现代教育技术的发展,使班主任组织教学活动的手段更丰富、方法更灵活、效率更高。现代教育技术中,笔记本辅助教育系统,因为代表最先进的现代教育手段,成为教育教学实践研究的新课题。
笔记本辅助教育的功能分为四种,即笔记本辅助教学、电脑管理教学、电脑模拟和笔记本智力游戏。
笔记本模拟,即借助模型来研究一个系统的行为特点,在数学教学中,可以拿来模拟实验环境,借此取代或强化传统的实验手段。
因为笔记本模拟不受空间限制,可由宏观到微观;不受时间限制,可将顿时过程减缓,可将长时过程减短。笔记本模拟可将具象内容具体化,又可从具体现象具象出其本质特点;可将动态弄成静态,利于观察物理实验模拟软件,又可将静态弄成动态,利于理解。笔记本模拟还可将输给它的信息经过逻辑推理运算,输出结果,判断输入输出的关系,因而在输入信息与输出结果之间构建某种联系。
数学学是一门以观察和实验为基础的科学,中学生对化学知识的学习,即使是一种特殊的认识活动,但仍要以观察化学现象、进行化学实验作为思维的基础。笔记本模拟刚好成为常规教学中无法观察的化学现象、难以进行的化学实验的代替者。
笔记本模拟的上述特征,是其它辅助教学手段不可比拟的,因此具有宽广的发展前景。
二、电脑模拟在数学教学中的应用笔记本模拟分为两种情况:
(一)笔记本行为模拟所谓行为模拟,是告诉中学生笔记本程序中的模型,通过运行这个程序,不断地改变参数,得到一系列输出数据,之后通过考察输入输出的关系,弄清该模型所反映出的规律或特性。
牛顿第二定理,是数学教学中的重点和难点,得出牛顿第二定理的实验在气垫导轨上进行。由光电守门员沿块运动的时间传输到光电数字计时器,我们再将数据输入到笔记本中(程序清单略),笔记本进行一系列加速率的估算,并将加速度与形成加速度的力进行比较,将加速度与滑块质量进行比较,得到加速度与力、加速度与质量的关系,构建牛顿第二定理。中学生观察实验过程和实验现象,接受笔记本行为模拟的结果,免去繁杂的手估算过程,即节约了时间,提升了课堂效率,又突出加大了对牛顿第二定理的理解和记忆。注意,教学中要采用大屏幕监示器,将笔记本处理结果清晰地呈现给中学生,发挥笔记本的优点。下列各笔记本应用过程也要注意这一点。
互成角度共点力合成的平行四边形法则,讲授时,由班主任作二力合成的投影演示实验。小弹簧秤底板用有机玻璃制成,分别用一个小弹簧秤和两个小弹簧秤将橡皮条均拉到O点,如图(一)、图(二)所示。中学生从投影屏上,读出图(一)
弹簧秤上所示合力的数值,之后读出图(二)弹簧秤上两个分力的数值,并通过固定于投影仪打印在胶卷上的量角器,读出二分力与水平线倾角值,将那些数据输入到笔记本中(程序清单略),由笔记本进行高分辨画图。
由不同组实验数据,笔记本在显示屏上先画出表示合力(F),两个分力(F1,F2)的有向线段,之后以表示两个分力的有向线段为邻边,做出平行四边形,并做出二分力所夹的对角线,将此对角线与表示合力的有向线段进行比较,如图(三)、图(四)所示笔记本运行结果,平行四边形的对角线与表示合力的有向线段吻合得挺好。从教学实践看,绝大多数结果都很确切,因而科学、可信地构建两个共点力合成的平行四边形法则。
倘若形成碰巧操作偏差,如图(五)所示,可找出偏差缘由,将实验重新进行。
笔记本画图的精确性,降低了画图偏差,使中学生更好地接受实验结果。笔记本画图,节约了时间,班主任在课上可作多组演示实验,既丰富了中学生感性认识,又突出了构建平行四边形法则的归纳法。注意,笔记本画图很精确,实验设计也较科学,这就要求确切操作,确切读取数据,以得到正确的结果。
像斜抛运动,单摆的震动规律,光的折射定理等都可以将实验与笔记本行为模拟结合真情行为进行教学。
(二)笔记本模型化模拟
所谓模型化模拟,是由笔记本按照程序中的模型输出一组表示系统行为的数据或图像,让中学生通过观察和剖析那些数据或图像,找出它们之间的关系,构建系统的模拟。
