新课标下物理课堂演示实验的计算机辅助应用研究.doc

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1、 新课标下物理课堂演示实验的计算机辅助应用研究第一章 前 言11.1 研究背景11.2 研究问题21.3 研究的意义21.4 研究的方法2第二章 新课程标准理念下课堂演示实验教学概述32.1 演示实验的基本问题32.11演示实验的定义32.12 演示实验的结构32.13 演示实验的分类42.2 演示实验在物理教学中的功能和作用52.23 培养物理思维52.24 引导学生形成科学的概念和规律52.3 新课程理念下物理演示实验的教学要求62.32 演示实验教学过程要优化62.33 演示实验教学方式要多样化7第三章 计算机辅助技术在演示实验教学中的利弊73.1 计算机辅助的概述73.2 物理CAI辅

2、助中学物理实验的优势73.21 模拟一些难以操作的演示实验。83.22 模拟一些现实中不能直接再现的物理现象。83.23 模拟一些设备限制而无法进行的近代物理实验。93.3 CAI课件在中学物理实验中的局限性和困难93.31 CAI在课堂上的运用使实验教学效果适得其反93.32 CAI在课堂上的运用造成教师和学生的注意力分离。10第四章 案例分析计算机辅助技术的课堂演示实验104.1 实验过程及方法104.11 实验器材104.12实验目的104.13实验过程114.14 实验结果114.2 计算机辅助技术的优势11第五章 结 论14 第一章 前 言1.1 研究背景 1.11 普通高中物理课程

3、改革标准 普通高中课程改革方案（实验）的课程标准向社会正式公布后，标志着新一轮普通高中物理课程纲领性的文本的形成，也反映国家对普通高中物理课程改革目标的确认。此次高中课程改革中。物理课程体现了基础性和选择性、共性和个性。高中物理课程由12个模块组成，每个模块占2个学分，其中物理1和物理2共为必修模块，其他为选修模块。学生完成必修模块后，可以获得4个学分。接着再学习一个模块，总共完成6个必修学分的学习任务。在获得6个学分以后，学生还可以根据自己的兴趣以及今后职业需求学习若干选修模块。物理课程标准把“科学探究及物理实验能力要求”、“共同必修模块”、“选修模块”并列，作为内容标准的三大部分。在高中物

4、理课程中科学探究、物理实验占很重要的地位。在各个教学模块和内容中安排了各种类型的实验，并在“教学建议”中提出“突出学科特点、发挥实验在物理教学的重要作用”的基本要求。这些都彰显了物理实验对物理课程的重要性，也呼吁着实验教学的改革和创新。 1.12 演示实验在物理教学中现状简单分析演示实验是中学物理教学的重要内容，是学生对教学内容获得直观性认识的重要手段，是建立概念和规律、理解和掌握物理知识不可或缺的重要环节。由于长期受到传统教育的影响，物理演示实验教学与教师能力的相关的问题日益突出，这主要表现在以下几个方面。受传统的用人制度、育人方式等方面的影响，国内基础教育多以应试教育为主，忽视了对学生潜能

5、的开发和专业技能的培养，过于强调知识的传授，不重视演示实验教学。经常以黑板演示和讲解实验替代实物演示以及学生探究，且忽略了课外活动，尤其在课外的物理演示实验投入太少。对演示实验在教学中作用的认识存在偏差。仅仅把物理实验作为理论教学服务的工具和手段。没有认识到物理实验是教育的必有内容，在演示实验教学中表现只强调直观观察或者单方面的追求现象刺激。从而忽视了每个实验在教学目标等质的方面的精心设计和深入探讨。1.2 研究问题 本论文研究基础教育课程背景下高中课堂物理实验的计算机辅助研究，以高中物理新课程为蓝本，从理论和实践两个方面探讨新课程理念下高中课堂物理实验的计算机辅助研究，根据现行的教学资源的实

