物理是一门以实验为基础的学科，实验教学的质量从某种程度上决定了物理教学的效果。当前物理课程改革更加突出实验教学，要求实现实验手段多样化和现代化，物理课程标准明确提出要重视将信息技术应用于物理实验，加快物理实验软件的开发和应用。本文是笔者对信息技术与物理实验教学整合的认识与实践的初步总结。
    一、信息技术与实验教学整合是时代发展的必然结果  
    传统的物理教学以学生掌握和巩固知识为目的，对实验在知识、能力、方法、情感态度与价值观等综合科学素质教育中的重要作用认识不够，因此实验教学基本上以教师为中心：演示实验教师做、学生看；分组实验则让学生按教师设计好的方案进行，缺乏独立思考和创造性活动。而按照新的课程理念，演示实验应该重视学生参与，随堂实验、学生分组实验则要尽量采用探究式，让学生真正进入科学学习的状态，扮演研究者的角色。这就要求实验不能只限于教科书规定的有限几个，而要根据探究活动的需要，让学生尽可能多地在实验室活动，为他们创造接触和熟悉各种仪器设备的机会；学生可以尝试自己设计实验、选择仪器、收集数据、归纳并总结规律。信息技术与物理实验教学整合，可利用视听资料、网络资源等加强实验教学与社会、生活、科学技术之间的联系，信息技术的交互性和超文本链接优势，又为“师生互动”提供了可靠的保证。在实验的不同环节，信息技术都可发挥独特的作用：在观察环节极大地扩展实验的可视性和可重复性，在数据采集环节使物理量的测量不但简单方便，而且精度提高，在数据分析环节则让学生从机械、繁琐的数据处理过程中解脱出来，投入更有创造力的方面……因此，借助信息技术的优势可以实现物理实验教学的新要求。
    二、信息技术应用于实验教学的几个层面
    1.信息技术作为演示的工具
    实验课不仅要让学生记住实验步骤和相关结论，更为重要的是要使学生透彻理解并且完全掌握产生实验结论的过程。由于受到常规实验仪器本身的限制，传统演示实验效果常不如人意。信息技术作为演示的工具，可使静态事物动态化、微观现象可视化、抽象知识形象化，完成难做实验的仿真模拟、进行物理过程的动态分析。信息技术作为演示工具，主要应用在以下三方面：
    一是实验现象基本清晰，但实验过程所反映的物理规律比较抽象，学生理解困难。对此，要在做好实验的基础上应用信息技术叠加分析性信息，为学生搭建由形象思维迈向抽象思维的“桥梁”，使学习者更深刻地理解客观物理规律及其应用。如简谐运动中弹簧振子的振动实验，学生很难同时观察到回复力、加速度、速度和位移等物理量在四个运动过程及五个关键时刻的大小和方向，这是教学的难点。而采用课件模拟(如图1)，就可调节振动频率或者使其暂停，便于对四个矢量的大小、方向变化进行分析，也可重复选择观察任意一个物理量的周期性变化，有利于学生建立简谐运动完整的物理图景。

    二是实验所包含的物理本质不够清晰，需要用动态模拟予以补充。如“波的叠加”、“波的干涉”、“平抛运动”等实验。以教学“平抛物体的运动”为例，教科书用一幅频闪照片来显示两个小球同时平抛和自由下落的情况，让学生比较，发现它们在水平方向的运动不同，但竖直方向上的运动是相同的。由于这一方法未能具体表现平抛小球在各个点的分运动状态，学生理解掌握闪光照相所揭示的规律，把握公式的物理意义仍感到比较困难。如果我们借助《仿真物理实验室》，利用如图2的动态模拟演示，就能使学生更好地理解这一知识。

    三是在一般实验室中不可能做出的实验，可用计算机科学模拟（Simulation）和视频资源来支持教与学。如可以仿真传统实验无法涉及的、条件要求很苛刻的实验，诸如高温、强电、强磁实验，高能粒子实验，空间实验等；可以使一些微观物理现象，诸如α粒子的大角散射、原子核的衰变、链式反应等变得栩栩如生、一目了然。图3为α粒子散射仿真实验的一个画面———荧光屏和显微镜能够围绕金箔转动，图的右侧为在某一位置从荧光屏观察到的现象。

    2. 信息技术作为信息加工的工具
    信息技术不仅可以作为多媒体展示工具来使用，更重要的是可以使得信息处理高速化和智能化，在实验数据的获取、分析、处理上具有广阔
的应用空间。一些通用软件如Excel的数据处理界面非常接近实验数据的记录方式，能够将数据以图表的形式给出，并显示出最终的结果。如测定电源电动势和内阻、牛顿第二定律等实验，用记录表中的数据创建Ex-cel数据表，可以方便地生成点线图，有助于学生发现相关物理量之间的关系。图4为学生研究橡皮筋的伸长量ΔL与拉力F的关系时用Excel描绘的图像，从图像可看出伸长量ΔL与拉力F的非线性关系。

