下提出问题，通过网络支持环境开展个人化或协作探究学习。 该模式突出了演示资源在创设情境和引发问题当中的重要作用，强调课堂、网络 和实验室三种情境的结合 论文还设计了教师的引导和帮助策略，提出了物理探究的不同问题类型和任 务层次，分析了探究学习评价的方法和要点，设计了评价量表，为教师组织物理 探究学习提供了具体的参考。 从当前物理演示教学过程的实际需要，特别是从支持探究学习的角度出发， 对演示实验网络学习系统进行了总体设计、资源设计和各模块开发。并在网络学 习系统中成功引入了博客作为交互共享工具和知识管理工具。该系统实现了对三 种演示情境的支持和结合，有利于探究、自主、合作学习的开展。系统对改进物 理学习，提高演示资源教学效率，培养学生创新精神和合作精神，提高学生信息 素养和实践能力具有重要作用。 论文研究成果和开发的网络学习系统对教师开展探究教学、深化教学改革具 有重要的理论价值和实践指导作用。 关键词：演示实验；探究学习；网络学习；教学设计；大学物理 a b s t r a c t n sak e ye d u c a t i o n a l g o a lt od e v e l o ps t u d e n t s a b i l i t i c sw h i c hi n c l u d eb a s i c l c a r n i n gs k i l l s ，i n f o r m a t i o nl i t e r a c y i n t e r p e r n a la n dc o o p e r a t i v cs k i l l s ，i n v e n t i v e t h i n k i n ga n dp r a c t i c a la b i l i t i e s t ba c h i e v ct h a t ，t h cr e s c a r c h c so ni n q u i f yl e a r n i n g ， e i e a m i n g ，i n t e g r a t i n gi ti n t oc u r r i c u i u ma n dc t c a r et h ek e yp o i n t s 缸e d u c a t i o n a i r e f o r m b a s e d 彻五ee x j s t i n gp i d b l c m si nc o n e g ep h y s i c sj n s r u c c j o n ，t h ep a p e ra n a l y z e s t h e 缸n c t i o n so ft h ed e m o n s t f a t i o n a le x p c r i m e n t sa n dt h cc h a f a c t e r i s t i c so fd i 丘e r e n t d e m o n s t r a t i o n a la p p a c h c s a c c o r d i n gt ot h cb a s i cp f i n c i p l e so fi n q u i r yl e a r n i n ga n d c o n s t r u c t i v i s ml e a r n i n gt h e o r y t h ed e t a i lt 甜g c t sa n dc x e c u t i v ep r i n c i p l e si np h y s i c a l i n q u i r yi e a r n i n g 盯ep r o p o s e d a n dt h ea u t h o rd e s i g n sam o d e lo fp h y s i c so n l i n c i n q u i r yl e a r n i n gw h i c hi sb a s e do nd e m o n s t r a t i o n a le x p e r i m e mr e s o u r c e s s t u d e n t s r a i s e0 rc h o o s ei n q u i r yq u e s t i o n sw i t ht h eg u i d a n c eo fl e a c h e r sw h e nt h e ya r ei n c l a s s r o o n bl a b o r a t o r yo ro n l i n el e a r n i n ge n v i r o n m e m a n dt h e i ri n q u i f ya c t i v “i e sa f c s u p p o n e db yt h en e t w o r kc n v i r o n m e n tw h e nt h e yc o n d u c