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中国大学教学2 0 10 年第2 期 住自 I 口 匕 技术应用于物理教学中的几种途径 王笑君 摘要 介绍信息技术应用于物理课程的几种实用途径 重点介绍多媒体课堂辅助教学资料库的构成 及其特色 关键词 信息技术 物理 教学 途径 信息技术在科学教学中的应用 已经从过去单一的 计算机辅助教学 转变为当前的 信息技术与课程的整 合 这种转变的重要标志 是信息技术从单纯的媒体演 示工具转变为教师教学活动的体现者和学生学习的工 具 加上各种支持学生之间 师生之间交换信息和讨论 的工具 信息技术应用的意义已远远超出了媒体的概念 成为教学中必不可少的要素之一 从而引起教学结构的 转变 以物理课程为例 物理学有三个层次 第一个层次 是实验 就是收集数据 第二个层次是对实验收集到的 数据进行归纳总结 得出唯象理论 第三个层次是寻找 唯象理论背后的根本规律 即所谓理论物理 信息技术 与物理课程整合 首先就是要将三个层次中事实性 过 程性 概念性 原理性的内容数字化 其次是要将数字 化的各个部分内容的呈现 储存及传播形成具有明确内 在关系的集合 成为一体化 随着新技术的不断涌现和快速发展 目前将信息技 术应用于物理教学中的途径有各种各样 不同的应用对 于硬件设备的要求也不尽相同 在此仅就笔者实践过的 几种途径及其相应的实施环境作一简单的介绍 一 M C A I 教学软件 M C A I 的全称为M u l t i m e d i aC o m p u t e rA s s i s t i t e d I n s t r u c t i o n 所谓多媒体是指文字 声音 图形 动画 视频等多种信息的组合 在一定的平台上建立起逻辑关 系 从而集合成一个具有交互性的系统 般而言 M C A I 课件分为助教和助学型两种 目前也有很多的课 件开始注重两种类型的结合 1 M C A I 在教学中应用的意义 就物理课程而言 在教学中使用M C A I 课件的价值 一般体现在以下几个方面 王笑君 华南师范大学物理与电信工程学院教授 1 将复杂问题层次化 物理学的概念 定理定律 的讲授往往需要把所涉及到的内容划分为多个步骤 依 照逻辑关系进行讲解 将复杂问题层次化 这样不仅减 少了难点 而且易于理解掌握 M C A I 通过控制图文 显示的时间与次序 窗口视口切换等功能 可以达到控 制教学过程 掌握教学节奏的目的 便于施行层次化教 学 2 变静态为动态 教科书中有许多静态图形 用 于表示某种形式与关系 其中往往隐含着运动变化的因 素 通过M C A I 课件 可以揭示静态图形的丰富内涵 使其动态化 形象化 从而更深刻地挖掘出问题的本质 3 仿真与模拟 在物理学科的教学中 实验教学 是一项重要的环节 对于一些难以完成的实验 一些有 害的 昂贵的 耗费时间的实验 以及在课堂中无法做 到的实验等等 可以通过M C A I 课件进行仿真和模拟 2 当前存在的主要问题 就国内应用整体而言 硬件的发展还是比较快的 但教学软件的建设 无论在规模上还是质量上 都远未 能满足教学的实际需要 其主要体现在以下几个方面 1 虽然市场上已经有一定数量的教学软件 但由于 教学本身是一种个性化非常强的活动 具有普适性而适用 于实际教学的软件并不多 大多实际使用的课件 往往是 教师自行制作的电子教案 P P T 虽然具有信息量大 效率高 易于修改 便于交流等特点 但其实质上还算不 上教学软件 未能充分发挥信息技术的最佳优势 2 尽管部分教师可以自行开发教学软件 但需要 花费很多的时间和精力 