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当代高中物理教学课堂谈杭州市余杭中学（311121） 步宏辉 2001.10 内容摘要：学校教育的重心应当放在哪里？学校教育如果以学科为重心，必然是利用学校教育为学科发展服务，培养学科的专门人才和后备力量；如果以教育为重心，则应该是利用学科为学生的发展服务。这是两种截然不同的教育观念。教育观念、教育理念的更新；教学手段的现代化；课堂功能、空间的改变，使我们对最熟悉的物理教学课堂提出了新的挑战，原有的物理教学课堂必将有很大的改变。关键词：课堂 “大物理”观 教学媒体 计算机网络 面对21世纪科学技术的迅猛发展，经济的全球化，如何培养在新时期具有良好素质和竞争力的新一代，是事关国家前途和民族命运的大事，也是基础教育义不容辞的责任。物理学作为一门严格的精确科学在人的培养，尤其是21世纪人的培养上，有着无可替代和不可缺少的作用，将硬科学软化的作法对21世纪国民的科学素养将有极大的伤害。物理学尤其是近代物理内容的教学必须受到足够的重视。物理学的发展推动了20世纪科学技术的发展，造就了本世纪的繁荣。当代物理学的发展也必将推动21世纪科学技术和其他学科的发展与繁荣。一、现有课堂存在的弊端 课堂不只是教师表演的舞台，更是师生之间互动的交往的舞台；课堂不只是训练学生的场所，更是引导学生发展的场所；课堂不只是传播知识的场所，更是探究知识的场所；课堂不只是教师行为模式化动作的场所，而是教师教育智慧不断展现的场所。因此，课堂的特点是即时性、同时性、不可预期性、多维性和情景性，它具有个性化和复杂化。课堂是学校教育最重要的的场所。但是，现有课堂存在很大的弊端：1教条化和模式化 我们的中学物理教育也一直重视理论知识在技术中和解释自然现象中的应用，但是仍然存在一定程度的脱离实际的倾向，表现之一是对于物理规律、物理量的认识的绝对化、理想化。实际上，物理学中的实验定律，在一定程度上都是近似规律例如，教科书一直说滑动摩擦力的大小跟压力成正比，与接触面积无关，但是通过研究影响滑动摩擦力的因素就会看到，实际情况与这种说法是有较大偏差的。2形式单一和角色单一 我国中学物理教学的程序一般是教师教给学生教科书中的知识，学生通过指导书的习题练习加以巩固。学生的学习行为是围绕着教师进行的，教师处在主导地位。显然，这样的教学减少了学生主动学习和利用其他媒体获取相关知识、信息的机会。3静态化。 只教知识，不教方法。过于强调接受学习，死记硬背，机械训练，忽略了学生主动参与，乐于探究，勤于动手，忽略了培养学生搜集和处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力以及交流与合作的能力。4封闭式 课堂使学生在一个封闭或半封闭的环境中学习，它脱离了现代社会。学生只是学习书本上的知识，只是为了学习而学习，缺乏学习的目的性，对知识的理解是片面的、教条的。因此，很难激励学生学习的主动性和创造性。二、全新的物理观 随着知识经济的发展，国力的竞争越来越体现于经济的竞争，而经济的竞争实质上就是知识的竞争，物理学科作为科学技术发展的重要基础学科，地位必将更加重要。过去那种狭义的物理观必将不能适应时代的发展，只有突破旧有的物理观框架才有出路。因此，树立广义的“大物理”观势在必行。而广义的“大物理”观应具有如下特征。1广：由于相关学科的不断渗透，能源、交通、微电子、环境生态、信息网络等研究领域的涌现，基础的物理学科研究对象和研究范畴也将不断拓宽。“大物理”观应更加重视与现代技术、人文、社会的联系，更加强调学生科学素质的全面发展。2高：由于知识经济时代是高科技竞争的时代，如果把物理仍置身于原来的工业经济层次上加以研究，或教学者仍从旧的物理角度去研究新的科技问题、传授科学知识，学生必然是思维狭窄，不能适应知识经济的发展步伐。因此，只有把物理学科置身于一个广阔的时代背景上，用现代的知识武装学生，才能有效地扩展学生知识视野和思维空间。3新：未来的社会是一个崭新的社会，以电子计算机为代表的信息和产品更新周期不断缩短。