信息技术与物理实验教学整合的文献综述.doc
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信息技术与物理实验教学整合的文献综述
1.1国外研究现状
20世纪90年代后期，为迎接信息时代的挑战，适应信息化社会，使学生能够具备相应的信息素养，一些发达国家都不同程度的重视学生信息素养的培养，注重信息技术与课程的整合。
美国：
从20世纪80年代中期开始，美国高层就提出了信息技术与各学科整合的思想，并由美国苹果电脑公司的教育专家进行实验。
在1996年成立了评价和监控美国中小学信息技术与学科课程整合进展情况的组织。
该组织对整合进展进行跟踪评价，并每年发布一个报告，对本年度整合情况进行总结。
1997年是美国信息技术与学科课程整合研究大规模展开的一年，各个研究项目在学校的整合实验全面展开，主要工作集中在培训教师掌握IT（信息技术）的基本技能、帮助教师转变角色、鼓励教师在教学中充分利用IT，并利用IT进行探索。
1998年美国对学生学习成果进行评测，以了解IT在教学中的作用。
1999年的教师培训不再停留在对教师IT基本技能的培训，而是非常重视对课程整合理论的培训。
2000年，美国教育技术国际协会即ISTS出版的《国家教育技术标准（学生）》一书，该书详细列出了从学前到12年级的信息技术应用于教学的国家标准，核心是将课程与信息技术有机地结合起来，同时还提供了大量参考案例。
[i]2005年1月，美国第三个国家教育技术计划问世，总结叙述了国家教育技术的发展与进步，教育工作者和学生的变化，以及示范学校的教学变革，最后给出了7个行动建议：
①加强领导；②考虑革新经费预算；③改进教师培训；④支持数字化学习E-learning）和虚拟学校；⑤鼓励普及宽带联网；⑥迈向数字内容；⑦整合数据系统，加强信息技术在教育教学管理中的应用。
[ii]
英国：
为全面提高学生的信息和交流技术能力，在新的国家课程中，将以前的“信息技术”（informationtechnology）改为“信息与交流技术”（informationandcommunicationtechnology，简称ICT）。
这门学科旨在为学生有能力参与快速变化的世界生活做准备，学生可以运用ICT工具创造性地发现、探究、分析、交换信息，学会如何使用ICT迅速地从社区、文化中获得思想和经验，还要求在数学、科学、历史以及其他学科的教学过程中根据具体内容，加强对学生信息和交流技术的指导。
近年来，英国学校用于教学的计算机数量不断增加，而且电脑的更新速度也加快了，计算机辅助设备基本到位。
交互电子白板在英国的基础教育中已经开始普遍而且有效地应用，对拓展课堂教学、提高教学成果收效明显。
英国政府在认识到智能电子交互白板的课堂应用对基础教育信息化建设的强大推动作用后，于2004年和2005年加大投资力度用于智能电子交互白板的配备和应用，并由政府主导组织大量的专家建设交互白板教学资源，免费提供给学校教师使用。
[iii]
日本：
1998年6月公布的新的课程方案将“信息科”作为高中普通科的必修科目，以适应计算机、网络的普及所带来的信息化社会的变化；日本中小学信息化的基础环境建设飞速发展，到2005年，全国有100%的中小学拥有计算机，接通校园网的中小学占99.9%，教学用的计算机数为每5个学生一台，部分学校采用了电子化、数字化的教材，无纸化教材的使用是21世纪日本中小学进行教学改革的趋势。
日本的教师培训一般分为职前培训和在职培训。
经过再学习，能够熟练使用计算机的教师占教师总数的95%，能够教授计算机的教师占教师总数的50%还多。
[iv]
马来西亚：
为推动信息技术的发展和应用，于1996年8月1日提出了“多媒体超级走廊”（MSC）其宗旨在于使世界各地的距离拉得更近，使环球工作者能同时进行讯息沟通，以至形成一个名副其实的“地球村”。
建立智能学校（SmartSchool），利用多媒体来教学，来改变与促进原有的教学方法、学校组织和学生业绩。
[v]高技术含量的智能学校计划将充当马来西亚教育重大变革推进器的作用。
1996年底智能学校被确定为多媒体超级走廊的应用项目，1999年1月在试点学校正式实施（同时进行教师培训和多媒体课件开发），2000年底试点学校安装使用了管理软件，2001年则推出了新的课件和管理系统，2010年计划将约1万所中小学建成为智能学校。
[vi]
新加坡：