且个人开发出的课件很难兼具 系统性和普适性 使之仅仅适用于教学中的评比 检查 观摩 学习等装点门面的场合 而未能在一线教学中形 成系统普遍地应用 3 近年来大部分新出版的面向2 l 世纪教材 均配 万方数据 一 上车前简单询问车辆状况 从杭州租车公司杭州租车公司租借到车辆后 首先要了解目前的车况如何 特别是操作 系统是否灵敏 哪些地方容易出现问题应特别注意 尤其是直接影响行车 安全的制动 转向 灯光等 除此之外 还要检查燃油 冷却液 润滑油 制动液及传动系统主要部件等 必要时还应试行一段路程 以熟悉和检查 离合器 油门 制动器和发动机的工作情况 发现问题应及时向车主说明 特别是向汽车租赁公司租借的车辆 更需仔细检查 即使是一些细小的毛 病也要说清楚 不能草草地看上一眼就将车开走 一是避免发生交通事故 二是减少退车时出现的麻烦 杭州租车网 二 弄清所有仪表 操作系统的位置 进入驾驶室后 先要调整好适合自己的驾驶座位置 然后从左向右熟悉每 一块仪表的作用及操作件所在的位置 为了掌握好仪表和操作件的位置 一是可以阅读车辆使用手册 对照手册所示 一一弄清楚 特别是进口车 辅助仪表较多 一下子难以弄明白 更要认真查看 二是在没有手册的情 况下 可直接向车主了解 以防在驾驶中乱找乱摸而分散注意力 特别是 每个档位 喇叭 雨刷器 灯光开关 自动门锁 仪表及各种警告信号灯 的开关所在的位置 三 发动车辆 亲自动手操作几下 上路前应亲自操作几次前面讲到的操作件 这不仅有助于记住它们的位置 而且还可以检查它们的工作情况 更重要的是可以避免行车中发生操作混 乱 比如灯光控制开关 有的是拧的 有的是拉的 有的是推的 倒车档 有的是直接推的 有的是先往下按 然后再推的 雨刷器开关有的在方向 盘上 有的在仪表板上 这些都需要通过实际操作几下 才能应用自如 杭州汽车租赁公司 四 启动车辆 仔细察看仪表和警告信号 杭州汽车租赁公司杭州汽车租赁公司 前几步弄清后 还应在发动机运转的情况下 仔细观察各种仪表及警告信 号装置的运行情况 特别应注意里程表 燃油表 发动机水温表 机油压 力表及电流表的指示情况 很多车辆已经使用警告取代了各种仪表指针 应小心观察闪烁的警告信号灯 熟悉它们的位置 用途及工作情况 有电子版教案 P P T 格式 这些教案制作精美 媒体资 源丰富 且与教材完全配套 确实为教师节省了大量时间 但却存在一个共同的问题 就是太过单纯追求直观和生 动 忽略了作为主体存在的学生的主动性 更重要的是 由于单线程的线性教学设计 使教师深受定型情节的课件 限制 缺少了课堂教学中最为精彩的 即兴发挥 3 基于积件思想的多媒体课堂辅助教学资料库 积件是一种思想 是针对课件的局限性而发展起来 的一种新的教学软件开发和应用模式 积件的过程 对 课堂教学来说 就是教师根据教学的实际需求 面对不 同的教学对象 针对某一教学阶段和教学目标 充分利 用教学素材 结合教学策略 制作出千变万化的有效课 件 从而彻底改变教学软件在设计 开发和使用上的局 限性 笔者基于 积件库 的思想 为满足不同教师教学 个性化的需求 设计并制作了 新概念物理多媒体课堂 辅助教学资料库 的光盘 l J 其具有如下几个特点 1 仓储式结构 与其同类课件最大的不同在于 它不是以封闭固定的课件形式出现 而是采用仓储式小 基元结构 能够让使用的教师方便地进行教学内容的重 组 将有关的知识点分割为许多的小基元 每个小基元 有一个编号 对应一个独立的执行文件 可以方便地与 教师的P P T 电子教案进行超级连接 小基元的标志性图 片全部来源于教材中 便于教师辨认选取 2 菲线性控制 每个小基元的设计采用了 非线 性多步骤控制 