吳天剛 倪忠強 吳於人

(同濟大學(xué)物理系,上海 200092)

數(shù)字化物理教學(xué)的設(shè)計與實踐
——大學(xué)物理教學(xué)設(shè)計之三

吳天剛 倪忠強 吳於人

(同濟大學(xué)物理系,上海 200092)

本文論述了什么是數(shù)字化物理教學(xué),從而提出如何設(shè)計數(shù)字化物理教學(xué),并指出數(shù)字化物理教學(xué)中值得討論的幾個問題.

大學(xué)物理;教學(xué)設(shè)計;數(shù)字化教學(xué)

數(shù)字時代,數(shù)字技術(shù)改變了生活,也沖擊了教育.有人提出了數(shù)字化教學(xué)理念,相應(yīng)地物理數(shù)字化教學(xué)的研究和實踐也逐步展開.作為學(xué)生重要基礎(chǔ)課和素質(zhì)教育課的大學(xué)物理課程的教學(xué)設(shè)計,如何充分地、科學(xué)地利用數(shù)字技術(shù),使學(xué)生在高效率掌握知識的同時,提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新的興趣和能力,成為當今時代物理教師應(yīng)該研究的重要課題之一.

1 什么是數(shù)字化物理教學(xué)

對于一門課程來說,若不考慮教學(xué)管理范疇,所謂數(shù)字化教學(xué),則包括教學(xué)內(nèi)容數(shù)字化和教學(xué)手段數(shù)字化.

物理教學(xué)內(nèi)容數(shù)字化,應(yīng)包括兩個含義,一是模擬信號數(shù)字化,二是現(xiàn)象規(guī)律數(shù)字化.模擬信號數(shù)字化是指利用計算機信息處理技術(shù)把力、聲、光、電、磁和溫度等信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,或把語音、文字、圖像等信息轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字編碼,用于傳輸、處理與分析[1].在這個過程中傳感器、AD/DA轉(zhuǎn)換接口和計算機是必不可少的重要組成部分.圖1為熱聲效應(yīng)遠程客戶端界面,該實驗可以遠程操控真實設(shè)備,通過數(shù)據(jù)采集觀察實驗結(jié)果,并通過攝像頭及網(wǎng)絡(luò)傳輸觀察真實實驗的視頻信號.實驗時遠端客戶機前的學(xué)習(xí)者可以按下實驗界面中“打開儀器”的按鈕,通過網(wǎng)絡(luò)傳輸和DA轉(zhuǎn)換接口,數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?啟動真實的試驗裝置.實驗中由于聲波產(chǎn)生的熱泵效應(yīng)引起熱聲堆上下產(chǎn)生溫度差,傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?AD轉(zhuǎn)換接口將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入計算機.圖1中實驗數(shù)據(jù)的采集、圖表顯示和實景顯示的窗口,均為模擬信號數(shù)字化的結(jié)果.現(xiàn)象規(guī)律數(shù)字化是指利用計算機軟件技術(shù)進行數(shù)值計算或仿真,模擬現(xiàn)象,研究規(guī)律.圖2為大學(xué)物理數(shù)字化教學(xué)網(wǎng)上展示的部分數(shù)字化教學(xué)成果[2].這些物理現(xiàn)象的模擬使用C++和OpenGL(Open Graphics Library,開放的圖形程序接口),不但生動再現(xiàn)了物理現(xiàn)象,而且揭示了物理規(guī)律.通過應(yīng)用這類課件,教學(xué)內(nèi)容可以更為深入,教學(xué)效益更為提高.學(xué)生運用計算機工具研究物理的過程,也是提高研究能力的過程.

教學(xué)內(nèi)容的數(shù)字化引起教學(xué)內(nèi)容的傳媒發(fā)生改變,教學(xué)手段的數(shù)字化也便同時發(fā)生.利用計算機和投影設(shè)備授課,利用計算機網(wǎng)絡(luò)教學(xué),利用計算機改造實驗以及利用計算機測試和評價等數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用越來越普遍.

綜上所述,數(shù)字化物理教學(xué)的實施過程是信息技術(shù)全面改造課程的教學(xué)過程,是數(shù)字化在教學(xué)中聚合的過程,是教學(xué)改革中技術(shù)路線的實踐過程.

2 如何設(shè)計數(shù)字化物理教學(xué)

利用信息技術(shù)設(shè)計物理課程的數(shù)字化教育模式,是一項十分艱苦而有意義的工作.我們努力設(shè)計培養(yǎng)創(chuàng)新人才的探究型學(xué)習(xí)模式,建設(shè)數(shù)字化物理學(xué)科文化環(huán)境,開設(shè)利用信息技術(shù)解決物理問題的選修課[3].下面就課堂內(nèi)外的教學(xué)活動討論數(shù)字化物理教學(xué)設(shè)計.