一方面我们必须让学生学到能反映当代科技成果的新知识，学会利用多媒体等技术辨别、接收来自各方面的信息，跟踪世界科技发展的趋势；另一方面培养学生把学会的知识应用于实践，并不断创新，推动“知识经济”的进一步发展。 由于“知识经济”对知识的评价标准是知识向经济的转化度，知识经济占主导的社会是能力社会，而不是学历社会。爱迪生之所以对人类贡献巨大，并不是因为他有较高的学历，也不是他掌握的物理知识比别人更多，而是他善于把这些知识应用于实践，去发明创造。因此，学生物理知识的测量，应不仅仅是“应试”中的狭义“知识”，还应包括能力，那种只记得抽象的公式，只会演绎，不会归纳，只能解决理想化模型问题的知识是不全面的。美国教育测试中心组织的第二次国际教育成就评价中，我国的初三学生的科学测试成绩正确率为，在个被测国家中居第位。其中主试题第题：一艘火箭大约需要多少时间才能抵达月球？正确率只有，这在一定程度上说明了我们以往的教学和评价存在的缺陷。因此，知识的评价应主要看学生能否把学到的知识应用于实际，走上工作岗位后能否促使知识（隐性生产力）转化为社会的直接生产力。而要达到这一点，非得强化物理知识的评价改革，那种只强调知识内容和解题能力，不注意知识的形成过程，不注意知识在各种大背景下的应用，不注意学生动手实验、实践及勇于创造和善于创造能力的培养，是把知识与能力割裂的教学，必将落后于时代。 信息高速公路”的建立，为我们知识的获取提出一个新的长远课题，如何保证知识的不断更新、不断完善？根据联合国教科文组织统计，人类有史以来一百万年积累的科学知识占目前的10%，而另90%则只在近三十年积累的。对于科技人员，知识的“半衰期”不断缩短，目前大约为两年。这一现象给教育带来了难题：“在校教育”已为再完全适应现代社会的发展，而应以所谓“终身教育”代之。国际世纪教育委员会向联合国教科文组织提交的报告学习：内在的财富中指出：世纪教育将变成学习，学习者是教育的主体、出发点和归宿。物理教学中要体现这一精神，不仅要使学生获得必要的物理知识，还要培养学生浓厚的物理兴趣、主动的物理探究意识，学会如何去获得知识，如何用物理的观点和研究方法解决实际问题，并具有收集、活用信息和交流信息的能力，以形成知识的可持续发展。三、高中物理新大纲的课题研究 在全日制普通高级中学物理教学大纲（试验修订版）中，首次提出要在普通高中进行课题研究，这是我国高中物理课程的一项重大改革。课题研究的目的是全面培养学生综合运用所学知识的能力、收集和处理信息的能力、分析和解决问题的能力、语言文字表达能力以及团结协作的能力。这项活动还有利于培养学生独立思考的习惯，激发学生的创新意识，训练学生参与实践的能力。1增加了探索性实验 以往的学生实验，除了某些单纯的技能训练性实验外，主要有两大类，一类是验证性实验，即在学过相应的知识之后通过实验进行验证，例如“验证牛顿第二定律”、“验证机械能守恒定律”另一类则是知识的应用，例如“测定电源的电动势和内阻”这两类实验的前提都是学生已经掌握所涉及的知识，因此实验的目的不是探索新的知识。这些实验对于培养学生获取新知识的能力，激发他们的创新精神，没有很大的作用。 探索性实验是为弥补这些不足而设立的。以“研究弹簧振子的周期和小球质量的关系”为例。教学大纲并不要求学生学习这个知识点，因此实验的前提是学生不知道振子的周期和小球质量的定量关系。做这个实验时，学生在测出若干组数据后列表，在坐标纸上描点，作出拟合曲线，用相应的函数表达这条曲线。如果再换其他几个弹簧做这个实验，还可以进一步解释函数式中参数的物理意义 按照过去对于验证性实验的处理，要先学习这个知识点，实验前学生已经知道相应曲线的形状，实验后假若有的点不在这条曲线上，要分析出现误差的原因。但是，在这个研究课题中，学生事先并不知道它的图象是什么样的，只是在看到这些点的分布和走向之后才意识到它也许能用某个二次函数来近似地表示。在这种想法的鼓舞下，有些学生会尝试作出 T 2 和 m 的关系曲线，在这之后就会明确地得到周期与小球质量的定量关系。 在验证性实验和探索性实验这两种不同的作法中，实验内容可能相似，但是按照两种不同的思路去设计，学生的心理活动不一样，得到的训练也不一样。