试论计算机辅助中学物理教学的发展途径，本文主要内容关键词为：试论论文,途径论文,中学物理教学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
国家教委颁布的《中小学计算机教育五年发展纲要（1996-2000年）》[教基司(1996)27号]中明确规定：“各省、自治区、直辖市教委、教育厅在近2～3年建设一批计算机辅助教育实验学校。到本世纪末，配有机房的学校必须开展比较系统的计算机辅助教学”。现在，离21世纪只有一年多的时间了，越发感到教育改革的紧迫性，而发展CAI（计算机辅助教学），正是教育改革和教育现代化的重要内容之一。
1 发展CAI是深入物理教学改革的需要
面向21世纪，教育现代化的任务十分紧迫，社会发展到今天，科学技术是第一生产力的观点已被广泛接受，谁抓住了科学技术，谁就在竞争中领先，科学技术的竞争又表现为智力和人才的竞争，因此，谁抓住了教育现代化，谁就在竞争中领先。把一个什么样的教育带入21世纪？教育现代化的课题更加突出地摆在了我们面前。
物理教育现代化是整个教育现代化的重要内容。当前，美、英、日等国教育改革方案中，物理学科都占有优先的地位，这从一个侧面说明了物理教改的重要性，由于在现代化社会的许多领域内，对事物的研究已从“定性”、“定量”到“建模”（模型化），物理思想、物理方法应用的领域空前扩大了，这使物理教育的作用更加突出，国外有的专家更尖锐地提出“没有物理修养的民族是愚昧的民族”，一方面，发展高科技需要物理，一方面现代化社会的普通公民也需要物理，物理教育现代化的任务是何等的紧迫啊！
然而，以我国目前中学物理教学的状况来说，不少问题值得研究。教学内容，基本是17世纪形成的框架，显得陈旧；教学方法，注入式教学占相当大的比重，显得死板；教学手段，基本上是以粉笔加黑板为主，显得落后；教学模式，绝大多数是老师讲学生听的班级授课，显得单一。另外，多年来人们批评的教学中的“题海战术”，单纯的解题训练又使师生的负担过重。面对现代化社会的需要，面对21世纪的挑战，到了应该认真考虑怎样从根本上着手进行物理教学改革的时候了。能否以最经济的时间、最科学的方法使每一个学生都受到良好的物理素质教育呢？这当然涉及到一系列问题，而计算机技术作为高科技手段理应受到充分重视。
2 谈谈物理CAI的优势
物理学，一门教给学生物质结构和运动规律基础知识的学科，为CAI提供了最合适的用武之地。
2.1 利用CAI可以辅助讲清某些物理思想和物理方法
物理教育不应只限于向学生传授知识和技巧，而应特别重视物理思想、物理方法的渗透，注意学生理解能力、思维能力的培养，在这方面CAI可以作为我们很好的助手。
(1)弹簧振子的简谐运动。如何认识这样一个典型的“变量模型”呢？在“简谐运动”的软件中，通过动画技术、色彩与闪烁技巧、多种功能键的使用，很好地体现了振子运动过程中位移、回复力、加速度、速度四个矢量的变化过程及相关性。屏幕设计的各个窗口，呈动态展示，让学生从动力学、能量等不同的视角，观察简谐运动各物理量的变化过程，收到了很好的效果。
(2)怎样用近代物理学的观点去理解电磁场分解的相对性，理解了这个相对性，同时也就理解了电磁场的统一性。不少中学生对电磁场的分解不理解。我们做了这样一个释疑的软件：在"X-Y-Z"坐标系里面，有一匀强磁场，有一个导体块，不带电，作切割磁感线运动，导体块里的电子因为受洛仑兹力而移动，结果电荷就在上、下两个表面分别累积起来，上正下负。现在换一个和这个导体块一起作匀速运动的坐标系，这个导体的上下两个表面仍然有正、负电荷。在这个坐标系里，导体并没有运动，为什么会有电荷呢？唯一的一个解释是感应，说明在这个坐标系里面一定还有电场存在。原来那个坐标系里面只有匀强磁场，现在这个坐标系里面既有磁场也有电场，让学生理解，电场和磁场的分解是一种相对的分解，本来是统一的，电磁相互作用，我们只是人为的把它分解为两类，第一类是电场，第二类是磁场，这个可以使学生理解相对性原理的重要性。这个软件，用了物理模拟（电子运动等），动画演示，结合简捷的“问题导向”，对于中等学生也有一定的启发作用。
(3)关于物理学中的相互关连的方法。软件提供了一个物理情景：有个圆环给它带电，要求电荷分布满足这样的条件，即电荷分布能保证圆环上某一直线上的场强处处为零。软件贮备了三种方法，从使用的情况看，不少学生一开始就用微元法（电分法）去做，结果做不出来，软件采用启发式、对话型、步步深入，用关联的思想，通过圆的绕径旋转，比较自然地引导到球面问题，因为球面内部场强处处为零，把圆的问题和球面联系起来，就能解决这个问题。在软件中，静图的旋转、分割、变化、移动、拼凑的手法用得比较多，程序上比较注意学生认知心理的分析。
2.2 借助CAI可以突出学习过程
突出过程是教改中另一个需要注意的问题，不少物理课的注入式表现为过早地给学生结果与结论。学生的物理素质与能力，是在物理问题的提出、分析、解决、应用的过程中得到训练的，物理课的成败与否，在相当大的程度上取决于如何展现过程。一些开发得比较好的课件，在突出学习过程的作用中，收到了较好的效果。
(1)简谐运动的图像。把弹簧振子运动的实物图、相应的圆周运动以及振动图象的形成有机地联系起来，计算机在一幅画面中演示这种有联系的连续的动画，在教学过程中，起到化解难点，突出重点的作用。