ti n d i v i d u a lo fc o o p c r a t i v c i n q u i r yi e a r n i n g t 1 i cm o d e lh i g h l i g h t st h ei m p o n a n c eo ft h ed e m o n s t r a t i o nr e s o u r c e s i nc r e a t i n gs “u a t i o n sa n di n s p i r i n gq u e s t i o n s a n d “a l s of o c u s e so nt h ec o m b i n a t i o n o fc j a s s r o o m ，j a b o m l o r ya n dn c t w o r ke n v i r o n m e n t t h ep a p e ra i s op r o v i d c st h ei n s t r u c i i o n a ia n ds u p p o r t i v es t r a t e g i e sf b rt e a c h e r s ， d e s i g n sd i f f c r e mq l l e s t i o nt y p e sa n dt a s kl e v e l si np h y s i c si n q u i f y a n a l y s e st h em a i n p o i n t so ft h ee v a l u a t i o no fp h y s i c si n q u i r yl e a r n i n ga n dd e s i g n st h ee v a i u a t i o ns c a i e s ， w h i c ho f f e r st e a c h e r sag u i d ef o ro r g a n i z i n gt h es t u d e n t s p h y s i c si n q u i r yl c a r n i n g f o rn e e d so fp f e s e n tp h y s i c st e a c h i n gp r o c e s s ，e s p e c i a l l yf b fs u p p o n i n gi n q u i r y s t u d y ，t h ea u t h o rd e s i g n sa n dd e v e l o p st h e 仃a m e w o f ka n da l lm o d u l e so fl h c0 n l i n c l e a r n i n gs y s t e m ，d e v e l o p ss o m ed e m o n s t r a t i o n a lr e s o u r c c a d d i t i o n a i l y - “b l o g i s i n t r o d u c e di n t ot h el e a r n i n gs y s t e ma st o o l so fc o m m u n i c a t i o n r e s o u r c es h a r i n ga n d l m o w l e d g em a n a g i n g t h cl e a r n i n gs y s e mc o m b i n e sc h r e ed e m o n s t 值c i o ns i t u a t i o n s i t g r e a t l yf a c i l i t a t e st h c n d u c t i o no fi n q u i r yl e a r n i n g ，s e l f g u i d e dl e a 伯i n ga d c o o p e r a t i v cl e a r n i n g r h cs y s t e mp l a y sa ni l n p o r t a n tr o l ei ni m p r o v i n gp h y s i c ss t u d y ， m a k i n gd e m o n s t r a t i o n a lr e s o u r c e sm o r ee f f i c i e m 1 ti sa l s oe f f i c i e mi np r o m o t i n g s t u d e m s i n n o v a t i v ca n dc o o p e r a t i v cs p i r i t sa n di m p r o v i n gt h e i fi n f o r m a t i o ni i t e r a c y a n