6、际，在计算机辅助下对演示过程、演示手段、演示效果等方面进行创新探讨，并关注演示实验教学的优化过程。本论文章目主要有：u 新课程标准理念下课堂演示实验教学概述u 计算机辅助技术对演示实验教学的利弊u 案例分析计算机辅助技术的课堂演示实验1.3 研究的意义物理学作为一门以实验为基础的自然学科，其实验方法、实验思想都是物理教学的重要目标之一，演示实验作为实验教学的重要形式在一定程度上表现为实验教学的样版范例。物理学上许多重要的概念的定义、复杂规律的得出都直接来源于实验，演示实验作为物理概念和物理规律的教学中，直接影响着学生对概念的理解和对物理规律的掌握以及迁移问题。因此研究物理演示实验就是从整体上对

7、课堂教学进行研究，尤其是计算机辅助技术对课堂演示实验革命的变化更加值得研究。演示实验教学的计算机辅助应用研究有助于教师专业的发展，有利于提高教师对物理演示实验教学重要性的认识。物理演示实验教学以实验教学为主要渠道，促进学生奠定科学知识基础，将能力提高以及方法获得融入知识获取的过程中。演示实验有助于提高教师对实验教学重要性的认识，从思想上武装教师，克服当前普遍存在的“形式演示”、“过场演示”等，知道教师优化物理课堂教学。 1.4 研究的方法 文献研究法：通过期刊、网路、书籍等文献进行查阅、分析、归纳，了解该课题研究现状，从中找出一些可能对当前研究有用的研究思路和方法及观点进行整合。本研究建立在广

8、泛细致的文献分析基础上，包括对学术期刊网近年来发表相关文献进行总体分析。行动研究法：本研究所涉及的内容具有很强的实用性和可操作性，通过参与、观摩物理课堂教学，与物理教师及其它研究者之间的交流与合作共同探讨在计算机辅助技术下如何优化物理课堂演示实验，有效提高物理课堂教育效果。访谈法：新课程理念下高中物理演示实验教学研究的背景是新一轮课程改革，所以应当在当前新课程下，走进教学一线，通过访谈物理教师、学生的实际感受，了解计在算机辅助应用下物理演示实验的实际情况。第二章 新课程标准理念下课堂演示实验教学概述2.1 演示实验的基本问题 2.11演示实验的定义物理演示实验主要是教师用物理仪器和实物进行的实

9、验演示，还包括教师在课堂上出示模具、实物；用投影教具进行的操作演示；物理录像片、电影片、幻灯片等声像教学片以。这是一种典型的实验定义，它明确规定了演示实验的主要操作对象是教师，是教师操作、学生观察，这很容易产生误解：演示实验仅就仅就是教师演示学生被动观摩；这种定义还把影、声、光、电以及仿真模拟的展示也纳入演示实验的范畴。有利于教师的思路拓展，综合的运用计算机辅助技术提高演示实验教学质量。新课标是以构建主义和多元智能为其理论根据，提倡学生主动构建学科知识。因此在新课标背景下的演示实验，学生既是操作实验的主体，也是实验观察的主体。提倡学生积极参与演示实验。由此可见，在教学理论研究以及实践的推动下，

10、从关怀学生、教学质量的提高出发，与传统的演示实验教学模式相比，演示实验从内容到手段都发生了变化。 2.12 演示实验的结构演示实验作为作为一种重要的教学手段是有一定的结构的。其中实验装置、教师和学生为主要的元素构成了演示教学系统。如图所示，实验装置起到了创建教学情景的作用。教师起着引导和激发学生观察的兴趣及解释实验现象。可以说，教师的引导对激发学生的情感起了主导作用。从实验装置看，如图所示，演示实验的结构一般由四个单元组成：一是实验对象，指实验中被观察研究的主体，比如气体、液体、电荷、光线等等；二是实验现象监视器，包括各种测量仪器、声学以及光学元件等；三是实验动力源，包括光源、热源、电源等；四