内容呈现是分步骤的 可以根据需要在 讲解的顺序上作出调整 既可反复强调某些步骤 也可 简单掠过 因而适合于物理教学的层次性 更有助于教 学中教师分析问题时对节奏的掌握 还能够最大程度上 满足教师教学个性化的需求 需要注意的是 小基元中分步骤控制是为了便于讲 课节奏的掌握 因此课件中的 停顿 非常重要 而在 停顿之后 引出停顿后的画面时教师的讲解应有 提前 量 这样课程实施起来才会给人一种 平滑连接 的 感觉 而不是生硬地 拼凑 对一些 简单 的演示画面 其实课件的重点不在 于形象化的演示 其效果更多地取决于教师此时的 讲 解 课件的主要作用是为教师节省时间和提高教学效 率 因此 教师在备课期间需要对自己在相关画面时的 讲解内容作精心的准备 与实验相关的内容 课件的主要作用是用于真实实 验之后的 辅助分析 而不是完全取代真实的实验 课 件的作用可以是真实演示实验之前帮助做仪器结构的讲 解 也可以是真实演示实验之后用作引导分析及对实验 过程的 放大 3 与教材形成一体化 资料库中全部小基元都紧 扣 依新概念物理教程书本教材而设计 的原创 课件 在与原教材结合使用时将能发挥最大功效 通过这种教 材与教学软件内在有机地互补 不仅拓展了教材作为教 学媒介的形式 更使得多媒体形式的立体化教材变成了 真正意义上的一体化教材 多媒体资料库是一种拓展的教学媒介和教学工具 也是学生的学习媒介和学习工具 因此 对教学软件的 评价主要是 好用不好用 而对使用软件的教师的评价 则是 用得好不好 二 基于数据采集器的计算机辅助实验教学 将计算机应用于基础物理实验教学中 可以大大提 升实验的档次 目前比较流行的做法是 通过数据采集 装置 D a t aL o g g e r 对实验中要测量并且是随时间变化 的量进行实时数据采集 再由计算机对采集到的数据进 行处理 以图表的形式输出 可以非常直观而且准确地 给出测量量随时间的变化关系 或各变量之间的关系 这类计算机辅助实验的主要优势在于 一方面 由于采样速率足够高 可以高达每秒钟数 十万次 因而可以详细记录到一些普通设备无法记录到 的现象 尤其适合于一些在瞬间完成的实验现象的量化 分析 例如一个小磁铁以自由落体的形式穿过一个螺线 管而产生的一个瞬间的感应电动势随时间变化的关系 又如气垫导轨上两辆小车对碰瞬间作用力随时间变化曲 线等等 另一方面 由于计算机可以有定时记录的功能 所 以也适合于一些需要长时间记录数据的实验 例如观测 空气中尘埃密度随时间的变化规律等 目前国内外都有专门的厂家生产各类数据采集器 进行数据采样的传感器也包括各种类型 如力 声 热 电 光甚至P H 值和颗粒浓度等 通过对不同传感器的 灵活运用 还可以由学生自行设计出各类不同的实验 所以这类实验也正在成为国内外基础物理课程中进行研 究性学习的主要手段之一 数据采集器在物理实验教学中的应用研究 目前主 要有三个层次 第一个层次是实验设计 即利用数据采 集器的优势 对传统实验进行改造或开发新的实验 尽 量提升量化研究的空间 第二个层次是开发新的技术 例如笔者开发出了视频与数据采集同步技术 2 可以将 实验过程所拍摄的视频 与实验中实时采集到的数据同 步展示 配以原理的分析制作成教学软件 从而将实验 与课堂教学有机地整合 第三个层次是结合学习心理学 6 9 万方数据 对数据采集器在教学中的应用效果进行实证研究 三 C C D 辅助演示实验 C C D 的英文全称是C h a r g eC o u p l e dD e v i c e 简称 电荷耦合器件 是一种将光信号转变成为电信号的摄像 装置 通过C C D 及视频转换设备 可以将拍摄到的图 像或视频信号用电脑记录 