dp r a c t i c a is k i l l s i t h eo u t c o m e so ft h cr c s e a r c ha n dt h e0 n l i n el e a r n i n gs y s t e mo f f e rt h e o r e t i c a la n d p n c t i c a li n s t r u c t i o nf o rc d u c a t o r st o n d u c ti n q u i r yl c a r n i n ga n d t om a k et e a c h i n g i m p r o v c m e n t k e yw o r d s ：d e m 佃s t 憎n o n a ie x p e r i m e n t ；i n q u i r yl e a m i n g ；0 n h n el e a m i g ； i n s t r u c t i o n a ld e s i g n ；c o i i e g ep h y s i c s 插图索引 图1 1 经验之塔模型1 2 图4 1 基于演示实验的物理网络探究学习模式3 1 图5 1 网络学习系统支持下的演示实验教学流程4 0 图5 2 物理演示实验网络学习系统功能模块4 2 图5 3 博客在物理网络学习中的应用4 4 图5 4 物理博客主界面4 6 图5 5 开放演示实验课程介绍4 7 图5 6 开放演示实验学习要求介绍4 8 图5 7 实验室演示资源介绍4 8 图5 8 动画演示资源示例4 9 图5 9 程序模拟演示资源示例4 9 图5 1 0 视频演示资源示例5 0 图5 1 1 国内外演示资源链接5 0 图5 1 2 国外演示实验网站资源5 1 图5 1 3 学生对学习系统总体感觉调查统计结果5 3 图5 1 4 学习系统是否有助于物理学习的调查统计结果5 4 图5 1 5 学生使用学习系统频率的调查统计结果5 4 v i i 大学物理演示实验网络探究学习系统的设计 附表索引 表3 1 探究的基本特征与变化2 2 表3 2 萨奇曼的探究训练模式2 4 表4 1 基于演示实验的物理探究学习任务类型3 3 表4 2 物理探究学习评价量表3 6 表4 3 个人和小组最终成绩的计算3 7 表4 4 个人在组内的评价量表3 7 表5 1 学生最喜欢的演示学习资源类型统计5 5 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 誓强 日期：w 年t l 月 j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“v ”) 作者签名：锄 别磁辄差产 日期：如“年 日期：绰 t 日 ，日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题提出的背景及相关研究现状 1 1 1 探究学习在创新人才培养中倍受重视 2 1 世纪是信息化世纪，人类进入了知识经济时代。知识信息在社会进步、经 济发展中起着越来越突出的作用。随着知识更新速度和科技创新步伐的加快，信 息总量不断增加，社会对人才的能力素质与知识结构提出了新的要求和挑战。美 国教育技术c e o 论坛第4 年度( 2 0 0 1 ) 报告就明确指出，要培养学生“2 1 世纪 的能力素质”1 1 l ：基本学习技能；信息素养；创新思维能力；人际交往与合作精 神；实践能力。促进入的全面发展，重视培养学生综合素质、创新精神和实践能 力已成为世界教育改革的关注焦点 为迎接知识经济时代的挑战，适应新时代对人才的要求，我国正在深化教育 改革，推进素质教育，加快教育信息化进程。从1 9 9 9 年开始，我国教育领域，特 别是基础教育领域推行了一系列重大改革举措，包括：改革高考内容和形式，高 校扩招，为学生学习减负；改革教育内容和教学方法，建设校校通工程；启动新 课程的实验；基础教育课程教材改革；注重培养学生创新精神和实践能力，强调 在各学科中把探究学习摆在突出位置等等 广大教育工作者都在积极探索的一个内容就是通过改革教学目标、教学内容、 教学方式、教学手段，改革传统教学以教师为中心，学生被动接受方式的弊端， 要变单纯的接受式学习为学生主动参与的体验式、探究式学习，培养学生分析问 题和解决问题的能力、处理信息的能力、交往合作的能力和创造与实践的能力； 要从传统的继承性学习转向创新性学习，以促使学生的学习方式和教师的教学方 式发生深刻的变革探究学习成为了教育界研究的热点，倡导探究性学习也成为 我国基础教育课程改革的一个重要而具体的目标。基础教育课程改革纲要( 试 行) 规定：“从小学至高中设置综合实践活动并作为必修课程，其内容主要包括： 信息技术教育、研究性学习，社区服务与社会实践以及劳动与技术教育。强调学 生通过实践，增强探究和创新意识，学习科学研究的方法，发展综合运用知识的 能力【羽。”