利用信息技术 促进物理探究学习.doc

利用信息技术 促进物理探究学习南通高等师范学校陈建 226006【摘 要】信息技术不仅是丰富的资源，而且是有力的学习工具，它为教学方式和学习方式的转变提供了强有力的支持，在物理探究学习中具有独特优势。信息技术能向学生提供自主探索、多重交互、合作学习、资源共享的学习环境，促使学生在学习过程主动参与、积极探索。本文结合笔者近年来在物理探究教学实践中利用信息技术优化探究学习过程的具体教学案例，阐述了如何把信息技术作为学生探究学习的工具来促进学习方式和教学方式转变的一些尝试及体会。【关键词】信息技术；探究学习；实践随着信息技术与学科教学整合的深入，人们越来越多地认识到信息技术不仅是丰富的资源，而且是有力的学习工具。信息技术为教学方式的转变和学习方式的转变提供了强有力的支持，它是学生自主探究、信息交流、数据处理、物理建模的有效工具，将非常自然地广泛应用到物理探究学习过程中，以更好地完成物理课程学习的目标，从而达到培养学生创新精神与实践能力的目的。本文分析了信息技术在物理探究学习中的优势所在，并结合具体教学案例阐述如何把信息技术作为学生探究学习的工具来促进学习方式和教学方式的转变。1 信息技术促进物理探究学习的优势分析1.1 信息技术促进了学习方式的转变信息技术应用于教学过程是教育手段的重大变革，将推动教学观念的转变，增强学习的主动性和灵活性，实现学习方式的多样化。当今的物理教学，不仅仅是为了传授物理知识，更重要的是培养学生自主探究、主动获取知识的能力。信息技术能提供丰富的、与教学内容相匹配的情景供学生观察，将学习内容以文字、声音、图像、动画等多种形式展现在学生面前,使他们身临其境、感同身受，唤起他们自主探索物理奥秘、自主学习物理知识的激情；在信息技术环境中学生能对所学内容有所选择，解决各自需要的问题，获得更多体验成功的机会；信息技术应用于物理教学过程时，在学生和学习对象之间增加了交互性的媒体，改变了教学过程中的师生关系、学生与学习对象之间的关系以及学生之间的关系。这将有利于学生主体性的充分发挥，促进学生学习方式向自主、合作、探究学习的方式转变，使信息技术成为强大的认知工具。1.2 信息技术促进了物理课程资源的统整与优化传统物理教学中，学习者只能通过书本、教师、图书馆、实验室实验等有限的途径进行学习，而多媒体、网络技术的发展使得学习者的学习途径更为多样和广阔。信息技术支撑的学习环境中，学生面对的是一个汇集了大量演示型或交互型教学软件、知识素材、学法指导、疑难解答、生活物理等构成的学习资源库。信息技术环境中的超文本组织方式便于学生自主探究，为知识的获取和保存提供了极大的便利；多媒体化的信息呈现方式，满足了学习者视觉、听觉等多种感官的需要，能最大限度地调动学生非智力因素和感知活动；共享的网络资源突破了传统课程资源相对封闭、缺少与实际联系、缺少与现代科技发展相联系的弊端，为学生的学习活动提供了更多的选择和更大的自主空间，使学习更具个性化、开放性、自主性；虚拟技术则将一些学生无法亲身体验、实践的活动通过模拟情境的方式来丰富学生的体验，扩大学生的探究领域。借助信息技术，学生能做到“足不出户，学所欲学”，教学活动将更富人情味、更具个性化。1.3 信息技术构造了学生探究学习的技术环境探究学习是新一轮基础教育课程改革中倡导的一种主流学习方式。学生在探索过程中，将根据某项“任务”，自主搜寻、检索、分析、组合与探究课题有关的资讯，将所学知识与科学发展、社会生活相关联。信息技术为学生的学科探究学习提供了技术工具和环境氛围，为探究学习的实施提供了更易于实现和操作的物质基础。这主要表现在：首先，网络资源为物理课题探究提供了丰富的材料，学生不但可以看到、听到各种信息，而且可以进入学习内容中去。其次，信息技术在探究学习中扮演着“研发工具”的角色。