11、是辅助调控装置。比如，测量电阻丝的阻值：电池是实验动力源；电阻丝是实验对象；电流表为现象监视器；电建等则是辅助调控装置。当然不是每个实验都包含四个单元。比如，平抛运动：小球是实验对象和现象监视器；地球吸引力是实验动力源。 2.13 演示实验的分类根据演示实验对学生认知过程的作用不同，将物理演示实验划分为认识型演示实验、巩固式演示实验和启发式演示实验。（1） 认识型演示实验，主要是运用实物、模型、挂图等展示给学生看，引导学生在观察中不断思考，通过分析、综合，把感性认识和理论知识相结合，从而是学生知识得到巩固。（2） 巩固式演示实验，在讲解理论知识，合理运用演示实验，使理论和实践相统一。（3） 启

12、发式演示实验，是教师在操作实验的过程中，不断就实验现象或者实验步骤等方面有针对性的提出问题，启发和引导学生去思考问题发生的原因或者解决方法。根据演示实验目的及实验中对思维和技能要求的不同，将物理演示实验划分为应用性演示实验、探索性演示实验和验证性演示实验。（1） 应用性演示实验，一方面指基本实验技能的训练以及利用基本测量仪器测量物理量，另一方面指让学生在理解理论知识的基础下，运用所学知识解释或者解决现实中的问题。例如：测量小灯泡的伏安特性。（2） 探索性演示实验，要求学生对实验现象及其变化规律，分析原因，在自己本身认知的基础下进行大胆猜想、联想等，以探索该实验现象及变化的规律，从而形成新的认知

13、。这类实验有利于学生的创造性思维的培养。例如：库仑定律的演示实验（3） 验证性演示实验，根据理论预言和物理规律，要求学生验证其现象、特征及变化是否存在，并通过分析解释原因，反过来证实物理理论、规律的正确性。例如：法拉利的电磁感应演示实验。2.2 演示实验在物理教学中的功能和作用 2.21 树立示范作用 演示实验可以帮助学生培养良好的实验习惯和基本实验技能的素养。怎样正确的选择和使用实验仪器以及如何编制实验步骤并按步骤进行操作；怎样记录实验数据和读取读数；怎样分析实验数据并得出结论；怎样分析实验实验误差等等，都需要教师长期指导和培养。其中重要的一点是，给学生正确示范。作为一名物理教师，要向学生树

14、立科学严谨的操作榜样。 2.22 激发正确的学习动机 演示实验进行物理教学，有利于师生之间的互动和情感交流。并能够加深学生对物理概念和物理规律的认知；演示实验创造理想的实验情境，激发学生学习物理的兴趣；演示实验通过生动的、新奇的、刺激的、直观的现象，可以为学生提供生动、直观的教学情境，调动学生积极主动的学习欲望。 2.23 培养物理思维在教学过程中，教师应当尽量运用演示实验，让学生观察实验现象，揭示物理本质。从而调动学生学习的主动性。培养学生的思维能力是必要的教学过程之一。用演示实验更有利于实验现象、揭示变化、启发学生思考、培养观察力、引导学生思维能力发展。通过演示实验，可以让学生耳闻目睹、亲

15、自获得经验，由感性认识上升到理性认识，形成物理概念，培养了学生对物理世界的思维能力。 2.24 引导学生形成科学的概念和规律科学的概念和规律的形成与实验是密不可分的。探究教学建立在实验教学中，其中探究过程是重中之重。让学生参与探究过程，对学生创新能力，应对实际问题能力都有明显作用，这也是探究教学成为物理课程改革的理论依据之一。如图所示通同向或异向电流的直导线，这个实验通过让学生探究和观察，并积极思考，认识到这个现象不是通过电场作用产生的，而是磁场对电流作用。2.3 新课程理念下物理演示实验的教学要求 2.31 设计演示实验思想要明确实验原理与实验构思、实验装置与实验条件、实验方法与实验技术等等