然后通过课室里的大屏幕投 影再以适当的播放速度重现给学生 使用这类设备的主 要特点是 利用C C D 高速摄像头 每秒6 0 帧以上 配合计算机高速处理信息的特长 对某些肉眼不易观察 的现象进行跟踪拍摄和演示 例如一滴水滴在做近似自 由落体时会是什么形状呢 这个问题不能靠想象 也不 能靠虚假的C A I 课件来模拟 如果想实际观察 则由于 下落速度太快 课堂上根本不可能看得清楚 这时利用 C C D 设备就可以很好地解决这个问题 四 虚拟现实技术的应用 所谓 虚拟现实 V i r t u a lR e a l i t y 简称V R 实际 上就是由多媒体技术与仿真技术相结合而生成的一种交 互式人工世界 它可以使人产生一种身临其境的近乎完 全真实的感觉 一般而言 要进入虚拟现实的环境 使用 者需要戴上一个特殊的头盔 H e a dM o u n t e dD i s p l a y 以便看到并感觉到计算机所生成的整个人工世界 同时 还需要戴上一副数据手套 以便能操作虚拟世界中的各 种对像 由于这些设备通常都是非常昂贵的 因而难于 普级 近年来随着新虚拟现实技术的出现 上述情况有所 改变 这种技术无须利用头盔和数据手套这类硬件来产 生幻觉 而是使用3 6 0 度立体全景摄影技术所拍摄的高 质量图像来生成逼真的虚拟情景 从而使得用户可以在 普通微机上通过鼠标和键盘真实地感受到和V R 技术中 一样的虚拟情景 此外 由于采用了先进的图像压缩算 法 在新虚拟现实系统中 用来表征某个虚拟场景的3 6 0 度高质量全景照片的存储容量非常小 因而还适用于网 络教学中 例如 笔者成功将三种新虚拟现实技术应用于物理 教学中 3 1 分别采用3 6 0 度旋转体技术 S p i nP h o t o O b j e c 0 用作实验仪器的展示 采用3 6 0 度全景技术 S p i n P a n o r a m a 用作实验室环境的展示 采用V R M L 技术 制作出了三维虚拟现实分子模型软件 新虚拟现实技术的重要意义在于 它开创了多媒体 技术与仿真技术相结合的新途径 为虚拟现实技术的大 7 0 众化铺平了道路 使之有可能以优质价廉的全新面貌逐 步普及到各个教育领域 以至进入中小学课堂 五 虚拟仪器的应用 虚拟仪器就是利用现有的计算机配上相应的硬件和 专用软件 形成既有普通仪器的基本功能 又有一般仪 器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器 这种技术 实质上是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统 仪器的功能 其具有如下特点 1 将信号的分析 显示 保存 打印和其他管理 集中交由计算机处理 2 强调 软件就是仪器 的新概念 3 仪器由用户自己定义 系统的功能 规模等均可 通过软件修改 可方便地同外设 网络及其他应用连接 4 用户可以将仪器的设计 使用和管理统一到虚 拟仪器标准 5 在同一台微机上可以虚拟出数十种仪器来 节 省办学资金 提高设备使用率 目前开发虚拟仪器最广泛使用的是美国N I N a t i o n a lI n s t r u m e n t s 公司开发的L a b V i e w 软件 六 计算软件的应用 计算物理是物理学研究的分支之一 多年来主要用 于科研 随着各类计算软件功能的不断强大 其应用于 物理教学中的研究也逐渐得到广泛的关注 主要集中在 建模与仿真 数据可视化处理等 目前的教学应用分为 两个方面 一方面用于教学课件的制作 通过对复杂方 程的数字化求解 可以将抽象的问题几何化 再通过各 