信息技术与自制教具

                  上海市中小学数字化实验系统研发中心 冯容士 陈开云

一、信息技术与课程改革
    当今的知识经济时代，网络、计算机等现代信息技术渗透到人类社会各个角落：生活起居、工作学习、通讯娱乐、国防科技、工农业生产，无所不在。
    信息技术的发展，对人才培养的需求发生了改变，从而促使教育产生深刻的改革，随之而来的课程内容、课程结构、呈现方式均发生巨大的变化。
    《上海市面向21世纪中小学新课程方案和各学科教育改革行动纲领》强调了实验教学的“七大功能”，并明确指出：
    “积极探索多媒体计算机与物理实验的结合，实现对物理实验的实时控制及对实验数据的自动化采集和处理，以更好地发挥实验教学功能”。 
    《上海市中学物理课程标准》关于“课程理念”中指出：物理课程必须与信息技术整合，构筑信息技术平台，建立数字化信息系统（Digital  Information  System，简称DIS）实验室；充分运用教学软件和计算机网络，实现信息共享和互动交流，增强在信息化环境下自主学习的意识和能力。
    《课程标准》关于“教材编写”中指出：物理教材要适应信息时代的变革，整合物理教学与信息技术，及时构建信息平台。在实验教学中，除了用传统的手段和方法采集、处理实验数据外，还要采用新的数字化实验技术，如DIS等，拓展学生进行实验探究的时空。
    《课程标准》关于“教学过程”中指出：充分运用信息技术，培养学生信息意识，提高学生信息获取、处理和信息应用的能力，以适应学生在信息时代终身可持续发展的需求。在物理课堂教学中，可利用DIS显示一些无法演示的物理过程，实时采集、处理数据，迅速得出结论。
    上海市教委教研室徐淀芳主任指出：按照《课程标准》要求编写教材并设计新实验；按照新实验要求研发新仪器；用新仪器来做教材中的新实验。
这里的“DIS实验”、“新实验”、“新仪器”，实际就是采用信息技术的自制教具。
    二、信息技术与自制教具
    “信息技术”是时下热门的名词，它包括：
传感技术——信息识别、信息提取、信息检测。
通信技术——实现信息的快速、可靠、安全的转移。
计算机技术——对信息进行编码、压缩、加密、存储。
控制技术——信息的显示和依据信息对外进行控制。
    下面，就信息技术与自制教具的课题来源和材料取舍作一简述：
    (一)课题来源
    随着教材的变化，教学内容、教学要求都随之发生改变，而教具也必须适应这种变化（DIS正是适应这一需求而研发的产品）。
    这些新的教学内容缺乏配套的实验仪器和器材，而这正是自制教具的用武之地。例如：高中物理教材中的“逻辑电路”，由于缺乏相应的实验器材，这部分内容往往只能口头讲解，学生很难从枯燥的逻辑概念中了解这部分知识。我们正是根据教材的需求，自行研制了自制教具“逻辑电路实验器”，弥补了这个空白。学生通过分组实验，在实际操作中真切体会到逻辑电路的奥妙。以后又根据需求，增添了逻辑状态图线显示功能，利用计算机可以很方便地进行逻辑电路的教学。
    教学交流课是自制教具的最大推动力。教师针对教学内容、教学方法、学习方法的要求，时常需要设计一些个性化的教具。例如：“变力做功的动能定理”这一教具，当初就是根据教师开设研究课的需求，特意研制并配置了专用的教学软件。这些教具经不断完善，逐步发展成为正式的产品。
    一线教师根据教学要求点题，中心发挥资源优势为其量身定制，这不仅满足了实验教学的实际需求，也为DIS实验的更新和发展提供了强大的动力。
    (二)材料取舍