1996年1月，制定了“资讯科技2000计划”，计划用10年的时间，把新加坡建设成为“智慧岛”（又称“电子智能城”），最终成为亚太资讯中心。
为了配合政府的经济发展战略，新加坡中小学开始了资讯科技教育改革（即信息技术教育改革）。
[vii]1999年，新加坡教育部开始推行“教育电子簿”试验计划。
电子簿实际上就是一种针对中小学教学需要而制作的具有能够完成学习、作业、上网、收发电子邮件等功能的便携式电脑其目的在于通过信息技术和其他学科的整合，改革学校的教育教学模式，拓展学生学习空间，提高学生学习乐趣和学习效果。
[viii]
由以上国家的信息技术发展情况我们可以看出，各个国家在信息技术硬件配备上投入了大量的资金，非常重视硬件的配备、教师信息技术的培训。
随着改革的深入，各国的重点逐渐向信息技术与其他学科的整合方面推进。
信息技术与学科教学整合的研究方向主要放在如何让学生真正地参与学习，如何用技术来支持学生的自主学习并提供多样化的学习方式，关注如何让学生更多地参与自主学习。
目前国外在信息技术与物理实验教学整合的实践研究方面成果众多，总结其主要成果有：
超媒体（Hypermedia）[ix]：
超媒体是一种基于计算机的交流和思考的环境，它包括超文本和多媒体技术。
超文本一种基于计算机的文本触发或关键词的技术，通过点击文本或关键词计算机能提供更多、更深层次的信息；多媒体技术是一种交互的信息提供技术，还可以用于模拟实验过程，如使用Modellus（一个计算机软件）模拟牛顿定律的实验。
交互视频系统（InteractiveVideoDisksystem）：
交互视频系统主要是运用计算机的交互性和巨大的存储空间，它能够为我们提供高质量的视频图像，使交互指导成为可能。
它主要是运用于抛锚式的教学方式，通过视频系统为学生提供反映真实的、丰富的学习环境，让学生在这样一个环境中自主学习。
远程通讯（Telecommunications）：
远程通讯这种学习方式是让学生通过远程通讯来获得科学知识。
比如WaterNet，它用于调查研究美国、德国和澳大利亚的水污染情况，通过远程通讯分享各自测量的本国家或地区的数据，希望通过这种方式来更好的理解水污染问题并能提高学生关心社会问题的意识。
与此类似的还有MIX（McGraw-HillInformationExchange），用于调查研究种子在不同国家和地区的生长情况；KidNetwork，是为了实现美国、加拿大、以色列和阿根廷的4-6年级学生间每隔六周的信息交流，话题可以是酸雨、健康和气候等。
虚拟现实技术（virtualrealitytechnology）又称为灵境技术：
是指使用虚拟现实技术生成的虚拟环境是一种逼真的视、听、触觉一体化的计算机生成环境，用户可以借助必要的装置以自然的方式与虚拟环境的物体进行相互作用、相互影响，从而获得身临其境的感受和体验。
[x]比如VSL（VisualSystemsLaboratory，简称VSL）虚拟系统实验室，可开展复杂实验环境的实时物理仿真实验、低价图形仿真技术等；VETL（VirtualEnvironmentTechnologyLaboratory）实验室，由Houston大学和NASA/Johnson航天中心联合建立，开发了一组功能强大的软件工具，普通人员即可利用这些工具来创建多感知的、连接到特定硬件上的三维环境，如哈勃望远镜维修训练系统。
[xi]
传感器技术（Sensor）[xii]：
传感器技术是一种实时测量技术，主要是通过传感器将一些模拟信号（温度、压强等）转变为数字信号，再通过计算机显示和处理这些获得的数据，得到实验结果。
目前运用较广泛的有PASCO系统，它是一套功能强大的实验系统，涵盖力学、热学、声学、电磁学、原子能原子核及一些专用设备和软件。
其他还有如Power-Energy-CostMeter，这是一个专门用于测量电流、电压和电能的实验系统，利用他可以定量研究电功、电压、电流三者之间的关系。
1.2国内研究现状
我国也非常重视教育信息化工作，相继推出了一系列旨在深入推进教育信息化，深化教育改革的政策和措施。
2000年教育部先后印发了《关于在中小学普及信息技术教育的通知》、《关于在中小学实施“校校通”工程的通知》和《中小学信息技术课程指导纲要（试行）》三个重要文件，2001年6月颁布《基础教育课程改革纲要（试行）》，这些文件大大推动了教育信息化的进程。
到2001年底，全国普通高中有1.2519万所学校（占92.15%）。
大中城市初中有1.2511万所学校（占65.32%）。