种课件制作软件的接口技术 提升物理教学课件的科学 层次 另一方面是选择适当的计算软件 让学生作为一 种工具掌握之后 自行应用于解决某些复杂的物理问题 从而促进学生自主的学习和研究 参考文献 l 王笑君 赵凯华 新概念物理教程多媒体资料库 光盘 第一版 z 北京 高等教育出版社 2 0 0 8 2 吴肖 王笑君 基于D I S 的视频与数据采集同步教学课件 的开发及应用 J 1 物理教学探讨 2 0 0 8 V 0 1 2 6 4 f 3 J 王笑君 杨友源 虚拟现实技术在物理课件开发中的应用 们 大学物理 2 0 0 1 V o l 2 0 1 1 责任编辑 文和平 万方数据 信息技术应用于物理教学中的几种途径信息技术应用于物理教学中的几种途径 作者 王笑君 作者单位 华南师范大学物理与电信工程学院 刊名 中国大学教学 英文刊名 CHINA UNIVERSITY TEACHING 年 卷 期 2010 2 被引用次数 0次 参考文献 3条 参考文献 3条 1 王笑君 赵凯华 新概念物理教程多媒体资料库 光盘 2008 2 吴肖 王笑君 基于DIS的视频与数据采集同步教学课件的开发及应用 期刊论文 物理教学探讨 2008 7 3 王笑君 杨友源 虚拟现实技术在物理课件开发中的应用 期刊论文 大学物理 2001 11 相似文献 10条 相似文献 10条 1 会议论文 张小平 信息技术在物理学科教学中的应用策略 2007 信息技术在物理教学中的应用 能促进素质教育的实施 有助于培养学生的创新能力 提高全体学生的科学素养 在教学中如何有效的利用信息技 术 做到信息技术与学科教学的最佳整合 还有待于进一步探索 教师的信息素养直接决定信息技术在物理课堂教学中的应用层次 教师应该努力提高 自己信息技术的素养 主动大胆地在物理教学中应用信息技术 尽快从应用的模仿阶段过渡到创新阶段 初中物理知识的教学一般分为基本现象 基本 概念 基本规律 基本操作技能等方面的内容 在不同类型的物理知识的教学中 信息技术有不同的应用模式 物理课堂教学的各个环节中信息技术的 应用也不尽相同 2 学位论文 荣识广 信息技术与物理课程整合的研究 2003 人类社会由产业社会进入信息社会 未来的人才不仅要掌握好各学科知识和技术 更要有获取信息 理解信息 处理信息 创造信息 发布信息的能 力 信息技术与学科的整合是当前研究的一个热点 而信息技术与物理课程的整合则是一个新兴课题 该文根据信息技术的发展 教学资源的日益丰富及教 育观念的更新 对信息技术与物理课程的整合作了初步的研究 全文共分七章 第一章分析提出该课题的原因 阐述了信息技术与学科整合的发展现状及研 究动态 第二章阐述了信息技术与物理课程整合的重要意义 第三章从心理学的角度论述了信息技术与物理课程整合的理论基础 信息加工论和认知建构论 第四章对实现信息技术与物理课程的整合基本要求作了一定的探讨 在硬 软件的建设及教师培训多方面提出了可行的建议 第五章根据 物理课程标准 结合信息技术在物理学科中的应用 得出信息技术与物理课程整合的目标 并提出信息技术与物理课程整合的原则 第六章则为了能落实信息技术与物 理课程的整合 探讨了信息技术作为教学工具 研究型 协作型三种模式作为整合的实践指导 第七章总结课题研究的结论 指出研究的不足之处 对信息 技术与物理课程的整合提出一些建议并展望信息技术与物理课程整合的未来 3 期刊论文 黄宇宏 浅谈多媒体信息技术与物理课堂的碰撞 新课程学习 社会综合 2009 11 在物理课堂教学中 引入多媒体信息技术 对学生建立物理模型 形成物理图像和模拟实验的研究都有积极的意义 多媒体信息技术在课堂教学中有其 特殊的优势 