2.1 設(shè)計科學(xué)的混合式數(shù)字化課堂教學(xué)模式

大學(xué)物理課程的講授,難點之一就是對于物理情景的再現(xiàn).物理教學(xué)中的很多情景是理想狀態(tài)下或者是微觀世界的現(xiàn)象,因而利用數(shù)字化的手段對于情景的再現(xiàn),有其得天獨厚的優(yōu)越之處.

目前,利用PPT和各類物理多媒體課件上課的方式已被廣大教師接受,也普遍認為黑板和計算機投影應(yīng)共存.我們認為,應(yīng)根據(jù)教學(xué)需要,采用科學(xué)的混合式數(shù)字化物理教學(xué)模式,才能達到最佳教學(xué)效果.

科學(xué)的混合式數(shù)字化物理教學(xué)模式,要求教師在一次講授中,能夠合理使用各種教學(xué)媒體,包括板書(傳統(tǒng)或數(shù)字化黑板、白板板書,計算機屏幕上用鼠標簡單標記或隨堂輸入)、計算機教案、多媒體課件、演示實驗(數(shù)字化和非數(shù)字化實驗設(shè)備),也能適時分析學(xué)生計算機研究作品或利用自己及其他教師的計算機研究作品和學(xué)生一起探究物理規(guī)律.

例如在“拍”的教學(xué)中,我們可以利用音叉讓學(xué)生聽;可以利用計算機實時測量系統(tǒng)讓同學(xué)們很直觀地在計算機屏幕上看到兩個同方向同頻率振動合成的過程;可以利用 Flash交互課件插入PPT演示;還可以利用Matlab等軟件讓同學(xué)調(diào)節(jié)參數(shù)觀察和聆聽結(jié)果.當然,并不是媒體用得越多越好,媒體的選擇和運用設(shè)計要根據(jù)內(nèi)容、課時、學(xué)生、教師等諸多因素決定.

2.2 建設(shè)友好的互動式數(shù)字化課外學(xué)習(xí)環(huán)境

建設(shè)數(shù)字化課外學(xué)習(xí)環(huán)境,就是要利用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢,研究青年學(xué)生的學(xué)習(xí)心理需求,保證網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的友好性和互動性.教學(xué)網(wǎng)站的特點決定了它比其他企業(yè)網(wǎng)站需要實現(xiàn)的功能更為強大與復(fù)雜.這因為網(wǎng)站不僅是信息發(fā)布,論壇討論或辯論,重要的應(yīng)該體現(xiàn)在利于協(xié)同學(xué)習(xí)的交互功能之上,以及全方位的、專業(yè)性強的資源共享(最好是分布式管理的資源共享).

網(wǎng)站建設(shè)的目的就是利用現(xiàn)代信息技術(shù),實現(xiàn)更高層次的教學(xué)目標,所以教學(xué)網(wǎng)站一定是圍繞教學(xué)展開的.我們認為物理教學(xué)網(wǎng)站應(yīng)該是課堂教學(xué)的延伸,這個延伸不是課時的延時,而是結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的強大功能,拓展學(xué)生的知識,提高學(xué)習(xí)的效率和學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能動性.同濟大學(xué)物理課程網(wǎng)站設(shè)計時除了常用的功能(包括信息、資源發(fā)布、上傳下載學(xué)習(xí)材料、留言、討論等)外,還加強了下述的功能開發(fā)和建設(shè).

網(wǎng)絡(luò)雜志為激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性,我們?yōu)閷W(xué)生開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)雜志系統(tǒng),在這個系統(tǒng)中,學(xué)生可以在線設(shè)計自己的物理雜志,學(xué)生在編輯雜志過程中,本身也是一個學(xué)習(xí)的過程,透過每期的物理網(wǎng)絡(luò)雜志,可以透射出學(xué)生的投入和探索精神.雜志編輯和撰寫過程中,學(xué)生不但開拓了課堂外的知識,更激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)積極性和能動性.

物理博客學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性在物理博客中也有很好的體現(xiàn).打開每一位學(xué)生的博客,都能讀到很好的科技文章,更多的是在博客中學(xué)生會提出自己的見解,還有學(xué)習(xí)中的經(jīng)驗和體會也會在博客中供大家參考.自開設(shè)博客專欄后,這個板塊一直受到學(xué)生的青睞.