可见，探究学习成为新型人才培养所倡导的重要方式。 1 1 2 信息技术教育应用与发展 信息技术的飞速发展及其在社会经济生活各个领域的广泛应用，极大的改变 了人类的生产生活方式特别是2 0 世纪9 0 年代中期以来互联网的迅猛发展，使 大学物理演示实验嘲锵探究学习系统的设计 得信息资源的开放共享和交流沟通的便捷迅速达到了前所未有的程度。 有效利用信息技术已成为教育改革的重要着手点信息技术教育应用经历了 三个阶段的发展：“c m ( 计算机辅助教学) 阶段，c a l ( 计算机辅助学习) 阶 段，i l t c ( 信息技术与课程整合) 阶段1 3 p 。“从国际潮流来看，当前的信息技 术教育应用正在逐步进入第三个发展阶段在进入这个阶段以后，按理说，信息 技术就不再仅仅是辅助教或辅助学的工具，而是要通过信息技术与学科课程的有 效整合创建理想的学习环境与全新的学习方式，从而有可能改变传统的教学结构 和教学模式，真正实现学校教学的深化改革，达到培养创新人才的目标。【3 l ” 大力推进信息技术在教学过程中的普遍应用，促进信息技术与学科课程的整 合，充分发挥信息技术的优势，为学生的学习和发展提供丰富多彩的教育环境和 有力的学习工具，也成为教育研究和探索的热点。 据我国互联网信息中心截止2 0 0 6 年6 月3 0 日的统计数据【4 】：我国网民达1 2 3 亿，其中宽带上网用户7 7 0 0 万，平均每周上网时间1 6 5 小时。在2 亿中小学生 中，上网学生已达3 0 0 0 万，中小学生互联网渗透率达到1 5 4 ，而其中高中学生 互联网渗透率已超过一半。我国3 6 0 0 万高中学生( 包括普通高中、职业高中和中 专) 中，已经上网的超过1 8 0 0 万；6 0 0 0 万初中学生( 包括普通初中和职业初中) 中，也有超过1 0 0 0 万的学生在使用互联网。”如此庞大的用户群体和普及速度使 我们看到了网络在教育上有待开发的巨大潜力和给教育改革带来的机遇。 i n t e r n e t 在我国的迅速普及使e l c a m i n g 已成为一种重要的学习方式。各种 类型的网络教育服务和网络学校为各类学习者提供了丰富的教育资源和教育培训 机会，学习者在学习内容和学习方式上具备更多的选择，学习变得更适合个性的 发展和社会的实际需要。网络学习对于实现优质教育资源共享，扩大教育规模， 促进教育机会均等，促进人的全面发展，构建终身学习和全民学习的学习型社会 具有重要的作用。特别是在教育由“应试教育”向“素质教育”转变。由“学校 教育”向“自我教育”、“终身学习”发展的今天，开展网络教学，加速教育技 术现代化是社会发展的必然趋势。它将对传统教学产生了巨大的冲击，促使教学 内容、教学手段、教学方法、教学结构及至教学理论，教育形态产生一系列变革。 1 1 3 高校物理教学现状与改革要求 高校作为人才培养的重要基地，其输出的人才素质对国民经济的发展，对国 家科技创新能力具有重要的影响。高等学校在信息技术基础设施建设上具有一定 的优势，积极利用各种信息技术手段和新的教学理念加快教学改革的步伐和力度， 提高教学质量，培养学生创新和实践能力成为高等学校教学改革的重要任务。 大学物理作为高校理工科学生的基础课，要为学习后续专业基础课和专业课 打下必备的知识基础，也是培养最基本的实验技能和实践能力的重要环节，特别 硕士学位论文 是对于学生科学态度、世界观的形成和科学素质的培养具有重要意义物理学习 需要严密的推理和细致的观察，对于训练学生逻辑思维能力、观察分析能力，发 现和解决问题的能力，想象力和创造力也是至关重要的环节。物理课在低年级开 设，学生采用的学习方式和形成的学习能力将对以后的学习过程及至今后的成长 产生重要影响，再加上涉及学生人数众多，因此物理课程教学改革对各高校推行 素质教育，提高人才培养质量，探索课程与教学改革具有重要意义，这也是本论 文选择物理课程教学改革作为研究内容的一个重要原因。 正如一位教师所言，当前高校物理教学中对学生的探究、实践能力和创新精 神的培养还存在一些问题，“长期以来，在大学物理学习中，多是教师讲学生听。 这种以接受教师讲授为主的接受性学习方式过分追求将教师讲解的知识完整而系 统地接受，只重灌输，疏于引导，只重接受，忽视探索，只重理论，忽视实践， 形成了学生对教师的依赖性和盲目崇拜性，作为潜能存在的学生的独立性、创造 性得不到应有发展，学生很难养成质疑和批判精神。而且由于传统学习中时间和 空间有限，学生对校内校外教育资源的利用也很少，学生的个性得不到充分的发 展【5 p 物理学是以实验为基础，对大量物理事实、现象进行科学探究和概括的一门 自然科学。在物理教学过程中应该渗透探究的理念。但大学物理又是概念原理高 度抽象，知识体系结构严密的课程，理论教学中采用现场演示实验，多媒体演示 等方式能再现或模拟物理现象和过程，介绍物理知识应用和发展，有效地激发学 习兴趣，帮助学生建立感性认识，加深概念原理的认识理解，加强物理与生产生 活实践和学生经验的联系，促进知识的迁移应用。