如开普勒三个定理数学图景的模拟程序清单(略)。首先,模拟的行星围绕太阳运动,但看不出规律,中学生形成困扰,如图(六)。之后键控,使行星在运动的同时显示自己的运动轨迹,如图(七),行星的运行轨迹──椭圆便清楚地显示下来,不用解释,中学生了然于胸。之后再画上座标系,太阳呈现在椭圆轨道的一个焦点上,如图(八)所示。这样,清楚、明白地总结出开普勒第一定理。
开普勒第二定理如图(九),除显示出“相等时间,行星与太阳的联线扫过相等的面积”外,行星的运动速率也是真实的模拟、即“近地点运动的快,远地点运动的慢”。
开普勒三定理是由大量的观测数据总结下来的,我们借助笔记本的模型化模拟,呈现给中学生生动的图像,中学生很容易理解和接受。
模型化模拟可细分成下边几种:
1.突破空间界限的模拟:数学学的发展,大到宇宙天体,小到基本粒子。而这么宏观与微观在常规化学实验教学中都无法重现,中学生则无法构建起相应的数学假象。我们通过笔记本模型化模拟,为中学生提供感性认识。如开普勒三定理的数学图景的模拟、卫星发射原理的模拟、卢瑟福a粒子散射实验的示意模拟、核裂变的模拟、光电效应的模拟等。
2.突破时间界限的模拟:有的化学实验用时较长,实验教学中费时较多,无法进行,如观察沸腾现象的实验;有的化学实验现象突显时间很短,中学生无法观察清楚,如牛顿管中自由落体运动实验。我们用模型化模拟,控制实验现象展示的时间。
3.实验动、静结合的模拟:静电感应现象、导线中电子由无规则热运动到电场作用下的定向联通过程、电容的充放电过程等,构建化学图景的动态模拟,并用键控程序将动态过程定格──展示化学过程的节点。
4.实现具象与具体互相转化的模拟:将具象的化学过程经过笔记本模拟而具体化,如磁化过程的模拟、电磁振荡现象的模拟、电磁波传播过程的模拟演示等。将具体的化学过程,除去非本质的假象,直接将数学问题的本质具象下来物理实验模拟软件,如楞次定理教学实验,直接模拟外磁场、感应磁场、感应电流,研究它们的关系。
三、电脑出拟与化学实验教学的有机结合
所谓有机结合,即处理好笔记本模拟与化学实验、电脑模拟与其它教学手段、电脑模拟与班主任讲授之间的关系。
(一)笔记本模拟不能淡化化学实验。化学实验是中学生获得数学知识最直接的手段、最真实的经验和最好的感性材料。笔记本模拟只能逼真,而不可能真实,不能企图用笔记本模拟去替代化学实验。
实验教学中无法进行、效果不好,需用笔记本模拟的实验,要将真实的实验呈现给中学生,再进行笔记本模拟,将笔记本模拟与化学实验结合上去。
难以进行的实验,要讲清实验环境、实验条件、实验过程,再用笔记本模拟。
(二)注重其它教学手段的运用
化学实验教学,不言自明,化学实验为其根本,我们必须强化实验研究。在教学实践中设计更合理的实验过程,改进和制做化学实验仪器,结合科学技术的发展,采用更先进的实验手段。但是笔记本模拟有其局限,如声学实验,演示噪声、乐音及其波形,除示波器外,我们要用录音机;学习天体运动,我们用录象机和电视机,这是笔记本模拟不能达到的。有的模拟用投影、幻灯就可简约而形象地进行,也毋须费时、费力去进行笔记本模拟。
(三)充分发挥班主任的主导作用任何教学手段,都须要班主任去安排使用、去组织教学,笔记本模拟手段也不能例外。是否用笔记本模拟,哪些时机、哪些环节进行笔记本模拟,都要由班主任决定。并且这些决定要挺好地推动中学生所学知识的正向迁移。
四、电脑模拟于化学实验教学所需环境
(一)笔记本模拟软件的编制
笔记本模拟手段的引入,对化学班主任提出了更高要求,既要深入钻研教材,又要具有编制软件的能力。对专业人员编制的软件,化学班主任要有改建和使用能力。同时,须要专业人员和化学班主任针对化学实验的空白和薄弱之处,编制出着力可行的软件。这是笔记本模拟于化学实验教学的关键。
(二)化学实验室的构成
如今好多笔记本应用于化学教学的尝试在估算机房进行,而估算机房与化学实验室的设置是完全不同的。所以要构建新概念的数学实验室,即化学实验室除常规的设置外,要配备计算机主机和2—4个大屏幕终端显示器。这是笔记本模拟在化学实验教学中发挥其不可取代作用的重要保证。