中学阶段并不要求学生掌握弹簧振子的周期和小球质量的关系，但是这个实验所用的方法却是科学研究中一个非常典型的方法，学会这个方法将使学生在今后的工作中受益无穷。大纲安排这个实验，目的是进行研究方法的教育，而不是为了多学一个知识点。“研究影响滑动摩擦力的因素” 、“研究材料的保温性能”也是这样的课题。2增加了跨学科的课题氟利昂不是一种单纯的化学物质，其中有的成份能够破坏臭氧层，有的不能。无氟冰箱中制冷剂的化学成份是什么？它有什么物理性质和化学性质？制冷的机理是什么？学生们在“科普报告：从电冰箱到臭氧层”中可以进行讨论。“调查研究：灶具的演变”要求研究柴灶、煤球炉、蜂窝煤炉、液化气灶、煤气灶（天然气灶）、电炉、电磁灶、微波炉的燃烧原理（加热原理）和效率，比较燃料的燃烧值。“用电解法测定元电荷”要用化学课中学到的知识测量基本物理常量。这些也是跨学科的课题。大纲修订版中列入了这些课题，希望有助于使学生加强综合运用所学知识的意识和能力。3许多课题没有惟一正确的答案实践中的技术问题大多没有惟一正确的答案，只能从不同的角度、不同的需要权衡利弊进行评价。我们过去的科学技术教育却把这样复杂的事情简单化了：要么对，要么错，没有选择。这种教育培养出来的人脱离实际，思想方法绝对化，不能适应社会的需要。大纲修订稿有意识地选取了一些没有惟一正确答案的课题，目的是弥补这方面的不足。“估测压力锅内水的温度”可以通过测量限压阀的质量而知锅内的压强，进而查表得知水的温度；但是也可以把热敏元件贴在锅外，其外再加保温层来直接测得，还可以把热敏元件直接放入水中；还可能有别的办法。在这些方案中，热敏元件的耐高温问题、直接放入水中时锅的密封问题，等等，都要研究。不同方案测得的水温肯定不会完全相同，这就需要讨论、评价。这些工作在以往的中学科学教育中从未有过。过去我们认为科学界没有定论的内容不应在中学课程中涉及，其实不能一概而论。让高中学生接触一些目前还有不同认识的课题有助于使学生认识科学的过程，激发探索的热情，培养创新精神，避免思维的片面化。例如在“科普报告：从电冰箱到臭氧层”中可以讨论造成臭氧层破坏的主要原因到底是氟利昂还是喷气式飞机；在“科普报告：温室效应”中可以分析造成气温上升的原因主要是人类活动还是地球本身周期性变化这样两种学术观点实验性课题中有一些技术问题，学生们的处理方法也肯定不会一致。例如在“研究弹簧振子的周期和小球质量的关系”中，由于课堂演示所用振子的周期太小，阻尼太大，不能用来进行这个实验。解决这个问题并不难，可以选用较软的弹簧，并去掉滑动轴。但这时如果水平放置就要解决小球的支撑问题，如果竖直放置则应解决弹簧下垂的补偿问题。学生可以想出多种办法，这些办法各有特点，需要讨论和评价。4与当代科学技术相衔接刹车防抱死系统（ABS）是近年来的一项新技术，它在汽车刹车时自动控制摩擦片与轮盘（轮毂）的压力，使车轮不与地面产生滑动摩擦，这样司机仍然能够控制车的运动方向。这种情况下大部分机械能消耗在摩擦片与轮盘的摩擦上。这项技术虽很新，但是它的物理模型并不复杂，利用高中物理知识可以做些较为深入的研究。“刹车时车轮被抱死的利与弊”就是基于这种考虑设计的。 “科普报告：从电冰箱到臭氧层”、“科普报告：温室效应”、“科普报告：阿尔法磁谱仪与暗物质”等几个课题也都和科技与环境的最新热点有关。5促进了教学相长研究课题没有惟一正确的答案，它的解答会因场合不同、时代不同、要求不同、观念不同、学生不同而有变化，要让教师精通所有这些课题本来就是不可能的。教师应该是学生的导师，能对学生的研究方向和研究方法给予指导，但是教师不是回答一切问题的百科全书。要相信学生中蕴藏着巨大的积极性和创造力，教师的任务是把它们开发出来，同时自己也从中汲取营养。四、教学媒体的优势分析 实现教学现代化是国家的需要，是时代的需要。现代化教学要有教学的现代化观念、现代化内容、现代化手段、现代化管理等内涵。多媒体教学是现代化教学的重要组成部分。通过开展多媒体教学，可以更好地促进教学思想与理论、教学结构与方法、教材观念与形式、教学体制与管理等内容的变革。教学的过程是一个信息传递的过程。