演示实验和演示资源的建设已 作为改进物理课堂教学的重要措施而受到关注。但“从整体上来看，物理演示实 验项目整体上内容偏少，覆盖面不全，并且水平不高。1 6 p 而且针对演示实验所 引发的学生的丰富联想和很多感兴趣的问题，多数因传统教学的时空限制和支持 环境的缺失而未得到适当的引导和组织，未能进行有效的探究学习活动，没有充 分发挥演示资源的潜能。 在信息技术应用上，物理c a i 课件的研究和开发开展得较早，并取得较大成 果。如今多媒体课堂演示和教学的研究和实践也已在多数学校广泛的开展。随着 校园网基础设施建设的加快，开展网络教学活动的条件逐步完善，物理网络教学 资源建设，网络课程开发与实施在高校中开展较为广泛。 但是我们也看到，信息技术与物理课程整合的水平还不高，c m 课件和网络 课程效果也有待提高。大学物理和大学物理实验网络课程虽多，也在一定 程度上改善了教学效果，但探究的理念还不突出，在情境创设上，资源组织上仍 然被严密的知识结构体系所束缚，难以激发学生的主体性和兴趣，难以支持探究 式学习的开展。演示实验作为物理教学的重要方法和内容，在现有物理网络课程 3 - 大学物理演示实验时晰探究学习系统的设计 中除了包含一定的视频和模拟演示外，没有充分体现演示实验的特点和发挥其独 特的教学功能，难以很好地实现真实演示环境与网络学习环境的统一，学习资源 和教学活动设计缺乏针对性。因此，演示资源效能的发挥，物理探究学习的开展 还需要很多开创性的研究和实践上的探索。 1 2 论文研究的内容和意义 在这样的背景下，本论文“大学物理演示实验网络探究学习系统的设计”致 力于研究演示实验资源的教学功能和特点，在现代教学和学习理论指导下探索信 息技术与演示实验整合的途径与方法，探索以演示实验资源为突破口，通过创设 自主和探究学习的环境，以网络系统为支撑开展物理探究学习的模式和途径。并 对探究学习的问题提出、交流协作、过程组织、成果展示及学习评价各环节进行 探讨，设计网络支持平台的总体功能和模块组成，设计开发和合理组织网络演示 资源，并最终从技术上实际开发出实用的网络系统为教学服务。 本论文课题代表了探究学习与网络学习两种发展趋势的有机融合，研究的是 课程与信息技术整合的实践问题。这些研究内容和工作对于如何实现信息技术与 物理课程整合，信息技术如何促进教学资源建设，探究学习如何融入物理课程教 学，课程教学如何实现创新实践能力培养等倍受关注的问题提供理论和实践上的 指导。对于大学物理教学改革，提高人才培养质量具有重要的理论价值和实践意 义。 1 3 研究和开发的方法 本论文的研究内容涉及教学设计、资源开发和网络系统技术开发，工作量较 大。采用的基本研究方法包括：文献研究法，调查法，实地观察，比较研究和行 动研究等。 在演示实验的教学功能和组织形式研究上主要采用了文献研究和比较研究来 归纳和总结，并分析对比各自的优势和不足。调查法和实地观察主要用于：系统 设计中的需求分折，以了解师生活动对网络系统提出的要求；系统使用情况的调 查和分析，用来改进学习系统的设计。 本人作为演示实验和大学物理理论课助教，在教学中有现实的机会接触和了 解学生，进行调查和访谈。对于网络学习系统的开发是以行动研究为基础的，自 己作为这个系统的服务对象和开发设计者，能不断根据实际情况和教学活动需要 对系统进行改进和完善。 4 一 第2 章大学物理演示实验研究 2 1 演示实验的教学功能分析 要发挥信息技术在课程教学中的作用，就要结合课程本身的目标和特点，考 虑学习者的特征及各方面影响因素，这样才能利用信息技术优势来创设学习情境， 采用合适的教学策略，设计教学内容和学习活动，实现技术与课程的有效整合。 物理学是建立在实验基础上的一门科学，其概念、原理都是在观察和实验的 基础上抽象和总结出来的。大学物理教学的目标是让学生真正地理解和掌握物理 规律，培养学生的科学态度、思维能力、创造能力和实践能力。“演示实验教学 是在课堂上主要由教师操作，并通过教师的启发指导，帮助学生对实验进行观察 思考，以达到一定的教学目的的实验教学的方式【7 p 。“在基础物理教学中，演 示实验是一个重要的、必不可少的教学环节【8 p 作为物理教学中的重要手段和 内容，演示实验给予学生知识的信息量是综合的，多方面的。它不等同于一般的 学生实验，它侧重于通过直观展示物理现象和过程，提供生动形象的感性知识来 帮助学生理解抽象的物理概念和原理，激发学习兴趣和动机，加强物理知识与实 际生活的联系，促进知识的迁移和应用。 以2 0 0 2 年国家教育部制定的全日制普通高级中学物理教学大纲为例，演 示实验增多，要求尽量以实验演示代替教师的讲授，增加学生具体形象的物理体 验。其中规定了1 0 1 个演示实验，必修部分7 0 个，选修部分3 1 个【引。对于大学 物理，国家没有统一的教学大纲，学校在教材和教学方法的选用，实验项目和数 量的设置上有较大的自主权，但演示教学的重要性也得到了广泛认同，受到各校 的普遍重视。 