16、都要反映出实验设计的思想。把握好设计实验的思想，是做好演示实验的重要基础。教师只有弄清楚设计实验的思想，才能更好的掌控实验教学流程以及把握实验的关键，有效地调动学生积极性，并有效地指导学生思考与探究。 2.32 演示实验教学过程要优化（1）有利于提高学生对课堂演示实验的专注性。可以引入一些趣味性的实验。例如：高压下放电的笼中人却没事。（2） 有利于学生建立概念把握物理规律。（3） 有利于提高学生科学探究水平，形成科学与态度、情感与价值观等 2.33 演示实验教学方式要多样化多样化的教学方式能够很好地提升实验教学的效果。不同演示教学方式对于不同的演示实验可能对学生产生的效果会有很大的差别。演示实

17、验的探究是新课程的重要理念和基本要求，而实验教学的探究性是解决现在学生对实验的参与性不足这个问题。采取多样化的实验教学方式能够使学生更多的参与实验，而不是教师一个人自导自演。因此演示实验探究性必然要借助多样化的实验教学方式。利用计算机辅助技术来演示实验是多样化实验教学的重中之重。第三章 计算机辅助技术在演示实验教学中的利弊3.1 计算机辅助的概述多媒体计算机辅助教学（CAI）是以计算机为主要媒体进行的教育活动，它是使用图形，动画，声音，图象等多种媒体进行教学内容的呈现于传递。（1）像媒体（声音，图象）和计算机媒体（文本，图形，动画）有机融为一体。也就是多媒体CAI必须在电化教育与计算机基础上取

18、长补短，优势互补，并且多媒体技术在多媒体教学中起主导作用，它与视听，声音，网络等有机融合，才能真正发挥出多媒体CAI教学的优势。（2）多媒体CAI教学系统不同于以往单一媒体信息系统，它是以计算机为中心，把语音，图象处理技术和视听技术集成在一起，并通过对音频，视频信号的模数转化和数据压缩，解压过程实现计算机对不同媒体信息的存贮传递，加工，交换的检索，它可以使传播信息和接收信息之间进行实时的交换，而不象传统的电视，广播系统那样，人只能被动地接收，正是这种实时交换特征更适合双边教学需要，把学生的多感官有机地结合起来，获取相关的信息，充分调动了其学习积极性。（3）教师在计算机辅助教学中更多的是起到一个

19、师傅和向导或顾问的作用，不同与传统教学中截然分开的讲授解释实验活动，教师可以自由地由讲解转到讨论，也可以设计计算机活动，要求学生各自讨论，并讲述他们的结果。在计算机工具的协同下，实验十分容易与其他教学活动一起混合进行。这样，就在讲解，问题解决和动手实验之间建立了强有力的联系，而这正是传统教学中的薄弱环节。3.2 物理CAI辅助中学物理实验的优势物理学是一门教给学生物质结构和运动规律基础知识的学科。物理教育不应只限于向学生传授知识和技巧，而更应重视物理思想，物理方法的渗透。 3.21 模拟一些难以操作的演示实验。在“光学”的本影和半影教学中，利用CAI模拟出太阳、地球、月亮三者之间的转动情况，借

20、助学生熟悉的日食（全食和偏食），月食（全食和偏食），分析本影和半影的形成，进而让学生更深入地理解日食和月食的成因，使整个教学形象、具体。 3.22 模拟一些现实中不能直接再现的物理现象。如原子弹的爆炸过程（原子核裂变和聚变），因为有巨大的危害性，在现实生活中不能直接再现。通过CAI模拟，并在模拟原子弹爆炸过程中，加入声音、色彩、和与之形成对比的环境现象更加逼真，让学生犹如身临其境，感受到爆炸的巨大威力。还可以利用CAI模拟一些现实并存在的物理模型，电场、磁场、磁通量等，加深学生的空间想象力。 3.23 模拟一些设备限制而无法进行的近代物理实验。使学生对理论的理解有一个感性认识，而不仅仅是对着书

