二、计算机辅助物理教学基本原理与特点

计算机辅助物理教学的原理。

计算机作为现代化教学手段，如何对传统的物理教学方式进行改革，怎样辅助物理教学，使之达到最佳教学效果，在有效的时间内，以最高的效率培养出尽可能多的创造性人才，这是从事计算机辅助物理教学的教育工作者在新时代所面临的最迫切的问题。因此，必须从我国的国情出发，探索出一条适合我国国情的计算机辅助物理教学的道路。

在回答怎样用计算机辅助物理教学之前，先分析一下物理教学的一般教学过程。当前我国中学实行的物理教学体系是工业革命后逐步发展起来的，其基本特点是以课堂为中心，教材为中心，教师为中心的“三中心” 教学体系。与之相应的教学手段是语言、实物、教科书、教师、板书、挂图和模型等。在物理教学活动中，本质上是教师与学生之间的信息交流过程。首先，教师根据物理教学目标对教材进行分析和处理，决定采用什么教学方式方法和以什么形式来呈现教学内容，这实际上是教师头脑中的一个信息处理过程。从学生角度而言，他接受教师提供的信息，理解其内容，并作出适当的反应。然后教师对学生的反应作出判别，提供适当的反馈信息。在适当的时候，教师应用某种测量方法，评价教与学的成绩，以检查是否达到了规定的教学目标。这种以课堂集体教学为基础的传统教学，实际上是搬用工业化大批量生产的方法，极少注意到学生的个体差异，因此，这种教学方法的缺点是明显的。但是，在教学过程中属于教师的信息处理

（备课）、信息呈现（板书、讲解或提问等）、判别、评价、反馈等功能，则为计算机模拟教学活动提供了依据。计算机辅助教学就是试图利用电子计算机来实现（或部分实现）教师的上述功能。由于计算机具有信息输入、输出、存储和逻辑判断等功能，因此可以用来模拟教师的教学行为。运用计算机教学，首先要在计算机中存储大量的教学材料。计算机是不会自发地进行教学的，因此需要人们事先编写好一套适合计算机使用的教学程序

——即教学软件。先要确定教学目标，选择适当的原始教材，然后将课程内容划分成许多小的教学单元，每一单元介绍一个概念、一条规则、一个实验或一个事实。在设计教学单元时，应详细规定以什么形式在什么时候呈现什么教学内容和问题，预测学生的各种可能回答，对每种回答给出适当的反馈信息。而后选用适当的计算机语言编写教学程序，描写各教学单元之间的联系和每个单元的教学意图，即实现信息的呈现、提问、应答接收与判别、提供反馈等功能，这种用于指导计算机进行教课活动的计算机软件称作“课件”。

计算机辅助物理教学始终是围绕着计算机与学生之间的一系列“对话”而展开的。图 8—4 显示的是典型的指导型计算机辅助教学中的对话过程。

下面详纲叙述计算机教学的过程。

选择课目。计算机中通常存储有许多课目的课件或教学软件，或利用软盘，将课件调入计算机，学生可以根据自己的兴趣或教师的安排选定一个课目，计算机将选定课目的教学程序调入内存去运行，并在屏幕上显示。
呈现信息。计算机呈现一小段教学材料，它可以用文字、图形及声音等信息形式表现教材内容。
注意信息。学生开动脑筋，力图记忆和理解教学内容。
提问。提问是为了测试学生对屏幕呈现内容的掌握程度。在计算机教学中，提问是必不可少的，提问的形式可以是各种各样的，提问后，学生应立即作答。
反应。学生经过思考，对计算机所提的问题作出反应，通常是在键盘上输入他的应答。
判别与反馈。计算机接受学生的应答，判别其正确程度，并提供适当的反馈信息。
注意反馈。学生对自己刚才反应的结果特别关心，然后根据计算机提供的反馈信息作进一步的操作。
决策。这时计算机要根据一定的教学策略决定下一步教学行动，一般有下列选择：①继续（呈现新的学习材料）；②补习（提供更加详细的说明性材料）；③复习（重复学习前一单元内容）；④退出（根据学习内容或学生要求中断学习）。

上面介绍的是一种常用的个别指导型教学情况，目前已发展了许多种不同的教学模式，它们的教学情景不尽相同。

计算机辅助物理教学的特点。

在进行计算机辅助教学过程中，可将部分教学内容实现计算机软件化，用以指导学生进行课程学习，学生通过 CRT 显示器等其他设备和仪器

（如录音机等），使用键盘与微机对话，达到视听结合来学习课程内容，回答 CAI 系统提出的问题，接受考核，给出评价。应用 CAI 对于解决重点、难点问题的分析，启发学生的兴趣，提高教学效率和效果，培养学生应用计算机处理问题的能力，有它独特的优越性。从计算机辅助物理教学来看，计算机辅助教学有以下特点：

抽象内容形象化，激发了学习兴趣。物理学是研究物质运动和变化的科学，在某些方面，用传统的教学手段不易表现物理学中“动”和“变” 的特点。在物理教学中有很多难理解、抽象的概念，如力学中的功和能的概念，电磁学中的电场、磁场概念，光学中干涉、衍射等，单凭语言是不易讲清楚的。再如 PN 结的形成过程，学生难懂，教师难讲。还有一些实验室无法做的实验，如光电效应等，教师只能用语言讲光电子的产生过程，学生无法看见光电子的产生和运动，这样就影响了教学效果。若采用计算机辅助教学，就可以用程序在屏幕上模拟光电效应的过程，就会使很多传统教学无法表现的现象更生动、更形象地得以实现，提高了教学效果，促进了学生学习的积极性。