而人类95%以上的信息是通过视觉器官和听觉器官获得的，通过触觉、嗅觉、味觉器官得到的信息只占一小部分。所以教学媒体主要表现在看和听的方面。媒体即信息载体，一般认为它有两种含义： （1）表现信息的形式。如文字、符号、图形、图象、语言、声音等。 （2）存储和传递信息的实体。如书本、画册、报纸、幻灯片、投影片、录象带、录音带、光盘等。 传统教学媒体主要指：板书板画、教学挂图、教学模型、实验教板、实验仪器、教科书等。 现代教学媒体指：幻灯、录音、录像、电视、视频展台、多媒体教室等等。1.传统教学媒体的教学优势主要体现在（1）在使用上传统教学媒体具有操作简便、灵活、经济、可靠等特点。（2）在知识的传授上，可向学生提供直接的感性认识，在教师的启发引导下，学生自己探索获得知识，使学生体会到获取知识的乐趣和所得知识的真实性和可靠性。（3）在能力培养上，传统媒体特别是实验、模型等，能有效培养学生的动手操作能力、创新设计能力。（4）在信息获取上，传统教学媒体可通过听、看、记、实验等多种途径获得。（5）在系统控制上，教师运用传统教学媒体进行教学进，可随时通过观察学生的表情，动作等途径来调节信息的流量和流向。信息的反馈和调控可以做到及时、准确，还可利用教师的身体语言起到辅助传导或控制信息流的作用。（6）在情感上，师生可以进行即时的情感交流，情景交融。情感交流通道畅通，有利于融洽师生感情，建立良好的人际关系。（7）在教学方法上，便于形成多样化，如启发式、实验探索法、实验讨论法等，有利于培养学生的探索研究能力、团队协作能力、创新能力以及良好的科学态度和科学精神。教师具有在行为和价值方面做出样板的能力，具有组织众多学生共同学习的能力，能够督促学生的学习，能够适应各种突变的情况。2.现代教学媒体的教学优势分析（1）具有超时空性。它能不受时间、空间、微观、宏观的限制，可采用放大、缩小等手法，展示学生在当时当地无法直接看到的事物的形态，发生的现象和过程。有利于学生全面整体地认识客观世界。（2）具有模拟功能。能现微观的、抽象的、不易看到的内容、难于实验或展示的现象。利用三维动画的形式进行仿真模拟演绎，有助于对知识全面准确的理解。（3）具有实时运算显示功能。经由外部设备的配合，计算机可对测得的数据通过运算并即时显示结果或图象，有利于提高效率。（4）能提高单位时间信息的传输量，提高时间的利用率。能提高信息的增殖率，扩大教学规模。（5）能提高信息的教学价值。优越的声、光、图、动画性能改善了信息质量，提高知识记忆效率，也有益于利用学生的无意注意，提高群体的注意品质。（6）具有交互性。将文字、图形、静止图象和动态图象、声音和音乐等有机了结合在一起，通过计算机进行随机性的交互式信息处理，尤其是当形成计算机网络后，其信息存储的海量和传递的高速等特点就特别能适应现代教学的需要。（7）具有适应个别需要的能力。利用计算机可实现个性引导，个别化教育，真正做到了以人为本，以学生为主导，因材施教。（8）具有组织管理教学的能力。利用计算机右实现规划教学，组织管理教学。能有效地评定和追综学生的学习成绩，能客观地评价学生的学习成绩。五、教学媒体与物理教学课堂 依照信息论、系统论与控制论的观点，中学物理教学课堂是一个信息传递、反馈、控制的完整系统。系统的主体是学生，系统实现的目标是促进学生在兴趣、知识、能力等方面的发展。强调形成积极主动的学习态度，使获得知识与技能的过程成为学生学会学习和形成正确价值观的过程。为了促进教学主体的全面均衡发展，应合理安排教学媒体，达到教学过程最优化，提高教学效率。1合理利用教学媒体 学生是教学的主体，教学媒体必须为开发学生的思维能力、实践能力和创新能力服务。因此，媒体的运用应突出学生的积极参与性。运用前必须有周密的安排和教学效果的预测，避免因媒体而媒体的倾向。应依据学生的具体情况而确定用什么媒体，让学生始终处于积极参与的状态，充分发挥学生的主观能动性。教学媒体不是越高级越好，有时简单仪器恰能说明问题，复杂设备反而把简单问题复杂化。一般简单设备（如教学模型等）能有效地引导学生的注意力和思考方向，能更有效地调控信息反馈与抑制，也有助于情感的相互感染，活跃课堂气氛。