这里从演示实验的实际使用效果出发，结合心理学视角解释演示实验对于教 学和学习的作用，概括起来，演示实验的教学功能表现为： 1 创设生动情境，激发学习兴趣和求知欲望 课堂教学中，教师为了引入教学内容或课题，往往会采用实物演示，播放视 频或多媒体演示课件的方式，将与教学内容相关的现象或过程生动形象地展现出 来，创造出一种真实的物理情境，并提出要讨论问题或引入要学习的内容，激发 学生对课堂教学内容的兴趣和积极性，活跃课堂气氛，吸引学生的注意力，这是 提高课堂教学效果的重要方法。在加涅的五段教学法九大教学事件中这也是一个 重要的环节夸美纽斯曾说过：。可以为教师们定下一则金科玉律，在尽可能的 范围内，一切事物都应该尽量放到感官跟前i ”j 。” 大学物理演示实验科络探究学习系统的设计 2 提供感性素材，帮助学生建立概念和认识规律 物理学习不能背离由感性认识到理性认识这一人类认识的最基本规律“在 学习某个抽象概念时，如果学生不具备实际的或图形的经验，那么词和公式对他 们就可能缺乏现实意义因为词语符号与学生所能做，所能看的任何事物毫无相 似之处，他难以将词语符号与自己的经验联系起来事物的本质和规律是通过多 方面的大量的现象表现出来的，只有积累了丰富的合乎实际的感性认识，才能进 行科学的抽象，使感性认识上升为理性认识1 1 1 1 ”物理概念和规律是对客观物理 世界的高度概括和抽象总结，物理教学应当从真实世界，从学生已有的经验和感 性材料入手。 演示实验为学生提供物理现象和过程的生动而形象的描述，为各种物理参量 问的相互影响和作用提供直接而真实的证明，为学生提供丰富的物理表象和感性 经验，为逻辑思维和理性认识活动提供必要的内容和基础，是帮助学生真正认识 和理解物理知识，而不是机械记忆的重要方式 演示实验相对于单一的语言描述更具形象性，更为生动直观，相对于图形， 图像描述而言，也更为真实，并具有动态性。利用多媒体还可“形象生动地演示、 验证一些用传统方法难以展示的物理现象、过程和定纠1 2 】。”而且往往因声形并 俱，能刺激学生多种感官反应，给学生留下深刻印象和记忆，在情境创设上有着 不可替代的独特作用。 3 巩固知识，优化概念结构，促进知识的应用和迁移； 从教学的角度来言，一个演示实验往往为了引出或验证相关物理概念、原理 和规律，而从学生的角度和应用的角度来看，这就是原理的体现或应用。一个演 示实验可能就反映了一类物理现象和过程。在生动形象的演示过程中学生可能联 想到类似的现象或过程，起到举一反三的作用。演示教学为学生从不同角度认识 自然世界，把握物理规律提供了方法上的指导和直接的经验体验。多个演示实验 可从不同的侧面体现同一物理知识，反应其在不同方面的应用，加强了物理与生 产和生活实际的联系，为学生在真实环境中应用物理知识来解释现象，解决问题 提供了启示和线索。 4 通过观察和分析等思维训练，发展学生的抽象思维能力和应用创造能力； 教师在借助演示实验所创设的生动真实的物理教学情境中，通过引导和启发 学生观察和发现问题，能有效培养学生观察能力和发现问题的能力。观察是获取 感性知识的途径，是进行思维加工的基础，善于观察才能善于发现，善于探索。 通过对实验现象和过程进行比较、分类、分析、综合、归纳、演绎、证明、反驳， 在感性认识的基础上形成概念并进行判断和推理，分辨现象真伪和虚实，认识必 然与偶然，从而获得对事物本质和规律的认识能力。在活跃积极的气氛中使学生 调动各种感官，积极投入一系列的抽象思维活动，也是教学成功的重要体现。 f 硕士学位论文 5 提供实验示范，有助于树立严谨的科学态度和训练实验技能； ； 演示实验中教师对于实验仪器设备准确熟练的调试与操作，一丝不苟，尊重 实验事实的态度，对于学生能起到很好的实验示范作用，教育他们物理实验是严 肃的工作，需要一丝不苟的科学态度和严谨的工作作风运用实验来证明和阐述 原理，使学生明白物理是以实验为基础的科学，原理和规律源于实验与生产生活 事实。尽管在科学发现中猜想、想象和假设也是极其重要的，但最终都要由实验 和实践来证明 6 引发和支持探究式、发现式学习，为其提供问题情境和实验资源。 演示实验一个重要的作用还在于从它所呈示的大量现象和过程中，学生能发 现很多问题，或者当那些现象和问题与他们原有认知结构中的已有观念或生活经 验相背离时，就引发了认知冲突。而这种问题情境激起了学习与解决问题的欲望， 问题是探究性学习的起点而演示实验资源也是解决问题，进行探究学习的重要 资源。 本论文开发演示实验网络学习系统的目的就是要充分发挥演示实验的上述教 学功能，提高演示资源的利用效率和效果，对物理教学活动提供更大的灵活性和 个性化支持。特别是注重利用网络开放性和交互性等特点，支持师生之间、学生 之间以及师生与资源之间的多向互动，在培养学生科学态度、自主学习和协作探 究能力、创造能力等方面发挥潜力。 2 2 信息技术条件下演示实验教学形式的变化 2 2 1 演示实验媒体形式的变化 2 2 1 1 实物演示形式 演示实验最初都是以实物演示为主， 范来完成的。