按照信息论的观点，教学过程实际就是信息的发送和接受的过程。因此信息量可用香农-维纳公式表述：

S = Bt log (1 + P )

2 N

其中，S 表示信息量，单位为比特，B 表示频带宽度，t 表示时间，P 表示信号功率，N 表示噪声功率。这个公式的意义是：要在一定的时间 t 内输送较多的信息 S，必须增大频带宽度 B，必须增大信号功率 P，减小噪声功率 N。

要增大频带宽度 B，应当在教学过程中让学生的眼、耳等多路信息通道并用。据专家研究，人眼可以观察到的光波频率为 3.9×1014～7.8×1014 赫，人耳能接收到的声波频率为 20～20000 赫。采取多路信息通道并用，就能使 B 值加宽，这就意味着应当把抽象的教材内容，尽可能转化为能看、能听的具体形象。有关研究表明：通过视觉获得的知识占 83％，听觉占 11

％，嗅觉占 3.5％，触觉占 1％。单纯靠听觉，一般能够记住 15％，如果靠视觉，一般能够记住 25％，如果视听并用，其记忆率可达 65％。因此在课堂教学中配以计算机等现代化的视听工具，效果就要好得多。我们都知

道，计算机的一个显著特点，除了它的高速运算功能外，还具有图形功能，利用计算机的图形功能，能够较好地把抽象的教学内容通过图形形象地描绘出来，扩大信息传输的通频带。对于复杂的结构描述以及对于很强的动态性和微观性的描述，利用计算机都可以做到形象化。如可以用计算机显示波动的产生和干涉过程，用计算机来演示布朗运动和电子衍射实验等，都能获得令人满意的效果。

实现启发式教学，调动学习积极性。中学物理教学过程与其他学科的教学过程有所不同，其突出的特点之一是：通过物理课程的教学，逐步培养学生具有一定的探索精神，也就是说，教学过程不单纯以“承受知识” 的活动为主，而且要辅之以“探索知识”的活动，不但发展一般运用知识的能力，还要发展高层次的能力——创造力。

在物理教学过程中，减少学生对教师的依赖，按教学阶段逐步发展学生的独立思考、独立活动能力，这是学生进行探索性认识活动的客观要求。但在以往的传统教学中，往往以教师为中心，学生的探索性认识活动难以开展。在计算机辅助教学中，可利用计算机来向学生提出问题、分析问题，从而解决问题，引导学生遵循教学思路掌握所学内容，通过屏幕显示，逐步引导。在课程软件的编制中，可以采用增添的方法，逐步形成完整的概念，给学生以探索思考的机会。如在有的物理课目软件的编制中，可以先给出一般的概念，然后按内容逐步深入，这样学生可以边操纵，边显示，边作图，边思维，达到开发智力的目的。

此外，常规的教学是集体进行的。由于学生智能程度不同，经验各异，在新的学习中显示出不同的学习结果，教师应该分别对待，也即应贯彻教育技巧之一的“个别差异的适应”，但传统的教学往往很难做到点面结合。CAI 可适应不同对象、不同阶段的要求，注意选择所要学习的内容，学生学习时可重复选择多次，直至完全掌握，这样就不受课程教学的束缚，充分发挥了学生学习的主动性和积极性，真正可做到因材施教。

学与练融为一体，提高了教学效率。采用人机对话方式，学生与计算机之间有频繁的直接通讯活动。计算机经常向学习者提出问题，学生回答后能立即得到检验，使学生处于比较紧张的环境中，必须集中注意力才行，这样就大大提高了学习效率。人机对话的交互活动还为学生提供了自行控制学习速度的机会，一般来说，仅当学生作出一定的反应后，计算机才会引导他进入下一学习步骤，因此交互活动使学生获得自定步调、反复操练的机制。人机对话的交互活动还意味着计算机对学生的反应提供评价的及时反馈，检查学生对所学内容掌握的程度，立即给出评分结果，从而激发学生积极向上、奋发进取的精神，促使他们努力学习，直到完全掌握，及时巩固所学内容，实现了自觉反馈。实验证明，及时反馈对学生的学习有非常明显的影响。图 8—5 显示的是有反馈与无反馈成绩的比较曲线图。实验中，将学生分成甲乙两组，让两组学生以最快的速度做同样的练习（比如速算练习等），连续试验 75 次，每次 30 秒钟。在前 50 次练习中，对甲

组给予及时反馈，乙组则无反馈信息，练习 50 次后，两组对换，对乙组给

予及时反馈，甲组则取消反馈，结果显示：前 50 次练习中，甲组成绩好于

乙组，而后 25 次练习中则甲组成绩明显变坏，乙组成绩明显上升。由此可见，用交互式的教学方式，能提高教学效率。

减轻教师负担，避免重复性劳动。对物理课程中的某些内容，可由物理教师、教育学者、计算机专业人员等共同编写 CAI 教材，利用计算机辅助教学。一个良好的 CAI 教材，可以提供多数的教师使用，因而可节省很多教学的劳力和时间，使教师有时间去从事教学研究活动。对于有危险性或实验有困难的教材，CAI 更表现出其独特的优点。

值得指出的是，尽管计算机辅助教学有其显著特点，但若衡量教学的经济和社会效益，传统教学方式仍居重要的地位，计算机辅助教学的发展，就教学功能而言，必须伴随传统教学的主流前进，才能发挥其教学的最大功效。