(2)几何光学中的透镜成像。作为这一单元的小结，计算机演示物体沿主轴由远及近向透镜移动的过程中像的变化和运动（点光源射向透镜，不是三根光线，而是一个锥体），在学生有了实验的感性认识和理性分析后，给他们一个形象的、连续的、鲜明的知识提炼。
(3)碰撞实验。两球先压缩、后恢复，其过程中两球速度、加速度的变化；α粒子散射过程中的大角度问题等。
2.3 借助多媒体CAI软件可以更好地培养能力
(1)如何发挥计算机智能化的优势，找准学生知识与能力发展的“生长点”，使“因材施教”从教学的努力方向，变成激动人心的事实。我们研制的课程软件，将同一教学内容分成六个教学层次处理，即：A1、A2；B1、B2；C1、C2；A级按教学大纲，B级按考试说明，C级按竞赛大纲。在软件的研制过程中我们还注意到同一层次的内容，在不同的教学阶段，应有不同的考虑。北京一所重点中学采用对比实验，实验班的教学使用我们研制的课程软件，每个学生可以根据自己的情况选择复习内容和练习题，教师根据每个学生的具体情况给予个别指导，效果很好，统考成绩，有十分明显的提高。
(2)强化对知识的多维性认识，注意培养学生解决问题的能力。在“恒定电流”的软件中，我们设计了这样一个程序：将6个完全一样的小灯泡，两两串成三组，开始两组并联，灯一样亮，然后，提出问题，第三组并上去，三组灯是否一样亮？在教师的指导下，让学生选取长短不同的时间间隔，将第三组灯接上去，从灯的不同亮度认识温度对导体导电能力的影响，再展现一组介绍低温物理的科研成果及应用的资料，产生了较好的教学效果。又如在力学复习课上，我们设计了这样一个课件，提供一个探试型物理情景：一小船在平静的水面上，小船上有一风帆和玩具电扇，电扇对着风帆、位置前后可调，试问，如果闭合电键，电扇对着风帆吹，小船将：①向左移动，②向右移动，③不动，④条件不够，无法判断。先看电扇与风帆的距离取不同的几组值出现的不同现象，然后再进行动画分析（力学分析），逐步引导学生认识各种因素对物理现象的影响。要想小船向左移动，应该怎样调整条件，要让它向右移动，又如何调整，能不能让它不动呢？在变化之中，让学生解决问题的能力得到了提高。有些物理量的参数，我们的设计是可变的，比如弹簧振子，它的劲度系数、质量、振幅都可调，让学生真正在学习中，得到一种个性化的发展。在介绍电子显微镜的软件中提出，能不能用磁场的方法，使一束很窄的电子束变成宽束的？这就让学生有机会接触近于科研性的问题。
2.4 借助于CAI可以打破单一的教学模式
教学模式的优劣无非考虑两个因素，一是利于学生的主体参与，一是便于发挥教师的主导作用，在传统的老师讲学生听的单一教学模式里，不少学生的课堂参与是有限的、被动的。常常听到老师埋怨：“该讲的我都讲到了，他不学我也没办法。”、“这题我都讲过两遍的，考试他还错。”究其原因，是学生投入的不够，现代教育理论强调应该增加学生的自学时间，在学习中进行及时适当的指导，培养学习能力，学习的目的就是学会学习。多媒体CAI是实现上述现代教育理论的很好的手段，物理CAI课件可以集教材、教法、学法于一身，用于课堂讲解和学生的自学辅导，除传统的教学模式外，物理多媒体CAI软件在课堂上使用，也是多元化的：
(1)以教师讲解为主，计算机作辅助演示的讲演型课件（含新课讲授、知识提炼、复习指导等）；
(2)在讲演型课件的基础上，增加较多的参量，学生可以自由输入数据，得出不同的探试环境，让学生自行探索去获取知识的探试型课件；
(3)在教师指导下，学在计算机前，利用课件，边学习边讨论的互助型自学课件；
(4)在实验室，学生进行独立操作，软件作为“插播片”，引导学生进行深入思考与创造性研究的实验型课件（含数据处理及不同参数的输入）；
(5)习题课，教师指导学生调用课件的不同层次内容的练习型课件。
总之，CAI使物理课的教学模式大大拓宽了。
3 发展物理CAI的途径
根据物理CAI与物理教育现代化的关系以及物理CAI能够发挥的优势，提出对发展物理CAI途径的几点看法：
(1)物理CAI必须作为物理教学改革的重要内容予以重视；
(2)要通过系统开发和集团开发推出一系列高质量的多媒体CAI课件；
(3)物理多媒体CAI课件必需体现物理教学的特点，应走出“人灌＋电灌（软件）”模式，注重“个性＋创造”；
(4)课件的灵活性是系列课件必需强化的重大问题，如果课件不便于灵活删改、拼装、生成，那么就难于开发出适合全国各地、不同学校、不同教师、不同教学风格的课件；
(5)在完善原有工具和环境的基础上，研制出具有中国特色的多媒体写作系统并推广应用；
(6)在有关院校逐步开设物理CAI课程。
4 几个值得研究的问题
在现代教育理论指导下，应用计算机技术，如何探索和建构新型的教学模式，促进基础教育的深化改革，提出以下几个值得研究的问题：
(1)如何实现教师角色的转变，从主讲，转变为指导；
(2)如何实现学生角色的转变，从被动接受，转变为主动参与；
(3)如何实现媒体角色的转变，从教具，转变为认知工具；
(4)如何实现教学模式的转变，从教师为中心的班级教学模式，转变为多种教学模式。
我们深信，21世纪物理CAI肯定要在物理教育中发挥重要作用，因此，如何积极稳妥地发展物理CAI，已成为物理教育现代化和教育改革的现实课题。