小学有4.4190万所学校（占10.32%）开设了信息技术必修课2003年3月，《普通高中技术课程标准（实验）》正式颁布标志着信息技术走入了国家课程体系。
2005年，教育信息基础设施建设进一步完善。
逾90%的高校、约6%的中小学（38000多所）、约35%的中职学校（近6000所）基本建成校园网。
全国农村地区的6万多个小学教学点装备了光盘播放系统、16万多所小学装备了卫星教学收视系统、3万多所初中装备了多媒体计算机教室。
农村中小学现代远程教育工程建设取得阶段性成果。
截至2005年底，工程配备教学光盘设备291631套，卫星教学收视系统167113套，计算机教室和多媒体设备25389套。
覆盖农村小学教学点67258个，农村小学168793所，农村初中30239所，包括贵州、新疆、新疆生产建设兵团、西藏、青海和吉林延边、湖南湘西、湖北恩施地区，以及中西部其他省区的部分地区。
2005年4月，正式启动实施全国中小学教师教育技术能力建设计划。
此举将以《中小学教师教育技术能力标准（试行）》为依据以全面提高教师教育技术应用能力。
促进技术在教学中的有效运用为目的。
建立教师教育技术培训和考试认证体系。
组织开展以信息技术与学科教学有效整合为主要内容的教育技术培训，全面提高广大教师实施素质教育的能力水平。
建立了由教育专家、信息技术专家、工程技术人员、一线教师组成的培训队伍，采取了集中培训与送培下乡相结合，培训骨干教师与全员培训相结合的方式，把培训送到县、乡、项目学校，先后培训了近5000多名一线教师。
[xiii]
在理论探索方面，目前正处于广泛开展阶段，如《电化教育研究》、《中国电化教育》和《中小学信息技术教育》中对信息技术与学科教学整合进行了广泛的研究，内容涉及整合的内涵、层次、原则、模式等方方面面。
在实践研究方面，广大教师已将信息技术广泛运用于物理实验教学，比较典型的物理学习技术工具有PowerPoint、Flash、Authorware、几何画板、仿真实验系统（金华科仿真物理实验室）、Matlab和数字化实验系统（教育部教学仪器研究所研制的物理实验微机辅助教学系统（HPCI））等。
对于信息技术与物理实验的整合的文献，多以体会的形式出现。
概括起来主要有如下观点：
·信息技术可增强物理实验课堂教学的表现力和感染力，提高实验教学效率。
·信息技术可调动学生的学习积极性，有利于学生能力的提高和素质培养。
·信息技术具有再现性，突破时空的限制，进行虚拟实验。
·信息技术可使物理实验数据的获取、分析、处理变得方便、快捷。
·信息技术可代替危险性较大的实验演示。
·信息技术作为交流工具。
……
综上所述，国内对信息技术与物理学科整合理论进行研究大多是教育专家和学者，中学一线教师参与比较少，策略应用层面研究较少。
那么，理论如何让中学一线教师接受并应用到教学中去，则有待探索。
另一方面广大一线教师运用信息技术大多注重于实验现象的演示和模拟、处理实验数据和完成常规实验器材无法完成的实验，注重从技术上实现实验的最优化等实践的体会经验，而较少能上升到理论，从整合的角度运用信息技术。
[i]张海林．信息技术与初中数学教学整合的研究［D］．内蒙古:
内蒙古师范大学,2007．
[ii]陈海东．科学有效地推进我国基础教育信息化［J］．基础教育参考,2006（9）:
14．
[iii]王晓平．英国经验:
信息技术与课程融合促进课堂教学拓展［J］．中小学信息技术教育,2007（7-8）:
8．
[iv]梁树红．日本确定新信息技术基本战略目标“追赶美国”的梦想成为现实——访日所见所闻所思［J］．基础教育参考,2005（5）:
57．
[v]瞿群臻．资讯时代“多媒体超级走廊”之探讨［J］．暨南学报（哲学社会科学）,2000（9）:
114-116．
[vi]骆金龙,罗天雨等．马来西亚“多媒体超走廊”发展的实证分析［J］．高科技与产业化,2005（12）:
51．
[vii]王学风．新加坡中小学信息技术教育改革及启示［J］．比较教育研究,2001（9）:
53．
[viii]吴广生．新加坡中小学信息技术教育实践对我们的启示［J］．教育技术应用,2003（7）:
17．
[ix]VitorDuarteTeodoro,PlayingNewtoniangameswithModellus．PhysicsEducation,September2004．
[x]汪成为,高文,王行仁．灵境（虚拟现实）技术的理论实现和应用［M］．北京:
清华人学出版社,1996．