这就是传统演示实验形式， 由教师操作实物仪器设备并结合讲解示 它主要在课堂或实验室中进行 由于这种实物实验需要的设备准备和实验调试时间较长，而且有些实验设备 贵重或不便经常搬运，因此不便在课堂上进行演示为了在课堂上加强相关内容 的教学，教师也有把演示实验的仪器或实验现象和过程制成幻灯片或画成挂图， 以它们为教学媒体，呈现事实、说明现象、描述过程，通过在学生头脑中建立感 性认识来帮助学生建立概念、论证原理、证明结论。即使有些演示实验学生己在 演示实验室接触到了，为了加强教学效果，教师仍可能在课堂上用言语描述的方 法再现实验图景或者用以上挂图、投影的方法来重现物理图像，帮助学生理解当 前的教学内容。 7 一 大学物理演示实验嘲络探究学习系统的设计 2 2 1 2 视频 高校在电教设备方面有一定的基础，八十年代以后高校的幻灯机和录像机已 不再是稀缺的设备了，录像作为一种重要的教学媒体曾被广泛应用。在物理教学 方面，名师的课堂授课节选、科学家的演讲、物理知识的应用专题、物理科普宣 传片等都曾被制作成录像带，用于进行视频教学。很多实验和演示实验的主要过 程也被摄制为录像，将实验的现象、过程和结果再现出来，加上录像镜头可以实 现放大和特写，重要的现象和过程可以在录像中加以突出，更加能吸引学生的注 意。录像中可以加上教师的配音讲解和操作示范，并在实验中进行适当的对比和 比较，从不同的结果中验证各种物理参量间的关系，使学生对于物理原理和规律 的理解更加深入和透彻。 一些高校，音像出版社、电教机构都曾专业制作并公开发行过这种教学录像 带。视频演示教学对于演示实验设备和条件欠缺的学校开展物理教学，提高学生 物理学习效果有很大帮助。对于扩大演示教学的范围，共享演示教学资源，交流 和推广演示教学经验等方面都有重要意义，目前这种基于视频媒体进行的演示教 学仍在各个学校广泛应用，只是大都适应技术的发展和形势的变化，将视频存储 媒介由录像带转制为v c d 、c d r o m 或d v d 光盘等数字存储方式，并可实现网 络点播。视频播放设备也相应的由“录像机+ 电视机”或“录像机+ 投影仪”变为 “多媒体计算机+ 投影仪”。由此可见视频演示教学是一种不可忽视的重要形式。 2 2 1 3 计算机模拟演示形式 随着7 0 年代微机的发明，到8 0 年代微机技术开始在学校流行，我国就开始 了计算机应用于教育教学的研究。c 舢( 计算机辅助教学) 是计算机在教学领域 应用研究开展较早的领域。 在物理教学方面，因为直观教学的需要，人们用b a s i c 等高级程序设计语言 来编程制作一些演示物理现象和过程的c 灿课件，帮助学生理解难点、重点。这 种将物理模型转化为数学模型，借助计算机的高速计算能力和屏幕显示能力，使 物理参量间的变化关系或物理现象或过程用计算机来表现的方式就是模拟演示实 验。计算机模拟演示程序成功演示了很多自然状态下不能观察到的动态过程或微 观领域的现象和过程，对教学有很大的帮助。随着计算机技术和编程语言的进一 步发展，物理c a i 的应用也进一步扩展到物理教学的各个方面，不仅是在难点重 点内容的讲解上，在课后辅导和练习讲解等教学环节中人们也可借助c a j 模拟演 示课件帮助学生提高学习效果。 多媒体技术和多媒体计算机的发展，给c m 提供了强大的技术支持人们通 过计算机就可轻松地控制和集成图形、文本、声音、图像、动画、视频等各种媒 体，方便地制作和回放出精美的课件来。过去c a i 模拟演示程序的开发需要开发 硕士学位论文 者有一定计算机和编程基础，而现在多媒体和动画创作软件的发展降低了对制作 者的门槛要求普通的物理教师并不一定需要专门的编程学习和培训，就能制作 一些演示动画来辅助教学当前大学的多媒体教室一般都配备了多媒体计算机和 投影仪，或采用多媒体教学集中控制系统并配以计算机和录像机、v cd 等设备， 功能相当完备教师用p o w e r p o i n t 或a u t h e r w a r e 制作的电子教案组织和呈示教学 内容，这些教案中往往结合了很多插图、动画和视频，从内容上看，这些不同媒 体呈现的是演示实验的现象、结果或过程。技术的发展给计算机模拟演示的制作 和应用都提供了更广阔的发展空间和机遇。 2 2 2 演示实验教学组织形式 随着技术的发展和高校自身在招生规模、办学指导思想及教学组织形式上的 变化，物理教学呈现出新的特点，物理演示实验教学也相应发生了变化，呈现出 多元化的发展趋势。 就演示实验的教学组织和开展形式来看，有人提出三级实验的观点，也即教 学形式上的三个不同层面：“课堂教学实验：主要与教学内容同步的用以说明物 理概念、规律的实验，现象明显、直观形象、操作简便、花费时间短就可以演示 完的实验；走廊演示实验：主要是大学物理内容中具有典型性的，且调试和演示 时间长的对课堂有关方面概念、规律起到验证和巩固的实验；趣味物理实验，实 验具有典型性，趣味性、启发性，主要是供学有余力的学生利用空闲时间进行研 究、探索的，且需要较长的时间才能搞清现象本质的实验l ”i 。” 