如我们利用一把直尺来测定学生每个人的反应时间，虽然装置简单，但学生非常感兴趣。复杂设备若使用不当反而会分散学生的注意力甚至误导思维方向。 其次，不同的教学内容、教学目标需要不同的媒体支撑，以提高课堂效率。如粒子散射实验、布朗运动等可用电脑模拟；电磁感应现象可用分组实验；物理知识在生产和生活中的应用可用录象资料帮助分析。2充分运用计算机模拟 中学物理中，有许多物理图景难以为学生所想象，又无法用实验演示，或者即使能演示，也难以看清迅疾的物理变化过程。如两球碰撞、原子核物理等。计算机仿真模拟，给予学生逼真的感受，摆脱认识的障碍，为讲清物理现象和过程，提供了媒体的条件。教师应积极创造条件，充分运用模拟直观的优势。但过度使用模拟直观，有碍于抽象思维能力的培养，抑制了联想思考能力的发展。3实验优先 物理学是建立在实验基础上的学科。实验的教学功能是无法用其它媒体替代的。应用其它媒体是难以培养实验能力的。因此，能做实验就尽量做实验而不用模拟方法来代替，以使学生获得真实的知识，培养多方面的能力。当然利用寻体讲解实验设计思路、仪器的结构特点与操作关键步骤也是必要的，但这只是对实验教学的辅助运用。4各种媒体优化组合，实现优势互补 各种媒体有着各自的传播我和优缺点，不可能找到一种融合了所有媒体特长、适宜一切教学内容和教学目标的媒体存在，如传统媒体在培养实践能力、创新能力和教学信息的传导反馈等方面有特定的优势，而现代媒体在表现力、再现力及其大信息、高效率上更胜一筹。多种媒体组合应用，有利于依托媒体各自的优势，采用多样化的教学方法，如发现法、实验探索法、程序教学法等。课堂教学是一个变化发展的系统，教师应设法引导系统有序地朝着教学目标发展，若系统所用的媒体单调、缺乏变化，学生大脑神经细胞极易疲劳，易导致系统失控，步入无序状态。因此，多样化的媒体组合应用，有利于调控系统的状态与过程，使教学过程协调多变，系统气氛生机勃勃，主体充满情趣。六、基于计算机网络的积成化物理教学课堂 新一轮基础教育课程改革首先确定的培养目标是：要使学生具有爱国主义、集体主义精神，热爱社会主义，继承和发扬中华民族的优良传统和革命传统；具有社会主义民主法制意识，遵守国家法律和社会公德；逐步形成正确的世界观、人生观、价值观；具有社会责任感，努力为人民服务；具有初步的创新精神、实践能力、科学和人文素养以及环境意识；具有适应终身学习的基础知识、基本技能和方法；具有强壮的体魄和良好的心理素质，养成健康的审美情趣和生活方式，成为有理想、有道德、有文化、有纪律的一代新人。确定这一培养目标，正是基础教育贯彻落实邓小平同志关于“教育要面向现代化、面向世界、面向未来”和江泽民同志关于“三个代表”重要思想的体现，也是基础教育承担提高全民族素质、增强综合国力历史重任的具体落实。 因此，改变传统封闭式的物理教学课堂，创建开放式的新颖的物理教学课堂是实现新形势下教育目标的一个重要措施。将计算机网络纳入课堂教学，使我们的课堂得以延伸。Internet网是一个硕大无比的信息资源库，同时，获取信息十分快捷，并且，在Internet网上没有国界、没有空间、没有时间的限制。利用计算机网络构成教学环境主要存在两种模式。1基于教学局域网（Intranet）的互助式教学 Intranet的原定义是“企业内部计算机网络”（Intranet=局域网+3W服务器）。以后，人们将这一概念和网络结构用于计算机网络化教学，形成教学局域网。教学局域网一般以一个学校、一个年级，甚至一个班级、一个计算机房为单位形成计算机网络。它们有自己的服务器，是一个Client/server（用户机/服务器）组织结构。各种教学资料存放到服务器上，实现信息资源共享。提供的服务有：（1）在线学习 学生使用济览器学习局域网服务器的提供的各种知识。学生之间相互提供信息、相互探讨、互帮互学，共同提高。（2）在线教学 虚拟课堂，使得教师在一地上课，学生可以在异地教室通过网络听课，师生之间可以通过语音和图象进行实时的交流，如同在一个教室一样。（3）在线测试 模拟试题。教师根据课程内容给出模拟试题，使学生能够通过试题练习巩固课程内容。（4）虚拟实验室 运用虚拟现实技术在计算机上模拟