21、本示意图想象。如：粒子散射实验，中学不可能做，书本上也只有一个示意图。利计算机模拟这一实验过程，可以帮助学生理解实验过程和结论。（1）利用CAI分演示实验，可以帮助学生尽快理解实验结论。如：在研究平抛运动的实验中，课本上是依据同开始做平抛运动的物体和做自由落体运动的物体总是同时落地这一实验现象得出平抛运动在竖直方向的分运动是自由落体运动这一结论。现象到结论，不管用什么语言，总显得不够实在。若用FLASH制作一个动画，在实验演示以后播放，就可以很清楚、很实在地说实验结论。首先，重视实验现象，然后过两个一起下落的小球连一条水平直线，使直线随小球一起下落，并放慢动画速度。这样一来，学生接受实验结论时

22、就觉得自然、合理。（2）用CAI可以把渐变的物理量展现出来，防止学生因缺乏想象力而形成思维障碍。如静力学中的动态平衡，它表现为弹力、静摩擦力动态的变化的过程，教师在黑板上作画，难于帮助学生在头脑中建立起动态的画面。如：小球在挡板逐渐倒下的过程，要从静态的图了解动态的过程，需要学生有丰富的想象力。为了突破该教学的难点，可以用FLASH的动画功能，利用对线段的伸缩和旋转，反映动态过程中弹力和大小和方向的变化，使原来要凭学生想象才能得到的动态变化过程展示出来，及时纠正学生头脑中异样构思，提高学生对知识理解的准确度。再如几何光学中的透镜成像，演示物体沿主轴由远及近向透镜移动的过程中像的大小及运动距离变

23、化（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受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。3.3 CAI课件在中学物理实验中的局限性和困难 3.31 CAI在课堂上的运用使实验教学效果适得其反是借助CAI可发实现教和学的多元化，提高课堂效率和教学质量。但CAI若使用不当，也极易造成违背物理学本身特点的后果，使教学效果适得其反。物理学是一门集观察，实验科学思维于一体的基本学科，目前在计算机辅助教学中学物理教学实践中，却有很大一部分课件利用计算机强大的动画和计算机模拟物理实验，以代替可以进行的演示实验，有的学习课件甚至通过建立教学模型，模拟实验仪器，仪表和元件

24、建立虚拟实验室，提供给学生进行研究性实验，使物理实验丧失了其在物理教学中应起的作用，我们知道，物理实验在物理教学中的主要作用有：（1） 有利于激发学生的学习动机，提高学生学习物理的兴趣；（2） 有利于培养学生的观察能力，因为实验中需要通过自己的观察获取信息；（3） 有利于培养学生的思维能力和科研能力，因为实验中常出现一些意想不到的现象，解释这些现象的过程中，思维形式活跃很多；（4） 有利于实现因材施教，因为实验所涉及的基本概念，实验原理，设计思想形式多样，为不同类型的学生提供了发展平台。而如果用计算机的模拟来代替实际的实验操作，那么物理实验在教学中应起的作用就无法实现，因为所以的过程都是人为设

25、置的。学生一方面无法体验到前人在各种实验设计中所体现出来的物理思想的光辉；另一方面，也会产生这样的疑问：真的是这样吗？这无疑不利于素质教育。利用这种模式教育出来的学生，对一切物理过程都是理想的情况，或许实际能力很强，而一旦接触实际的科学实践活动，必将暴露出其缺少实际操作训练的一面。 3.32 CAI在课堂上的运用造成教师和学生的注意力分离。在传统的物理课堂，无论是教师讲，学生听，教师在讲台上做演示实验，或是学生亲自动手实验，教师巡视，师生的注意对象在内容上是一致的，这种注意为师生的情感交流提供了一个有效的通道，有利于提高教学效率。而在CAI运用中，教师的操作点在电脑键盘，鼠标上，而学生的注目点