这种提法一定程度上反映了当前大学物理演示实验教学的主要形式，但随着 人们对演示实验教学的重视和网络、多媒体等信息技术在演示实验教学上的大量 应用，其教学组织形式也有新的变化。概括起来可分为如下五种： 1 课堂演示形式 教师在理论教学课堂上为提高教学效果而进行的随堂演示，通过操作实验仪 器，用表演和显示的方法，把特定的物理现象、物理过程展现在学生面前。教师 一边讲解一边操作演示，构造出真实的物理学习环境，能够活跃课堂气氛，调动 学习兴趣，沟通师生之间的感情，并引发思考和讨论。 由于招生规模的扩大和优秀物理师资的紧缺，作为基础课的物理课教学普遍 采用大班授课方式，在百多人的大教室上课，实物演示不便全班观察，效果不明 显，特别是受时间限制和教室流动性的影响，教师普遍认为实施起来有一定的困 难。演示实验往往以视频，动画和c 越程序模拟等演示的方式来进行。教师通过 这种方式，可以把演示组织在教学中最合适的时机，对实验的控制也相当的方便。 2 演示走廊观摩和定期科普演播 将具有典型性、启发性的演示实验或能帮助学生理解重要内容但又不便于随 母 大学物理演示实验嘲绑探究学习系统的设计 堂进行的演示实验安排在专门的演示场所，全天或定期向学生开放。由专门的教 师定期演示，学生可以全部或有选择性地观摩演示实验。还有些演示走廊配备电 视或投影设备，播放演示实验视频或物理知识在科技发展或生产生活中的应用的 专题科普节目。目前，有条件的学校还有触摸屏自助式演示播放系统，学生可以 选择观看演示视频。 3 实验室演示 在专门设立的演示实验室中安排有大量演示实验内容，并往往按物理学中的 知识体系分为力、热、电、磁、光等专门实验室，对学生进行集中式演示教学。 学生以分班或自由选课的形式进入实验室学习，并有机会自己动手操作仪器设备， 观察实验现象，记录实验结果，撰写实验心得或报告。实验室有专门的教师演示 和指导，并且学生可自由讨论，自由探究，可与教师充分交流，获得帮助。 演示实验室投资较大，为了提高演示资源的利用效率并提高物理教学效果， 学校往往会对实验室演示与理论课教学进行统筹安排，在教学计划中安排一定的 课时让各班有机会轮流进入实验室。也有的学校把演示实验作为公选修课，公布 实验室开放时间，由学生自己选择合适的时间进入实验室。 这种集中演示教学的缺点是演示教学内容与理论课教学在进度上很难一致， 具有相对独立性。学生看到的实验现象可能是他在以前的理论学习时所需要的， 正因为前面的学习缺少演示提供的感性知识，他花费了不少的时间和精力，走了 一些弯路，那么这种演示就显得滞后。另一方面，演示内容也可能是他以后学习 所需要的，而超前进行的演示可能因为时间限制或缺少预习，使他没有关注演示 的过程和结果，难以为后续学习提供必要的感性材料和清晰的物理图象。超前的 演示需要在后续学习中用回忆的方式来提供感性材料和物理情境，在效果上也不 如随堂演示来得直接和生动具体。 而这种方式的优势在于物理环境的真实性，能由各种实验现象和问题构造出 问题情境。学生置身于真实的物理情境，面对实验中引发的各种问题，能激发兴 趣，主动投入，积极探究。 4 演示资源的网络学习形式； 校园网建设速度的加快改善了学生上网的条件，学生在宿舍或校园的其它场 所也能访问校园网或因特网上的丰富学习资源。各种类型的网络学习系统或平台 应运丽生，演示实验视频和计算机模拟演示资源也可通过网络点播或下载。学生 根据学习进度和需要会在网络上搜索或直接进入资源库中访问演示资源来帮助自 己的学习。一些物理网络课程中已集成了一些模拟演示程序和演示视频资源，其 目的大都是为辅助相应理论内容的学习。 这种演示资源学习方式的优势在于是由学生主动控制和选择演示资源的内 容，不受时问和空间限制，满足了学生自主学习和个性化发展的需要，是一种值 得提倡的方式 5 探究学习中的验证性、设计性开放实验 学生在教师引导下开展物理探究式学习，在探究学习的问题提出或收集材料、 提出假设、验证结论等各个阶段，都可能需要演示实验资源的支持。利用实验现 象中所发现的问题来引发探究，利用实验仪器设计并实施实验来研究各种物理参 数之间的关系，说明原理和规律，验证假设和结论。 这种实验组织形式在课堂内或课外都有进行，目前主要针对那些对物理有浓 厚兴趣并具有较强学习能力的学生如我校所开展的理工探索演示实验【1 4 l ，就是 对物理教学改革和创新人才的培养的有益探索。目前这种演示教学方式受资源和 教学理念方面的限制还只在部分学校和少数学生中开展。 2 3 传统物理演示实验与模拟演示实验的比较 2 3 1 传统物理演示实验的优势与不足 2 3 1 1 实物演示的独特优势 传统实物演示有其独特的作用和效果，具有其它演示教学形式不可替代的地 位。主要体现以下方面： 1 生动直观，真实可信 实物演示通过实验仪器或模型以最真实的方式再现物理现象和过程，提供最 形象和实时的感观刺激，使学生得到生动直观的表象认识和感性经验。 美国教