現代教育技術的發展,使班主任組織教學活動的手段更豐富、方法更靈活、效率更高。現代教育技術中,筆記本輔助教育系統,因為代表最先進的現代教育手段,成為教育教學實踐研究的新課題。
筆記本輔助教育的功能分為四種,即筆記本輔助教學、電腦管理教學、電腦模擬和筆記本智力游戲。
筆記本模擬,即借助模型來研究一個系統的行為特點,在數學教學中,可以拿來模擬實驗環境,借此取代或強化傳統的實驗手段。
因為筆記本模擬不受空間限制,可由宏觀到微觀;不受時間限制,可將頓時過程減緩,可將長時過程減短。筆記本模擬可將具象內容具體化,又可從具體現象具象出其本質特點;可將動態弄成靜態,利于觀察物理實驗模擬軟件,又可將靜態弄成動態,利于理解。筆記本模擬還可將輸給它的信息經過邏輯推理運算,輸出結果,判斷輸入輸出的關系,因而在輸入信息與輸出結果之間構建某種聯系。
數學學是一門以觀察和實驗為基礎的科學,中學生對化學知識的學習,即使是一種特殊的認識活動,但仍要以觀察化學現象、進行化學實驗作為思維的基礎。筆記本模擬剛好成為常規教學中無法觀察的化學現象、難以進行的化學實驗的代替者。
筆記本模擬的上述特征,是其它輔助教學手段不可比擬的,因此具有寬廣的發展前景。
二、電腦模擬在數學教學中的應用筆記本模擬分為兩種情況:
(一)筆記本行為模擬所謂行為模擬,是告訴中學生筆記本程序中的模型,通過運行這個程序,不斷地改變參數,得到一系列輸出數據,之后通過考察輸入輸出的關系,弄清該模型所反映出的規律或特性。
牛頓第二定理,是數學教學中的重點和難點,得出牛頓第二定理的實驗在氣墊導軌上進行。由光電守門員沿塊運動的時間傳輸到光電數字計時器,我們再將數據輸入到筆記本中(程序清單略),筆記本進行一系列加速率的估算,并將加速度與形成加速度的力進行比較,將加速度與滑塊質量進行比較,得到加速度與力、加速度與質量的關系,構建牛頓第二定理。中學生觀察實驗過程和實驗現象,接受筆記本行為模擬的結果,免去繁雜的手估算過程,即節約了時間,提升了課堂效率,又突出加大了對牛頓第二定理的理解和記憶。注意,教學中要采用大屏幕監示器,將筆記本處理結果清晰地呈現給中學生,發揮筆記本的優點。下列各筆記本應用過程也要注意這一點。
互成角度共點力合成的平行四邊形法則,講授時,由班主任作二力合成的投影演示實驗。小彈簧秤底板用有機玻璃制成,分別用一個小彈簧秤和兩個小彈簧秤將橡皮條均拉到O點,如圖(一)、圖(二)所示。中學生從投影屏上,讀出圖(一)
彈簧秤上所示合力的數值,之后讀出圖(二)彈簧秤上兩個分力的數值,并通過固定于投影儀打印在膠卷上的量角器,讀出二分力與水平線傾角值,將那些數據輸入到筆記本中(程序清單略),由筆記本進行高分辨畫圖。
由不同組實驗數據,筆記本在顯示屏上先畫出表示合力(F),兩個分力(F1,F2)的有向線段,之后以表示兩個分力的有向線段為鄰邊,做出平行四邊形,并做出二分力所夾的對角線,將此對角線與表示合力的有向線段進行比較,如圖(三)、圖(四)所示筆記本運行結果,平行四邊形的對角線與表示合力的有向線段吻合得挺好。從教學實踐看,絕大多數結果都很確切,因而科學、可信地構建兩個共點力合成的平行四邊形法則。
倘若形成碰巧操作偏差,如圖(五)所示,可找出偏差緣由,將實驗重新進行。
筆記本畫圖的精確性,降低了畫圖偏差,使中學生更好地接受實驗結果。筆記本畫圖,節約了時間,班主任在課上可作多組演示實驗,既豐富了中學生感性認識,又突出了構建平行四邊形法則的歸納法。注意,筆記本畫圖很精確,實驗設計也較科學,這就要求確切操作,確切讀取數據,以得到正確的結果。
像斜拋運動,單擺的震動規律,光的折射定理等都可以將實驗與筆記本行為模擬結合真情行為進行教學。
(二)筆記本模型化模擬
所謂模型化模擬,是由筆記本按照程序中的模型輸出一組表示系統行為的數據或圖像,讓中學生通過觀察和剖析那些數據或圖像,找出它們之間的關系,構建系統的模擬。
