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1、豆丁网精品论文多媒体应用于大学理科教学的探索与实践叶兴浩 浙江大学物理系，杭州(310027) E-mail：yxhow摘要：从总结教学实践入手，对大学理科教学中利用多媒体教学手段实现教学内容的可视化和生动化、实验内容的课堂化、教学对象的主动化和教学方式的启发性作了具体的探讨。 关键词：多媒体教学；理科教学；实验；可视化；模拟中图分类号：G40-057；G43；G4200.引 言笔者自 2003 年起，在光学、物理学史、自然科学基础、竞赛物理等 多门课程中采用了多媒体辅助教学手段。在这几年的教学过程中，对多媒体教学进行了一些 探索与实践，并逐渐积累起一些适合于理科教学的经验和方法，归纳整理出下
2、述几点以供相 互探讨。1.变抽象为形象，使概念原理可视化科学理论是对客观事物本质的提炼和必然联系的揭示，因而具有高度的概括性和抽象 性。这种抽象的知识体系正是构成大学理科教材的核心。但是对于作为学习主体的学生来讲， 由于认识能力的参差不齐以及实验操作与理论教学的并不同步，理解这些抽象的知识是有一 定难度的。这个问题在高等教学普及化的今天显得尤为突出。解决这个问题，一般的做法是 采取更详尽的解释和讲解，或用板书作草图尽可能使知识点具体化、形象化。但这种做法既 费舌又麻烦，效果并不那么理想。采用多媒体教学手段可以有效地克服上述困难，简洁明了 地将抽象的科学概念、原理等转化为形象直观的可视图象，便于
3、学生更好地理解和接受。以光学中的几个概念为例。利用可视化编程软件 Visual Basic 6.0 可以将“电磁波”的 电场分量和磁场分量随时间的变化及其在空间中的传播直观地展示出来（图 1）；图 2 是一 个表现“可见光谱”的 VB 程序，画面上的七彩条带是根据各种波长与色彩的对应关系通过图 1 电磁波图 2 可见光谱一定的函数表达式反映出来的整个可见光谱。通过滚动条控件还可以将某一指定波长的色彩显示出来，图中第二条色带显示与波长 620nm 对应的是一种橙色光。对于“光强分布”这 一概念，图 3（a）中部的明暗条纹显示了夫琅和费单缝衍射产生的光强分布，左侧的轮廓 线为其相应的光强分布曲线，
4、图 3 (b) 则是用数学软件 Maple 显示的夫琅和费圆孔衍射光强 分布立体图，它们从不同的侧面给了学生形象直观的认识。(a)(b)图 3 光强分布光学中的基本原理也都可以用程序演示出来。图 4 演示的是费玛原理：两点之间光的实 际路径是使其光程为极值。画面下部反映的是两点之间光程的大小，只有在与光程极小值对 应的位置上（图中竖线处）才是实际光线的入射点，且该点与从实验中得到的折射定律的要 求完全一致。图 5 表现的是波的叠加原理：两列波相遇时，它们的位移叠加而形成新的波形， 然后又各自以原来的波形继续传播。为了突出叠加前后的效果，其中一列波采用正弦波，另 一列波可换用振幅不同的矩形波。图
5、 4 费玛原理图 5 波的叠加原理2.变静态为动态，使教学内容生动化心理学研究表明，运动或变化的事物更容易吸引人的注意1。将抽象的知识转化为形象 的画面，实现了教学处理的第一步。如果再让形象的画面动起来，将教学材料制作成科学动 画，让学生在动态的变化中认识事物的发展过程和表现结果，这样的知识就不是僵化的，而是生动的，这样的教学就不是乏味的，而是趣味盎然的。图 6 (a) 表现的是非线性科学中的“奇怪吸引子”。不仅如此，笔者更以实时运动的方 式将其漂亮的运动轨线以一定的速度逐点构画出来，让学生观察了整个画面的生成过程，极 大地激发了学习的兴趣。图 6 (b) 是不构画运动轨线，只显示两个粒子在确
