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开发同步数字化教学资源帮助学生有效开展探究性学习
摘 要：让学生有效开展探究性学习，必须有高质量的探究性教学资源加以支持。开发以专题网站方式进入物理教学的同步数字化网络资源，开发传统实验仪器与DIS实验系统相互配合的同步数字化实验资源，开发以仿真实验方式进入物理教学的数字化模拟实验资源，帮助学生有效开展探究性学习。关键词： 同步 数字化资源 有效 探究性学习
新一轮物理课程改革不仅仅将学生的探究性学习作为重要的理念加以强调，而且明确将其列入了课程目标和内容标准之中。那么，要让学生真实有效地完成探究性学习活动不可纸上谈兵，必须有高质量的探究性教学资源来支持以学生为中心的探究性学习活动的有效开展。
21世纪以网络技术和多媒体技术为核心的信息技术已成为拓展人类思维的创造性工具。借此，将信息技术有效融合于物理教学，开发和应用数字化物理教学资源，并借助数字化教学资源创造性地完成教学任务，日益成为众多物理同仁研究的热点课题。
1.羁绊学生有效开展探究性学习的一些困扰
开展探究性学习对学生成长的意义是共识的。进行探究性学习有利于激发学生的学习兴趣，有利于提高学生分析问题和解决问题的能力，有利于培养学生实事求是，严肃认真的科学态度，有利于培养学生的创新欲望和创新能力，也有利于使学生将所学的知识和技能应用于科学技术的创新和日常生活等方面。但在中学特别是高中让学生开展探究性学习，一直以来又给师生带来很多困扰。首先，探究活动所需时间与紧张课时之间成在矛盾。必修教材的内容涉及面广，栏目多，如果开展探究性学习活动教师很难在规定课时内完成规定的教学任务。有些教师也尝试了借助信息技术开展探究性学习，但多数教师只是让学生通过网络查询相关问题，但由于网络资源太过庞杂，要让师生在有限的时间去找相关的学习资料其实难度还是较大的，且多数不支持学生的探究性学习活动。这样往往使探究活动浮于表面，对学生的能力培养无深刻意义。
其次，用配置较低的实验设备完成较高精度定量分析二者之间成在矛盾。中学物理抓好实验教学，不仅能使学生加深理解，巩固物理基础知识，更重要的意义在于可以培养学生形成科学的思维方式，掌握科学的研究方法。中学物理新课程教材中把相当多的验证性实验改为探究性实验，这更有利于激发学生的学习兴趣，有利于提高学生分析问题和解决问题的能力，有利于培养学生实事求是，严肃认真的科学态度，有利于培养学生的创新欲望和创新能力，也有利于使学生将所学的知识和技能应用于科学技术的创新和日常生活等方面。但有些传统实验器材规格匹配性不好，实验现象的可见度低，实验数据的采集不够精确，数据处理效率低等缺点也会使实验效果不理想。这样往往影响探究效果，甚至给学生的学习带来误区。
再者，学生现有的认知水平与微观粒子的运动或复杂物理过程理性思维之间存在着矛盾。比如，带电粒子在电场磁场中的运动，波的干涉和衍射，以及原子物理中的核反应等，这些内容仅用现有的教学器材无法逼真呈现它们复杂的物理
过程，这样不利于学生对物理问题的理解。但如借助信息技术有效融合于物理教学过程可以给教师的教与学生的学带来了许多新的变化，实现一种既能发挥教师主导作用又能充分体现学生主体地位的以“自主、探究、合作”为特征的教与学的方式，从而把学生思维的主动性、积极性、创造性较充分地发挥出来。2.解决羁绊学生有效开展探究性学习困扰的尝试
课程改革倡导：教师要充分利用现代化教育技术，开发物理教学资源，拓宽学生的学习渠道，改进学生的学习方式，提高学生的学习效率。借此，我们进行中学物理数字化课程资源的开发，尝试解决羁绊学生有效开展探究性学习的困扰。利用以数字化技术为载体的物理教学资源，实现数字化技术与物理教学的有机整合，建立学生合作探究以及师生互动学习的交流平台，借助数字化课程资源创造性地完成教学任务。
2.1开发以专题网站方式进入物理教学的同步数字化网络资源