如Excel能够将数据以表格和图表的形式给出，有助于探索和发现研究对象之间的变化关系；数字信息系统实验室 (DIS)使传统物理实验在信息技术的带动下变得既真实又准确并且有声有色，它简化了数据采集、处理过程，拓宽了实验研究的范围，同时学生能够利用此平台方便地设计实验来验证提出的假设，开展探究活动；仿真物理实验室等平台，为学生提供自我动手、探索问题的模拟实验环境，学生面对问题时，可以使用它们自己实验，发现、总结规律。再次，电子邮件、BBS、Blog等为探究学习提供了协商学习和交流讨论的通讯工具、自评互评的学习反馈工具。学习者可表达自己对探究问题的理解、解决思路，相互解疑、争辩和评价，又能记录学习进程。跨时空的交流有助于提高学生在信息时代的学习与研究能力。1.4 信息技术渗透于探究学习的各环节探究学习要经历发现问题、协作探究、成果展示、探究评价等环节，信息技术在每一环节发挥着一定的促进作用。其一，在探究问题的提出、假设的形成环节，信息技术充当着学生获取与处理信息的工具。丰富的信息资源，有利于学生发现和提出一些既具有研究价值、又适合学生进行研究的问题，如“同步卫星为何要定点在赤道正上方的确定轨道上”、“家用电器的电磁辐射污染”等。其二，在探索和研究阶段，计算机、网络构成了资源信息的源泉，一些模拟实验、工具软件则成为学生问题解决的工具。其三，在探究学习的交流合作环节，信息技术起到了展示工具的作用。学生可以以计算机多媒体作品演示或制作、发布多媒体网站等多种形式展示研究成果，并收集反馈意见。其四，信息技术为数据采集、存储和处理提供了方便。既能对结果进行评价，也能将评价引入探索过程。可见，在信息技术环境下，探究学习的特征得到彰显。2 应用信息技术促进物理探究学习的教学实践信息技术引入物理探究学习过程，将促进物理教学过程的根本性变革。教学实践中，我们作了以下尝试：2.1 基于多媒体积件的引导探究这是在现有“演示型”辅助教学基础上的发展，主要用于学科主干知识的学习活动。过去物理教学中计算机辅助教学主要通过课件模拟物理现象、展示物理过程、剖析物理原理，但交互性单一，通常由教师根据演示需要进行控制。基于多媒体积件的引导探究强调为学生学习某一物理主题提供基于多媒体技术的背景资料、物理现象和物理过程、虚拟实验，以及学习方法提示、学习内容纲要、反馈检测等“积件”。要求学生根据教师的指导，明确学习的任务和目标，自主地在多媒体积件操作平台的支持下，通过鼠标操纵按钮、移动滑杆、设定参数，进行各种积件的调动、组合和各类“积件组合模块”的运作，在此过程中自主地完成物理主题的知识和方法的学习、应用与检测。这样，信息技术成为学生认知学习的辅助工具，成为学生与学习对象间不可缺少的“桥梁”和“中介”，丰富和增强了教学的表现力和感染力，能更充分地传达教学意图，学生能更好地吸收和掌握知识。一些辅助教学软件开发平台如“仿真物理实验室”、“几何画板”，可较好的体现“积件”思想，开发的“积件”既可用于定量化、动态性演示，又可供学生自己使用，模拟科学研究中的一般规程(观察现象、实验、采集数据、描点、连图线、分析、获得结论)，这无疑会大大增强学生学习和探索的兴趣。教学案例片断平抛运动图1学生观察实验基础上，应用仿真物理实验室中的频闪照相，自己设计实验，通过人机交互对话框调整参数，探究不同参数状态下物体的平抛运动轨迹，并获得相关的实时数据,认识平抛运动规律。具体过程为： 学生讨论，对如何研究平抛运动提出猜想； 学生设计实验并利用仿真物理实验室按水平方向和竖直方向分别进行模拟验证；图2 用仿真物理实验室探究影响平抛运动物体水平位移的因素； 探究“飞机投弹”问题； 拓展研究：平抛不受重力以及空气阻力对平抛运动的影响。图3分析：教学中信息技术与课程教学融为一体，体现学生探索、研究的过程。