    数字信息系统实验室(Digital Information System Laboratory，简称DIS)是由“传感器＋数据采集器＋实验软件包＋计算机”构成的新型实验系统。它运用传感器采集实验数据，通过接口与计算机连接，完成数据的采集、分析，必要时可以画出数据分析表和曲线，还可以对不同条件下的实验误差进行分析与讨论，对一些原来只能进行定性分析的实验进行定量分析。采用DIS实验系统,使处理数据的工作简单化，学生用于数据处理的时间大大减少，就有更多机会去进行探索研究。例如描绘小灯泡U—I特性曲线，传统实验需一节课完成，而使用DIS实验系统，特征曲线由计算机直接描绘，学生有充裕的时间用电阻替换小灯泡进行实验，讨论造成两图线差异的原因。DIS不但能替代打点计时器、弹簧秤、温度计、压强计等许多传统仪表，而且能测量传统仪表无法测量的物理量，如直接测量瞬时速度(光电门)、磁感应强度(霍尔传感器)、微电流(微电流传感器)等。即使替代也不是简单的功能重复，而是大大提高了测量范围、精度、速度，这为解决电磁学实验中暂态现象的观察和记录提供一种很好的方案。
    3. 信息技术作为研发工具
    实验不仅是一种验证性的实践活动，更是一种探究性的实践活动，培养学生的探索能力和发现问题、解决问题的能力以及创造性思维能力，是实验教学的最终目标。在实现这种目标的过程中，信息技术扮演着研发工具的角色，为对物理实验感兴趣的同学提供了进一步研究和探索的平台。笔者认为，信息技术作为研发工具主要体现在两方面：
    一是工具型教学软件为该层次的教和学提供很好的支持，如几何画板、Interactive Physics(交互性物理)、“仿真物理实验室”等工具软件都可进行虚拟环境中的探究。几何画板最大的特点是动态，对诸如共点力的平衡、物体的运动、机械波和简谐运动、几何光学等内容的研究都比较适用。Interactive Physics、“仿真物理实验室”把物理定律内置在软件中，是实验器具完备的“综合性实验室”，它为学生提供自己动手、探索问题的模拟实验环境，学生面对问题时，可以使用它们做实验，来发现、总结一些规律。图5是用“仿真物理实验室”探究带电粒子在相互垂直的电场、磁场中运动的一个画面。

    
    二是用DIS进行数字化实验。DIS实验简化了实验数据的采集过程，但要求学生有更高的设计实验方案的能力和处理实验数据尤其是处理表格、图像的能力。系统在观测小信号和瞬间变化信号、处理数据和分析实验结果等方面具有传统实验仪器无法比拟的优势，能使学生实验的研究范围大大拓宽。同时，系统的开放性设计保证了学生可利用此平台方便地设计实验来验证提出的假设，为学生的探究活动提供了工具保证。如“让小车沿长木板匀速运动”的实验，消除摩擦力对运动的影响是非常重要的。教学中可充分发挥学生的主动性，让大家参与讨论，在学生提出几种不同的设想后，利用DIS处理数据的优点，将每一个设想都尝试一下。这个过程其实就是探究的过程。又如磁现象的定量研究在传统实验教学中始终是一个空白，借助传感器就能研究螺线管中磁感强度与螺线管的匝数、直径、长度以及通电电流的关系，研究不同位置磁感强度的变化情况。图6为某次测量中螺线管通电后产生的磁感应强度与传感器顶端位置的关系。DIS使许多实验从定性观察上升到了定量分析层面，实验质量和教学效果得到了提升。

  
    4. 信息技术作为交流工具
    在网络环境下，可通过下载、复制或建立友情链接的方式，将互联网上成型的虚拟实验及其他关于物理学家、学史、规律、趣闻、生产生活等资源为我所用，学生可以边学习边交流。如采用网络版“仿真物理实验室”，学生可以通过人机对话一边操作一边在网上畅游，获取新知识，遇到问题还可以通过网络与同伴交流。
    5. 信息技术作为技能训练工具
    建立在信息技术基础上的虚拟实验室为学生提供了全方位的、开放性的操作环境。如学生可在虚拟场景中从各个角度观察游标卡尺，用它测量物体（如测量圆柱的直径、圆桶的深度和圆环的内径等），并根据得到的反馈信息（包括测量方法和读数）进行有重点的训练，完成对游标卡尺的结构、测量方法及读数的意义建构。又如对万用表、示波器等一些较复杂的仪器，可有目的地引导学生反复模拟使用过程，使他们理解原理和测量方法，待初步掌握了测量技能后，再到真实仪器上调试，这样便减少了盲目性，训练效果十分明显。
    三、信息技术与实验教学整合的教学模式
    笔者认为，信息技术与实验教学整合，一要发挥传统实验与信息技术各自的优势，优化实验教学过程，促进学生学习并应用信息技术解决实际问题；二要突出学生主体地位，有效培养学生的学习能力和综合素质。基于这样的理念，笔者在实践中采用如下两种教学模式。
    1. 以教师使用信息技术为主的演示型教学模式
    最简单的方式就是基本不改变现有教学模式，只是将信息技术作为展示教学内容的工具。运用这一教学模式，教师要致力于多媒体课件的开发和使用。一般在演示实验的基础上，用计算机模拟实验现象的物理过程，使学生获得的表象得以强化，促进学生识别实验现象发生及变化的条件，然后再进行抽象概括，形成概念或找出规律、特征。它的流程一般为：