以专题网站方式进入物理教学的同步数字化网络资源，我们简称为“探究式学习同步专题网站”。“探究式学习同步专题网站”资源建设以“专题”为索引，以“整合”为特征，注重资源与主题的“关联度”。在对资源建设的过程中，注重与专题相关学科知识的“整合”。在资源的开发思路上，改变原有教材单一的线性呈现方式，将一系列能够为教学所用的文字、图片、声音、影像、动画、工具软件等有机融合在一起，支持学习者在课堂上开展探究性学习的需要，从而更好地开发物理课堂教学资源。
“探究式学习同步专题网站”是一种问题导向型学习网站。在课堂教学中，教师通过创设一系列教学情境，呈现一个个需要学习探究的问题，引导学生产生一些有趣且可行的任务，使学生在进行信息加工、知识探究的过程中始终不偏离教学的方向。学生通过内外部的积极互动，实现合作探究式学习，把握探究的方法、形成科学的思维，实现自己获取知识、自我更新甚至创造新知识的理想目标。例如，我在进行“动能定理”一节的教学时，课前为同学们创建了如下形式的网络预习学案：
对于这种预习方式很多学生感到能充分发挥他们的自主学习空间，预习积极性很高，预习的效果也就不言而喻了。提交了他们的留言，更拉近了师生间的距离，或说出了他们的疑问，或提出了他们的建议，或发表了他们的创新发现，这也给教师的教学注入了一些创新亮点，真可谓教学相长。
“探究式学习同步专题网站”的开发十分注重与人教版中学物理教材达到同步关联，方便师生的查阅和进行探究性学习。这样通过筛选和重新组织可以大大提高资源的利用率，减少师生在网上搜索资料的时间。另外，对师生们自己的一些好的作品也可以上传到资源库中，让师生们都参与到中学物理同步数字化网络资源的建设中去，以期整合出一套系统的中学物理同步数字化网络资源。2.2开发传统实验仪器与DIS实验系统相互配合的同步数字化实验资源 在中学物理教学中，传统实验的重要性是显而易见的。传统的物理实验是学生获取物理知识最直接的手段、最真实的经验和最好的感性材料，是培养学生基本实验技能的途径。传统实验教学对于帮助学生形成物理基本概念，理解和掌握物理基础知识以及培养基本技能具有独特的，不可替代的功用。但如果运用现代技术对传统实验进行改造和创新，即开发传统实验仪器与DIS实验系统相互配合的同步数字化实验资源，不但能拓宽许多传统实验的范围，而且对于实验的精度、实验的速度、实验的可视度都得以大大提高。
所谓数字化实验，是指利用计算机信息处理技术把力、电、磁、热、声、光等信号转换成数字信号，或把语音、文字、图像等信息转变为数字编码，用于传输与处理的过程，在这个过程中传感器和计算机是必不可少的重要组成部分。在数据采集环节上，借助传感器和计算机等数字化手段可以更快更准确地得到实验数据，并达到即时纪录。在数据分析环节上，借助计算机的数据处理软件可将学生从简单、机械、繁琐的数据处理过程中解脱出来。有些实验还可以利用计算机的即时绘图软件，在采集数据的同时生成需要的物理图线或图表。中学阶段，一般可以简单地运用Excel进行曲线拟合，也可以用专用的软件进行数据处理，形成多种解释数据之间关系的方法。专用的软件拟合菜单包括直线拟合、曲线拟合两类。曲线拟合提供乘幂拟合、指数拟合、N级反比拟合、平方倒数拟合、二次项拟合、三次项拟合、正弦拟合等。专用的软件对数据分析的智能化极大的提高了物理实验的效率，从而节省了宝贵的课堂教学时间，使得学生可以把更多的精力集中在对物理过程的分析和研究上。
例如在“摩擦力”的教学中，传统实验一般使用图1所示的装置，用弹簧秤水平拉一个放在水平长木板上的木块，学生通过观察木块从不动到运动的过程中
弹簧秤示数的变化，来认识摩擦力。但动静变化是一瞬间的事，学生往往来不及观察这一变化，实验现象的可见度低使实验效果不理想。
我们对这一实验进行改进（如图2所示），对木板施加拉力，在刚加拉力时木块与木板有相对运动趋势，木块与木板间存在静摩擦力，随着拉力的逐渐增大，木板会运动起来，这时木块与木板间存在滑动摩擦力，由于木块始终相对地面静止，因此各个时刻的拉力就反映了对应的摩擦力大小。借助力传感器和数据采集器，将变化的力数据传入计算机中，计算机应用数据处理软件自动生成摩擦力随拉力变化的图线（如图3）清楚的呈现给学生。