在对理想状况下平抛运动研究基础上仿真探究影响平抛运动物体水平位移的因素、物体不受重力以及空气阻力的影响，则较好地体现物理思想、物理方法。(图1为平抛运动与自由落体运动的对比分析，图2、图3分别为“飞机投弹”问题中不受空气阻力和受空气阻力的对比分析。)2.2 基于网络环境的主题探究网络以其资源的丰富，为物理探究提供了良好的平台。基于网络环境的主题探究把鼠标交给学生，实现学生和电脑一对一的“人机交互”，学生真正成为课堂的主人。他们在信息技术的带动下，自主参与、探索体验，通过对资源进行发现、分析、思考、探究，在解决问题的过程中，掌握分析和解决问题的步骤。对学生而言，无论是学习内容，还是学习的方法，都是开放式的，他们可以根据各种不同的知识需要，利用网络所提供的与学科知识内容相关的信息去获取必要的知识。而教师则通过网络技术把相关学科知识在各种信息窗口中展示，精心设计网络版课件，供不同能力层次的学生获取与收集各自所需的拓展性和延伸性的学习资源。一些触及现代科技的知识点如“航行宇宙”、“纳米技术”、“磁悬浮”等都可采用这一模式。如围绕磁悬浮列车探秘这一主题，学生可以就“磁悬浮列车构造、原理”、“磁悬浮列车的历史现在未来”、“磁悬浮列车经济文化价值”等不同视角发现问题、开展探究，并以电子作品的方式表达探究结果，表达自己对知识的理解和应用。基于网络环境的主题探究一般包括创设情景、提出问题、自主探索、网上互动、反馈评价等阶段，学生在学习中不仅仅是学会知识，更重要的是掌握学习与研究的方法、手段与工具，使学习活动成为一种兴致勃勃的知识探究过程。教学案例宇宙航行基本教学过程为：教师利用网络技术和多媒体,创设与教学目标和教学内容有关的学习情境，提出课题，由学生通过主题网站自助式学习，经过自主探究和网上协作，完成学习目标。学习活动可课内外相结合。教学可包含以下步骤：图4u 情境创设：展示宇航员登上月球的录像或我国发射神舟六号的录像(图4)，提出研究问题。u 自主探究：通过交互课件探究离地一定高度的物体以不同的初速度水平抛出的射程，由此获得对牛顿设想的人造卫星的感性认识。u 协作探究：通过上网学习，认识怎样计算人造卫星绕地球运动的速度，这个速度与哪些因素有关？在讨论交流基础上理解三个宇宙速度等物理量。u 主题探究：学生选择某一探究主题如“有关同步卫星的资料”、“中国载人航天的历程”或研究问题如“能否发射一颗相对静止在北京上空的通信卫星？”“在发射升空阶段和到达预定轨道以后以及回收阶段，卫星中的物体的重力和视重如何变化？”“为什么向高轨道发射卫星比向低轨道发射要困难？”等，上网收集信息，分析研讨。图5u 协作交流：各组展示收集资料，相互交流结果。u 在线测试，讨论交流测试中的有关疑问。图6（图5、图6分别为笔者为学生设计的主题学习网的两个页面）分析：宇宙航行一节涉及万有引力理论的实践成就航天事业的发展，教学中不仅要让学生理解人造卫星的一些基本理论(三个宇宙速度、轨道半径、运行速度、运转周期等)，还要渗透研究实际物理问题的物理方法，并让学生对中国甚至世界航天事业发展的概况有所了解，从而认识科学的伟大意义。网络环境下的探究，“以学为中心”，充分利用现代信息技术平台提供的各种信息资源辅助学生自主探究、协作学习，调动学生的主体意识，让学生体验物理的探究过程，尝试应用科学探究的方法研究问题。课堂中，通过一定量的学生活动与合作学习，使学生在交流与合作的基础上获得主干知识。作为课堂的延伸，主题网中提供的大量开放性的知识内容、与学习内容相关的网页链接，有利于学生在课外探究活动中从多方位把握问题的实质，展开丰富的想象，从而进一步强化学习的动机，促进学生学习能力的形成。2.3 基于信息技术的小课题探究近年来，物理教学中的小课题探究受到广泛关注。由于实验条件的限制，学生的“探求”欲望往往不能得到很好的满足。