[xi]余胜泉,吴娟．信息技术与课程整合［M］．上海:
上海教育出版社,2004．243．
[xii]ChrisAButlin,Meteroffersdual-modedisplaystodemonstraterelationships,PhysicsEducationNovember2004．
[xiii]国务院信息化工作办公室．中国信息化发展报告2006．http:
//www．ahpc．gov．cn/file/中国信息化发展报告2006．htm,2008-3-5．
对信息技术与物理实验教学整合的探讨
摘 要：
随着科技的发展，信息技术在物理实验教学领域的应用也日益广泛。
信息技术不仅能模拟实验，如今它与传感器、数字化等技术相结合，可以形成崭新的实验方法和技术，对传统的手工实验方式是一种前所未有的挑战。
信息技术与物理实验教学的整合引发了实验方法和技术的革新，更引起了实验教学理念、方式方法的变革。
本文对有关“整合”问题作了认识层面的思考，并在实践层面上提供一些思路。
关键词：
信息技术、实验教学、工具、模拟实验、数字化实验、模式
物理是一门以实验为基础的学科，实验几乎贯穿了物理教学的整个过程。
物理实验教学质量的好坏从某种程度上决定了物理教学的效果。
新课程改革体现在物理课程上是更加突出了实验教学，更多地采用新技术使教学手段现代化和多样化。
随着信息技术的发展，物理实验教学发生了质的变革。
1 信息技术与传统实验教学整合是时代发展的必然结果
1.1 信息技术更新了物理实验教学理念
传统的物理教学以学生掌握和巩固知识为出发点和归宿，学生学习物理实验的范围囿于学校、课堂、书本。
信息技术扩大了物理实验的内涵，扩展了物理实验的教育功能。
以信息技术为依托的物理实验教学中，利用录像、光盘、网络等能加强实验教学与社会、生活、科学技术之间的联系，使学生的视野更开阔。
信息技术的交互性和超文本链接的优势更为在物理实验教学中的“师生互动”提供了可靠的保证。
1.2信息技术改变了物理实验教学手段
在实验的不同环节，信息技术都发挥了其独特的作用，观察环节可以极大地扩展实验的可视性和可重复性，数据采集环节信息技术给物理量的测量带来了革命性的变化，不但简单方便，而且测量精度高，数据分析环节能将学生从简单、机械、繁琐的数据处理过程中解脱出来，让他们的时间和精力用在更有创造力的方面。
1.3信息技术改变了物理实验教学方法
传统教学中把物理实验分成演示实验与分组实验。
新课程理念下的物理实验教学，更注重学生的探究，让他们自己去设计实验，选择仪器，收集实验数据，归纳并总结规律。
物理课程标准明确提出要重视将信息技术应用到物理实验室，加快物理实验软件的开发和应用，诸如通过计算机实时测量、处理实验数据、分析实验结果等。
一方面，采用信息技术使处理数据层面上的工作简单化，学生用于数据处理的时间大大减少，他们有更多机会去进行探索研究；另一方面，信息技术本身就是学生进行探究活动的有效工具。
以计算机为代表的现代信息技术能够跟传统实验实现“优势互补”（不是全面替代），推动物理实验教学方法的改革。
2信息技术应用于实验教学的几个层面
2.1信息技术作为演示的工具
信息技术作为演示的工具，可使静态事物动态化、微型实验宏观化、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。
作为演示工具，主要体现在以下三方面[1]：
图1
一是实验基本清晰，但实验过程相对应的物理规律抽象，学生理解困难。
这种情况在坚持做好实验的基础上，用现代信息技术的优势叠加分析性信息，也就是提供由形象思维到抽象思维过度的桥，学习者能更深刻地理解客观物理规律及其应用。
如弹簧振子的振动实验，学生很难同时观察到回复力、加速度、速度和位移四个物理量在运动过程中的大小和方向，这是教学的难点。
而采用课件模拟（如图1），可方便地调节振动频率或者使其暂停，动态分析必将有利于学生建立起简谐运动完整的物理图景，取得其它教学手段难以收到的效果。
图2
二是实验所包含的物理本质不够清晰，需要用科学动态模拟补充，在“补充”之前同样先要做好实验。
如“波的叠加”、“波的干涉”和“平抛运动”等课题是典型实例。
以教学“平抛物体的运动”为例，教科书中采用了闪光照相的方法研究平抛运动，以两个小球同时运动的照片说明平抛物体与自由落体运动在水平方向的运动不同，但他们在竖直方向上的运动是相同的。
如果我们借助《仿真物理实验室》一类工具，则更便于学生对闪光照相结论的理解掌握，更好地把握公式物理意义的内涵（图2）。