在上述实验基础上继续研究正压力和接触面的粗糙程度对滑动摩擦力的影响。图4对应的是木块放在玻璃表面，图5对应的是木块放在厚纸表面。图4曲线显示的是在玻璃表面施加三个压力实验时滑动中对应的拉力大小，图5曲线显示的是在厚纸表面施加同样的三个压力实验时滑动中对应的拉力大小，拉力大小间接反映了各次滑动摩擦力的大小。再将得到的数据用Excel软件处理得到的如图6函数图像，这样处理该实验既分析出滑动摩擦力与正压力间的正比例关系，又知道这个比例系数由接触面的粗糙程度决定，还可以算出相应的动摩擦因数，使得实验结果一目了然。
2.3开发以仿真实验方式进入物理教学的数字化模拟实验资源
随着信息技术的发展和多媒体的应用逐渐普及，有些教师利用动画制作软件制作了许多虚拟仪器，创建了虚拟实验室。虚拟实验室是一种基于Web技术、虚拟仿真技术构建的开放式虚拟实验教学系统，是现有物理实验室的数字化和虚拟化。在虚拟实验室中，学生既可以在虚拟实验台上动手操作，又
可自主设计实验，有利于培养学生的操作能力、设计能力和创新意识。虚拟实验室的诞生为物理实验教学注入了新的活力，可为中学物理实验教学解决诸多实际问题。
首先，借助虚拟实验室理想实验或受条件限制实验得以成功虚拟完成。中学物理教学中有些是“理想实验”，“理想实验”即想象中的实验,它是以实践为基础,它的推理过程是以事实为依据,但它的结果学生在现实中却永远观察不到。如利用虚拟仪器做实验，可以自行设置各种参数，以控制其达到理想的效果。例如，高中物理必修1（人教版）中伽利略理想斜面实验,在假设没有摩擦力存在的前提下,钢球到达水平面会永远运动下去，“没有摩擦”实际上是无法实现的，在虚拟实验中就可以实现,那么钢球永远运动下去就可以表现出来。还有一些物理实验由于实验条件不易控制,或存在其它干扰因素,使其物理现象不易被观察,这也可以利用虚拟动画把实验现象尽可能清楚地表现出来。例如，关于机械波的几个实验，实验条件极难控制，且实验现象不够明显。笔者曾利用flash软件制作了机械波形成、机械波的干涉和衍射、游标卡尺的使用、凸透镜成像等动画课件，并取得了很好的教学效果。
其次，解决了实验仪器严重缺乏一大难题。在新课标下增加了许多探究性实验,且近年学生人数逐渐增长，许多中学都面临着实验仪器、实验室不够用的新问题。虚拟实验室可以把很多物理实验设计成课件,安装在一台计算机上。教师可以将常规物理实验教学从实验室移入普通教室，通过电脑屏幕或视频展台等多媒体设备向学生演示实验现象，讲授实验原理。这种虚拟实验室容量大,实验内容丰富,能很好地满足学生的要求,同时又解决了学校资金紧缺的问题。再者，解决了中学阶段有些实验无法完成这一弊端。例如，微观粒子的运动，原子物理中的核反应等，中学物理实验室根本无法完成这些实验。还有一些危险性比较大的实验，如电学中一些电压或电流较大的实验，动量守恒中涉及的反冲爆炸等实验。如果采用动画课件进行模拟,现象与结果都可以生动逼真地显示出来，有效解决了常规实验条件下难以解决的困难和问题，打破了传统物理实验教学模式，突破了时间与空间的限制，丰富了教学方法和手段，同时也能激发学生探索欲望，培养学生创新精神和实践能力。
综上所述我们感到，开发物理同步数字化课程资源，提升了物理教学的广度和深度，给予学生更大的学习空间，激发他们的想象力、创造力，促进学生有效
开展探究性学习。新的教学模式需要教师的探索，只有教师将自己的思想与教学行为提升到与时代同步，才能带动学生的发展。今后我们会继续将信息技术融入到物理教学中深入研究下去，以期得到更好的物理同步数字化教学资源，在课堂教学的实效性上发挥更佳效果。参考文献：
1.刘成新
网络教学资源的设计、开发与评价
电化教育研究
2000.3 2.孙杰远3.李瑾瑜
信息技术与课程整合北京师范大学出版社
2002年版 网络教学优势何在中国教育报
2002年12月11日2版