如開普勒三個定理數學圖景的模擬程序清單(略)。首先,模擬的行星圍繞太陽運動,但看不出規律,中學生形成困擾,如圖(六)。之后鍵控,使行星在運動的同時顯示自己的運動軌跡,如圖(七),行星的運行軌跡──橢圓便清楚地顯示下來,不用解釋,中學生了然于胸。之后再畫上座標系,太陽呈現在橢圓軌道的一個焦點上,如圖(八)所示。這樣,清楚、明白地總結出開普勒第一定理。
開普勒第二定理如圖(九),除顯示出“相等時間,行星與太陽的聯線掃過相等的面積”外,行星的運動速率也是真實的模擬、即“近地點運動的快,遠地點運動的慢”。
開普勒三定理是由大量的觀測數據總結下來的,我們借助筆記本的模型化模擬,呈現給中學生生動的圖像,中學生很容易理解和接受。
模型化模擬可細分成下邊幾種:
1.突破空間界限的模擬:數學學的發展,大到宇宙天體,小到基本粒子。而這么宏觀與微觀在常規化學實驗教學中都無法重現,中學生則無法構建起相應的數學假象。我們通過筆記本模型化模擬,為中學生提供感性認識。如開普勒三定理的數學圖景的模擬、衛星發射原理的模擬、盧瑟福a粒子散射實驗的示意模擬、核裂變的模擬、光電效應的模擬等。
2.突破時間界限的模擬:有的化學實驗用時較長,實驗教學中費時較多,無法進行,如觀察沸騰現象的實驗;有的化學實驗現象突顯時間很短,中學生無法觀察清楚,如牛頓管中自由落體運動實驗。我們用模型化模擬,控制實驗現象展示的時間。
3.實驗動、靜結合的模擬:靜電感應現象、導線中電子由無規則熱運動到電場作用下的定向聯通過程、電容的充放電過程等,構建化學圖景的動態模擬,并用鍵控程序將動態過程定格──展示化學過程的節點。
4.實現具象與具體互相轉化的模擬:將具象的化學過程經過筆記本模擬而具體化,如磁化過程的模擬、電磁振蕩現象的模擬、電磁波傳播過程的模擬演示等。將具體的化學過程,除去非本質的假象,直接將數學問題的本質具象下來物理實驗模擬軟件,如楞次定理教學實驗,直接模擬外磁場、感應磁場、感應電流,研究它們的關系。
三、電腦出擬與化學實驗教學的有機結合
所謂有機結合,即處理好筆記本模擬與化學實驗、電腦模擬與其它教學手段、電腦模擬與班主任講授之間的關系。
(一)筆記本模擬不能淡化化學實驗。化學實驗是中學生獲得數學知識最直接的手段、最真實的經驗和最好的感性材料。筆記本模擬只能逼真,而不可能真實,不能企圖用筆記本模擬去替代化學實驗。
實驗教學中無法進行、效果不好,需用筆記本模擬的實驗,要將真實的實驗呈現給中學生,再進行筆記本模擬,將筆記本模擬與化學實驗結合上去。
難以進行的實驗,要講清實驗環境、實驗條件、實驗過程,再用筆記本模擬。
(二)注重其它教學手段的運用
化學實驗教學,不言自明,化學實驗為其根本,我們必須強化實驗研究。在教學實踐中設計更合理的實驗過程,改進和制做化學實驗儀器,結合科學技術的發展,采用更先進的實驗手段。但是筆記本模擬有其局限,如聲學實驗,演示噪聲、樂音及其波形,除示波器外,我們要用錄音機;學習天體運動,我們用錄象機和電視機,這是筆記本模擬不能達到的。有的模擬用投影、幻燈就可簡約而形象地進行,也毋須費時、費力去進行筆記本模擬。
(三)充分發揮班主任的主導作用任何教學手段,都須要班主任去安排使用、去組織教學,筆記本模擬手段也不能例外。是否用筆記本模擬,哪些時機、哪些環節進行筆記本模擬,都要由班主任決定。并且這些決定要挺好地推動中學生所學知識的正向遷移。
四、電腦模擬于化學實驗教學所需環境
(一)筆記本模擬軟件的編制
筆記本模擬手段的引入,對化學班主任提出了更高要求,既要深入鉆研教材,又要具有編制軟件的能力。對專業人員編制的軟件,化學班主任要有改建和使用能力。同時,須要專業人員和化學班主任針對化學實驗的空白和薄弱之處,編制出著力可行的軟件。這是筆記本模擬于化學實驗教學的關鍵。
(二)化學實驗室的構成
如今好多筆記本應用于化學教學的嘗試在估算機房進行,而估算機房與化學實驗室的設置是完全不同的。所以要構建新概念的數學實驗室,即化學實驗室除常規的設置外,要配備計算機主機和2—4個大屏幕終端顯示器。這是筆記本模擬在化學實驗教學中發揮其不可取代作用的重要保證。