三是一般实验室中不可能做出的实验，可用计算机科学模拟（Similation）和视频资源来支持教与学。
如可以仿真传统教学实验无法涉及的条件要求很苛刻的实验，如高温、强电、强磁实验、高能粒子实验、空间实验等，发生在微观物理学中的一些现象，诸如α粒子的大角散射、原子核的衰变、链式反应等，使它们变得栩栩如生、一目了然。
2.2信息技术作为信息加工的工具
信息技术与物理实验教学的整合不只是把它作为多媒体展示工具来使用，更重要的是把信息技术作为数字化信息加工工具来使用。
计算机处理信息的高速化和智能化，为物理课堂演示实验的数据的获取、分析、处理处理提供了广阔的应用空间。
一些通用软件如Microsoft
Excel的数据处理界面形式非常接近物理实验数据的记录方式，而且能够将数据以表格和图表的形式给出，并显示出最终的结果，运用起来非常方便。
如测定电源电动势和内阻、牛顿第二定律等实验，把记录表中的数据输入计算机，创建Excel数据表，然后把实验数据表转化为自变量和因变量对应关系的数据表，绘制点线图，可有助于寻找相关物理量的关系。
图3为学生研究橡皮筋的伸长量ΔL与拉力F的关系时用Excel描绘出的图象。
图3
数字信息系统实验室[2]（DigitalInformationSystem
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,它使得传统物理实验在信息技术的带动下变得既真实又准确并且有声有色。
DIS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，如压力传感、温度传感、湿度传感等，必要时可以画出数据分析表格、曲线，还可以对不同条件下实验误差进行分析与讨论，使一些原来定性的实验在技术支持下可作定量的分析，大大提高了测量范围、精度、反应时间。
如电磁学实验中暂态现象的观察和记录，DIS一种很好的解决方案。
2.3信息技术作为研发工具[3]
实验不仅是一种验证性或操作性的实践活动，更是一种探究性的实践活动。
在学生探究活动中，信息技术扮演着“研发工具”的角色，为学生提供了进一步研究和探索的平台。
从这一层面上说，信息技术是给学生“做”的，不是给学生“看”的。
笔者认为，信息技术作为研发工具主要体现在两方面：
图4
一是工具型教学软件为该层次的教学和学习提供很好的支持，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、几何光学等内容它都比较适用。
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，它为学生提供自我动手、探索问题的模拟实验环境，学生面对问题时，可以使用它们自己做实验，来发现、总结一些规律。
图4为用“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实验方案的设计能力和实验数据尤其是表格、图像的处理能力。
系统在观测小信号和瞬间变化信号、用强大的数据处理能力来分析实验结果等方面有具有传统实验仪器无法比拟的优势，能够使学生实验研究的范围大大拓宽；同时，系统的开放性设计保证了学生能够利用此平台方便的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“让小车在长木板匀速运动”，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，提出几种不同的设想，再利用DIS实验处理数据的优点，将每一个设想都尝试一下。
这个过程，其实就是“探究”的过程。
此外，信息技术应用于物理实验教学，可以作为信息交流工具、技能训练工具。
如采用网络版“仿真物理实验室”，学生可在网络技术环境进行多媒体实验操作，与其他同学交流、讨论；一些较复杂的物理仪器的使用如万用表、示波器等，学生往往在操作时盲目性较大，学生可在虚拟实验室反复操练，减少实验的盲目性。
3 信息技术与传统实验整合的具体教学模式
信息技术与实验教学整合，应实现的目标：
一是发挥传统实验与信息技术各自的优势，优化实验教学过程，又借助于实验做载体，促进学生学习并应用信息技术解决实际问题；二是突出学生主体地位，有效培养学生的学习能力和综合素质。
基
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