題庫和在線測試網(wǎng)上測試系統(tǒng),除具有在線輸入或批量導(dǎo)入題目、題庫管理、隨機或手動組卷、自動評分、成績統(tǒng)計等功能外,還可與學(xué)習(xí)計劃、學(xué)習(xí)跟蹤、操作跟蹤相關(guān)聯(lián),便于教師及時掌控學(xué)生的學(xué)習(xí)信息,強化網(wǎng)絡(luò)教學(xué)管理.

教師教學(xué)設(shè)計交流為方便教師提高教學(xué)水準,開設(shè)了面向教師的物理教學(xué)設(shè)計站點,在該站點中,由經(jīng)驗豐富的教師提供素材,專門為教師設(shè)計了每堂課的教學(xué)方案,并提供大量多媒體資料和題庫,此外還設(shè)有教學(xué)研究板塊,教師可以在此進行理論交流.可以說,這個板塊在同類網(wǎng)站中開了先河.

2.3 開展豐富的創(chuàng)意性數(shù)字化物理研究活動

開展內(nèi)容豐富、形式多樣的物理研究活動,在活動中鼓勵學(xué)生進行數(shù)字化研究,在研究中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和能力,其效果是課堂教學(xué)所不能達到的.在同濟大學(xué)物理系組織每年一次的全校非物理專業(yè)物理競賽活動中,學(xué)生可以自由選題,不少同學(xué)都選擇數(shù)字化應(yīng)用方面的題目,在決賽中產(chǎn)生了像“環(huán)繞立體聲”、“基于 Matlab的單擺周期研究”等一批理論聯(lián)系實際、很有創(chuàng)意的優(yōu)秀作品.有些作品在國內(nèi)大學(xué)物理教學(xué)中是首創(chuàng).通過競賽,培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)習(xí)物理課程的興趣以及綜合應(yīng)用基礎(chǔ)知識的能力,使他們在查閱資料、分析問題、邏輯推理、實踐技能及表述等各方面有了充分的鍛煉和提高.

學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中的創(chuàng)意研究,我們也幫助他們提煉和深入,繼續(xù)申報學(xué)校、上海市和全國的大學(xué)生創(chuàng)新項目研究.

3 數(shù)字化物理教學(xué)中值得討論的幾個問題

3.1 數(shù)字化運用的工具性和必然性

就像黑板、粉筆出現(xiàn)后,班級教學(xué)代替私塾(師徒)式教學(xué);數(shù)字化技術(shù)的出現(xiàn),必然引起教學(xué)手段和模式的改革.但是數(shù)字化設(shè)備和軟件是工具、是媒介.教學(xué)目標是課程教學(xué)目標,數(shù)字化有助于教學(xué)目標的實現(xiàn),其本身不是教學(xué)目標.因而必須明確數(shù)字化運用的工具性和必然性.

3.2 數(shù)字化推廣的差距性和層次性

由于學(xué)校、科目、學(xué)生、教師和各種客觀條件的差異,應(yīng)該承認數(shù)字化推廣的不平衡性.我們應(yīng)該在承認差距的前提下研究差距,有層次、有節(jié)奏地、因地制宜推廣數(shù)字化教學(xué)經(jīng)驗.

3.3 數(shù)字化發(fā)展的開放性和協(xié)作性

由于數(shù)字技術(shù)發(fā)展的高速性和開放性,決定了推廣數(shù)字化物理教學(xué)建設(shè)經(jīng)驗,建設(shè)數(shù)字化物理學(xué)科學(xué)習(xí)環(huán)境,設(shè)計適應(yīng)數(shù)字化時代的物理教學(xué)內(nèi)容和手段模式,是需要分布在各校的廣大教師協(xié)同進行的事業(yè).物理教學(xué)的數(shù)字化發(fā)展一旦凸顯開放性和協(xié)作性的特征,物理教學(xué)也便凸現(xiàn)飛速發(fā)展的趨勢.

[1] 陳顯玲.試論中國報業(yè)調(diào)整期發(fā)展策略之數(shù)字化生存.第二屆全國新聞學(xué)子優(yōu)秀論文評選獲獎?wù)撐?http://media.people.com.cn/GB/22114/44110/55469/4896668.html

[2] 大學(xué)物理數(shù)字教學(xué).中國數(shù)字物理教學(xué)工作室主辦.http://chphy.zhetao.com

[3] 王祖源等.論物理教學(xué)中信息技術(shù)的應(yīng)用.大學(xué)物理教育?？?2006

2009-06-08)