信息技术环境为学生提供了探究的有利条件。借助于多媒体技术和工具软件，创设虚拟仿真环境，可为学生探究和体验提供条件，学生能在动态情景中观察现象、读取数据、探索和发现研究对象之间的数量变化关系。如学生可利用“几何画板”、“仿真物理实验室”等工具软件及DIS实验系统作为“新的实验工具”，思考、学习、创造，使学习过程呈现一种新景象。以“探究锯条的振动周期与锯条长度、与绑在锯条上硬币质量之间的关系”为例，用传统的秒表根本无法进行测量，但如果利用DIS实验系统就可迅速地反映出不同情况下的振动情况。面镜成像规律、光线通过玻璃砖与三棱镜的传播特点、观察水中物体（视位置及轨迹）等光的传播问题，都可以让学生用几何画板去探索。教学案例两个光学问题的探究图7光的反射、折射是常见的光现象，引入一些开放性的实验课题，可以扩大学生的知识领域，密切理论与实际的联系。图8问题1：如图7所示，在清洁的空试管中放入一支铅笔或其他物品，然后把试管放入盛有水的烧杯中。把烧杯放在明亮的地方，从适当的角度观察水中的试管，就看到试管壁好像镀了银一样明亮，但在试管中的铅笔却看不见了。探究试管壁好像镀了银一样明亮的适当角度范围与试管倾角的关系。问题2：水槽中固定一小灯泡，接通开关，使灯泡点亮。向水槽中加入一定量的水。用一只玻璃杯倒过来罩在灯泡上（图8）。先猜想一下，可能看到什么现象？通过观察，实际又看到什么现象？请解释你看到的现象。分析:这类问题需要的器材很容易解决，实验的难度也不高，但学生只有进行有序的观察，才能认识现象的完整特征。运用工具软件进行仿真模拟，有助于学生明确研究方向，更准确地用理论分析观察到的现象。(图9、图10为用几何画板探索这两个问题的光路)图10图93 应用信息技术促进物理探究学习的注意点应用信息技术组织探究学习时，以下几点值得关注：3.1 要根据课程目标，选定适宜的探究内容物理课程标准将科学探究作为学习内容，同时又作为一种重要的教学方式，这是课程目标将科学探究能力视为学生科学素养重要组成部分的具体体现。但探究不是唯一的学习形式，探究需要较多的时间和较大的空间，不可能将所学的知识都用探究的方式来获得。选定适宜的探究学习内容是教学设计的首要工作。探究内容应该依据探究目标、学生学习准备情况和学习特征而定，从教学内容看，物理基本概念的形成和规律的建立、探索性实验、日常生活中的物理问题都可作为探究的教学内容；从教学组织形式看，课内探究活动应侧重于物理课程的核心知识，可以是一个切入点，或者是一个片断，课外探究内容的选择可侧重于知识的应用、学习内容的延伸、与其他学科的综合等。无论课内还是课外，所选择内容必须是基于探究的、能自然地整合各种探究工具，其中包括利用信息技术，还应符合学生的心理特点，从学生熟悉的事物出发。3.2 要根据学科特点，选择合适的探究载体有效的探究学习要求运用多种方式与载体，信息技术只是其中一种探究载体。尽管随着多媒体信息技术的发展，绝大多数物理实验都能通过软件虚拟(模拟)进行，实验效果理想化、操作也很方便。但无论是演示性探究实验还是学生动手实验，甚至课外小实验，应尽可能以真实器材、简易(学生容易获得的)器材来实现，以探寻物理规律、分析实验数据、认识实验误差。学生身边的物品和器具是重要的物理学习资源，用真实的器具进行探究活动，更有利于发展学生的实验技能，培养学生的创新意识。3.3 要根据学生实际，提供必要的技术指导从探究技能而言，由于学生之间存在很大差异，许多学生在进行自主探究学习时会感到不知所措，容易产生无效学习。如网络环境下，一些学生为海量的信息资源淹没，由此带来浮躁的学习态度和无深度的思维习惯。教师要帮助学生明确探究任务和及时评价，使学生时刻感受到有形的探究任务带来的压力及来自实现某个具体目标的动力。就信息技术这一探究学习工具而言，学生对其掌握的水平往往成为