    自制教具的作者大多是教学一线的教师和实验员，教学的需求产生了自制教具。而最初的“作品”往往简陋，但正是这些简陋之作，弥补了仪器的不足，解决了教学的难点，也孕育了新仪器的诞生。任何产品都是从简陋的“自制”开始，而这些优秀自制教具也都是从“坛坛罐罐”中一路走来。
    随着科学技术的发展，新材料、新器件不断涌现，让我们身边多了不少高科技含量的物品和材料。利用这些现代的“坛坛罐罐”，可以让自制教具的技术含量大为改观。如：最近几届全国自制教具评选活动中，应用传感器、集成电路、激光器、钕磁铁、LED等器材的作品层出不穷。
    上海市民立中学的张溶菁老师利用数字化实验器材对传统实验进行改造，让自制教具给人以耳目一新的感受。
    例如：“瓶口吞鸡蛋”是大气压的经典实验。张老师在容器上连接一个压强传感器，监测瓶内气体压强。瓶体加热后，瓶口放置去壳的鸡蛋。随着瓶体温度下降，瓶内气压降低，鸡蛋逐渐被“吞入”瓶内。在鸡蛋进入瓶内的过程中，计算机屏幕上同步显示瓶内气体压强的变化。生动的吞蛋实验过程和压强变化直接关联，让学生的思维活动得到提高。
    利用身边器材自制教具是我们的好传统。但如何测量和显示这些物理量，往往成了难题。有很多教具需要进行难度较大的物理量测量或显示，于是将大量精力和复杂的装置用在这类测量和显示上。然而引入计算机技术和传感器技术后，这些问题将迎刃而解。在自制教具活动中引入传感器和单片机，可以取得良好的效果。同时，对于培养学生的科学素养具有积极的意义。传感器和单片机并不神秘，可以从最简单的热敏电阻、光敏电阻、三极管、555集成电路等做起，逐步向深度发展。
    三、信息技术与自制教具整合的策略和技法
    (一)傻瓜策略
    “傻瓜”一词始于傻瓜照相机。现在“傻瓜”已成为最深入人心的观念之一。它的魅力在于不用学习或经过简单的学习，就能熟练享用现代科技。
    A、B、C……人群，当人群A发明某一“傻瓜”，其他人群可利用该“傻瓜”来研究自己的“傻瓜”。时代就在“傻瓜”＋“傻瓜”中得到发展。
    DIS的研发除了在硬件和配套器材中应用傻瓜策略外，更重视软件设计方面的研究。在DIS的推广实施中，为了降低坡度，在软件设计中实施“一键OK”的傻瓜策略，用户只要点击界面上的按钮，就可以进行相应的操作。事实证明，这一策略是成功的，为普及DIS打下了坚实的基础。
    (二)模块组合法
    信息技术不断发展的今天，电路正步入微型化。为了加快创新成果的实施，人们把复杂的芯片系统划分为相对独立、功能单一的小单元，这种小单元就是人们常说的“模块”。
    除专业人员外，人们不必了解模块内部的电路结构，只需知道各模块的功能，以及模块间的相互联系，就能组合成无数创新的产品。
“模块”的概念已经充满了各行各业，“模块组合”的理念也得到越来越多的应用。
    教材中的“模块组合机器人”、“逻辑电路实验器”等自制教具，都是应用“模块组合法”的成果。这些教具不仅可以通过不同的组合，构成多种功能，更重要的是，通过这些实验，向学生传递“模块”和“组合”这样一些理念，以适应信息社会大大小小的“模块”和各种各样的“组合”。
    自制教具的设计策略和创造技法多种多样。冯容士老师撰写的《物理实验创造技法和实验研究》一书，详细描述了其中的一些技法，如：
.缺点列举技法
.逆向技法
.强化技法
.模拟技法
.组合技法
.比较技法
.需求技法
.替代技法
 ……
    作者在书中讲述的，不仅是具体的实验，更是一系列思维方法。通过物理实验创造技法的运用，进一步开展DIS实验教学的研究。
    只要时代在进步，自制教具是永恒的主题。而当前信息技术与自制教具的有机结合，将会极大推动自制教具活动的广泛开展。