所以本文对多媒体信息技术在物理课堂的作用作了阐述 一 信息技术在课堂教学中的作用 二 物理学科与信息技术结合中出现的问题 三 正确运用多媒体辅助教学 4 期刊论文 杜文静 信息技术与物理课程教学整合性研究 科海故事博览 科教创新2009 7 随着素质教育的发展和教育信息现代化的要求 以多媒体技术和网络技术为基础的信息技术已经在中小学教育中普及开来 信息技术与其他学科教学 的整合 是普及信息技术的关键 是信息技术与其他学科教学双赢的一种教学模式 本文就信息技术如何与物理课程教学整合以及自己的物理教学实践 研 究和探讨信息技术与物理课程教学整合的教学模式和方法 5 学位论文 孟剑平 基于信息技术的物理问题解决教学研究 2003 行为主义 完形主义 认知主义在问题解决概念 问题解决机制等方面所作的探讨为理解物理问题解决提供了一定的借鉴 物理问题解决实际上就是 问题解决主体在面临物理问题情境时 为处理该情境而产生的一系列认知加工活动 包括物理问题的识别与定义 策略的选择与应用 物理问题的表征 资源的分配 监控与评估五个环节 这五个环节的错综往复共同推动着物理问题解决过程的顺利进行 比如 物理问题的识别与定义这一环节是开展物理问 题解决的前提 如果主体意识不到自己正面临着物理问题 他就不会着手进行物理问题的解决 相反 主体可能会白白浪费许多时间去解决根本不存在的问 题 与认知主义相比 建构主义更倾向于对问题解决教学的研究 建构主义认为知识不是以实体的形式存在于个体之外 而往往是学习者基于自己的经验背 景构建起来的 基于其基本主张 建构主义还提出了许多教学改革设想 如认知学徒制 认知学徒制汲取了传统学徒制的优点 强调情境学习 强调 专家实践 的文化 氛围的创设 明尼苏达模式 的成功应用也显示出了建构主义尤其是认知学徒制在物理教学中的作用 这些都为物理问题解决教学带来了有益的启 示 也为物理问题解决教学提供了新的研究视角 然而 建构主义只是为物理问题解决教学指明了大致的方向 要在物理问题解决教学中实现其思想 仍存在 着一些急需克服的困难 如 如何创设合适的问题情境 在物理问题解决过程中如何给学生提供一些必要的帮助 等等 信息技术则是一种较为理想的工具 物理问题解决过程是一个极其复杂的认知加工过程 学习者在解决物理问题过程中不可避免地会经历一段 黑暗徘徊期 因此 如何调节 控制学习者在 这一困难时期的认知活动和情感体验 从而促使学习者更好地解决物理问题 把物理问题解决教学引向深化 则是十分关键的 信息技术作为物理问题解决 学习环境的构建工具在这方面可以发挥其独特的作用 CAS系统应用于物理问题解决教学 是基于信息技术的物理问题解决教学的一个典型案例 在实验过 程中 此案例既显示出信息技术在物理问题解决教学中的强大功能 也暴露出信息技术在物理问题解决教学中的一些问题 6 期刊论文 张振伟 基于信息技术的物理教学模式整合研究 科技咨询导报2007 2 本文结合物理教学特点 深入阐述了基于信息技术物理教学模式研究问题 论文在分析信息技术与物理教学模式整合之间关系基础上 提出信息技术与 物理教学模式整合的关键实施点 7 期刊论文 张振伟 基于信息技术的物理教学模式整合研究 科技资讯2006 34 本文结合物理教学特点 深入阐述了基于信息技术物理教学模式研究问题 论文在分析信息技术与物理教学模式整合之间关系基础上 提出信息技术与 物理教学模式整合的关键实施点 8 学位论文 王国栋 信息技术与物理课程整合的理论和实践探索 2006 以多媒体技术与网络技术为特征的信息技术的迅速发展 深刻影响着人们的生活方式和生存方式 也给当代基础教育改革带来了许多契机 信息技 术与课