    如“氢原子的能级与跃迁”的教学，做好氢光谱的观察实验，让学生看到谱线特点，特别是看到其发射光谱与吸收光谱的谱线位置相同，是理论分析的基础，至关重要。在这个意义上，计算机不能取代传统实验。但建立在实验基础上的氢原子玻尔模型是抽象思维的产物，它无法做实验，无法直接观察，若用语言叙述，学生很难在脑子里形成一个物理过程的动态形象，计算机辅助教学软件则可以展现这个动态物理模型。
    另一种方式是探索型实验教学模式。对一些需要在实验基础上进行定量研究的概念和规律，用这种模式能极大地提高探究效率，增强学生的自信心和成就感。其流程是：

    教学活动中，通过信息技术搜集、处理数据，拓宽交流渠道与信息量，把物理实验、数据处理和探究学习结合起来。如通过数字化实验系统，不仅可以进行数据采集、测量，而且还可以通过多模显示、组合显示、视图放大、图线分析、自定义变量和表达式等有效手段，使实验数据的处理、显示更加便捷。高精度的数据，形象、直观的图线图形有助于学习者进行科学探究，提高能力。
    2. 以学生利用信息技术为主的自主探究教学模式
    在传统的实验教学中，由于条件的限制，学生的探究欲望往往不能得到很好的满足，信息技术环境能为学生提供探究的有利条件。借助于多媒体技术和工具软件创设的虚拟仿真环境，学生能在动态情景空间中观察现象、读取数据、探索和发现研究对象之间的数量关系和变化规律。物理学习应指导学生尝试用“几何画板”、“仿真物理实验室”等工具软件研究问题。如几何光学中的面镜(平面镜、球面镜)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）、光学元件成像观察范围以及与折射(全反射、色散)相关的光学小实验等，都可以让学生在探索中学习。这样可使他们对所学知识有更深刻的理解,同时加深认识数理之间的联系和学会物理图景的动态分析。
    四、信息技术与实验教学整合要处理好的两个关系
    1. 模拟实验与传统实验的关系
    实验教学是物理教学的基础，它既是学生对物理知识的认知起点，同时也是培养学生学习兴趣的重要途径。信息技术可以突破传统实验仪器的局限性，补充、完善真实实验的不理想之处。
    从演示实验方面看，信息技术可以对那些难以观察到的、复杂的、困难的实验进行模拟和再现，成为常规实验的补充。特别是有些物理定律只是一种理想的模型，在正常条件下不能实现，应用信息技术则可弥补学生感性认识的不足，使之变得容易理解。把模拟实验与传统实验结合起来，教学会收到事半功倍的效果。
    从学生实验角度看，为防止发生意外伤害、实验仪器损失，或由于实验条件的限制，有一些实验像电流表反接、短路、用小量程测大电流、人体导电等，一般是不能做或不允许做的，这势必影响学生对知识的构建。虚拟实验环境则可解决这一难题。
    值得注意的是，培养学生的实践能力和严谨的、以事实为依据的科学态度，是物理实验教学的基本目的之一。模拟是被理想化的模型，对一些操作方便、效果明显的实验，无论从真实性还是从效果来看，都不宜用计算机模拟。若不加区别、一味用虚拟的过程替代真实实验，将会弱化学生的实际操作能力和科学意识，背离实验教学的初衷。
    2. 数字化实验与传统实验的关系
    数字化的实验环境和资源是现实环境和资源在空间、时间上的延伸，它与现实的环境和资源并没有本质差异。但是，由于数字化实验涉及到综合性、技术性的知识较多，学生对许多内容都比较生疏，实验时注意力容易转移。同时，数字化实验自动化程度高，易使学生单纯关注实验数据的采集、处理，忽视实验的物理意义，使实验变成数字“游戏”。
    从培养学生的能力来看，传统物理实验与数字化实验有明显的差异：前者侧重于培养细致、认真、耐心的观察习惯，后者则侧重于培养在观察中思考探究的能力；前者重视培养正确选择和使用仪器的能力，后者则相对欠缺；前者一般比较重视实际操作技能的训练，后者则有利于掌握利用信息技术学习、拓展知识的能力；在数据处理过程中，前者可以充分培养计算、作图以及利用数学知识解决物理问题的能力，后者则有助于培养分析数学图形的能力和对复杂物理现象进行分析判断的能力；在对学生自主探究和创新能力的培养方面，前者学生设计实验的局限性比较大,限制了探究的深度和广度，后者则多数实验可以由学生自行设计、动手完成。
    因此笔者以为，尽管数字化改造是实验教学条件现代化不可缺少的一环，但应该把真实实验条件作为实验室建设的基础，信息技术装备只
是物理实验的有力的辅助设备之一。

参考文献：
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