26、在屏幕，这种注意对象在空间位置上的分离阻碍了师生情感的交流，不利于课堂教学。CAI只是一种辅助教学工具,它不可能完全代替教师的指导作用，也不可能取代学生的亲自动手实验。在课堂教学中，教师是主导，学生是学习的主体，CAI只是辅助性的。教师应合理利用CAI辅助教学，借以提高教学质量。避免在教学中受课件的支配，成为电脑的操作员。本文从几个侧面，对多媒体教学在中学物理实验中的有关问题，进行了初步分析，仅仅是理论上的探讨，希望能够抛砖引玉，共同提高多媒体教学水平。第四章 案例分析计算机辅助技术的课堂演示实验4.1 实验过程及方法 4.11 实验器材显微镜、金箔、真空容器、粒子源、铅盒 4.12实验目的

27、卢瑟福从1909年起做了著名的粒子散射实验，实验的目的是想证实汤姆孙原子模型的正确性，实验结果却成了否定汤姆孙原子模型的有力证据。在此基础上，卢瑟福提出了原子核式结构模型。 为了要考察原子内部的结构，必须寻找一种能射到原子内部的试探粒子，这种粒子就是从天然放射性物质中放射出的粒子。卢瑟福和他的助手用粒子轰击金箔来进行实验。 4.13实验过程在一个铅盒里放有少量的放射性元素钋(Po)，它发出的射线从铅盒的小孔射出，形成一束很细的射线射到金箔上。当粒子穿过金箔后，射到荧光屏上产生一个个的闪光点，这些闪光点可用显微镜来观察。为了避免粒子和空气中的原子碰撞而影响实验结果，整个装置放在一个抽成真空的容器

28、内，带有荧光屏的显微镜能够围绕金箔在一个圆周上移动。 4.14 实验结果实验结果表明，绝大多数粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有少数粒子发生了较大的偏转，并有极少数粒子的偏转超过90，有的甚至几乎达到180而被反弹回来，这就是粒子的散射现象。 发生极少数粒子的大角度偏转现象是出乎意料的。根据汤姆孙模型的计算，粒子穿过金箔后偏离原来方向的角度是很小的，因为电子的质量不到粒子的1/7400，粒子碰到它，就像飞行着的子弹碰到一粒尘埃一样，运动方向不会发生明显的改变。正电荷又是均匀分布的，粒子穿过原子时，它受到原子内部两侧正电荷的斥力大部分相互抵消，粒子偏转的力就不会很大。然而事实却出现了极少数粒

29、子大角度偏转的现象。卢瑟福后来回忆说：“这是我一生中从未有的最难以置信的事，它好比你对一张纸发射出一发炮弹，结果被反弹回来而打到自己身上”卢瑟福对实验的结果进行了分析，认为只有原子的几乎全部质量和正电荷都集中在原子中心的一个很小的区域，才有可能出现粒子的大角度散射。由此，卢瑟福在1911年提出了原子的核式结构模型，认为在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核(nucleus)，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转。4.2 计算机辅助技术的优势粒子散射实验，中学由于实验器材的限制，不可能做，书本上也只有一个示意图。若用Flash制作一个动画，在实验演示以后播放，就可以很清楚、很实在地说实验结论，并且突破器材限制。汤姆孙的“西瓜模型”或者“枣糕模型”卢瑟福的“核式结构模型” 我们用Flash设计一个粒子散射实验，在实验演示以后播放，就可以很清楚、很实在地说实验结论。上图是汤姆孙的“西瓜模型”或者“枣糕模型”，Flash动画清楚明了的演示了实验结果。上图是卢瑟福的“核式结构模型”，Flash动画同样清晰的演示了实验结果。xiii