6、定的数学关系支 配下却表现出极其复杂无规但又限制在一定区域内的实时运动，充分展示了确定性与非确定 性在奇怪吸引子上的高度统一。(a)(b)图 6 奇怪吸引子图 7 表现的是非线性科学中的无规生长模型。通过这一无规生长过程的生动展示，学生 对自然界中的诸多事物如生长的植物、玻璃上的冰花、皮蛋上美丽的“松花”、大海里的珊 瑚树、岩石上的矿物质沉积、划破天空的树根状闪电等的生成过程有了共性上的领悟和认识。图 7 无规生长模型图 8 水波干涉动画上述教学动画是通过 VB 软件实现的，需要教师具备相应的编程知识。在 Maple 软件环 境下，则只需一个语句即可实现某些教学动画的演示。图 8 是一个水波双
7、缝干涉的演示动画， 它使用的语句是：with(plots):animate3d(10*cos(Pi/3*t-sqrt(x2+y2)/2+Pi/2)+10*cos(Pi/3*t-sq rt(x-90)2+y2)/2),x=-30.120,y=-20.280,t=0.6,numpoints=1000,frames=50);3.变讲解为演示，使实验现象进课堂大学理科教学中普遍存在的一个问题是理论与实验的脱节。这是因为理论课上往往不做 任何演示实验，而实验课又与理论课不同步，很多情况下实验操作大大滞后于理论讲授。这 无疑给教师讲解和学生理解带来诸多的不便和困难。利用 VB 等可视化程序软件将实验现象
8、在课堂上清晰地展示出来，化教师费尽口舌的讲解为屏幕上一目了然的演示，方便、经济、 有效地解决了理论与实验的脱节问题。图 9、图 10 为做在同一个程序里可以相互比较的迈克尔逊干涉仪干涉花样和法布里- 珀罗干涉仪干涉花样。可以看出，法布里-珀罗干涉仪产生更细锐的干涉条纹，精密度更高。图 9 迈克尔逊干涉仪干涉花样图 10 法布里-珀罗干涉仪干涉花样图 11 演示的是圆孔的夫琅和费衍射花样，其中心亮斑即为“艾里斑”。图 12 为一个 二维光栅的夫琅和费衍射花样，其细节被展现得淋漓尽致。图 11 圆孔夫琅和费衍射图图 12 二维光栅夫琅和费衍射图4.变灌输为演练，使教学对象更主动大学理科教学的另一个
9、普遍问题是教师的单纯灌输与学生的被动接受。时间一长，学生 便养成了只听不练、不愿动手动脑的坏习气，完全丧失了作为学习主体的主动性。然而，科学的真正内涵包括两个方面：一方面，科学是一种知识的体系；另一方面，科学又是获取知识、创造知识的一种活动、一个过程2。如果没有知识探索上的积极参与，那么就谈不上培 养有创造性的人才，而且那样得到的知识也是极其肤浅和不扎实的。利用多媒体教学手段， 模拟一些实验操作和演算，让学生在课堂上做一些计算机辅助的训练题，可以很好地调动其 学习主动性，在一定程度上改变单纯接受的被动局面。图 13 牛顿环实验图 14 作薄透镜光路图图 13 是笔者设计的一个牛顿环实验演练题。
10、教师输入所用的单色光波长如 600nm 及平凸透镜的曲率半径如 R=5000mm（隐藏为*）后屏幕上便形成相应的牛顿环花样。学 生由刻度尺读出其中间距为 N 个条纹的两个环形条纹的直径值 D2 和 D1，利用公式 R22|D2 -D1 |/4N 即可求出该平凸透镜的曲率半径 R，点击 Answer 按钮可以查看其求解是否正确。反之，也可以用这一方法经由透镜的曲率半径求解所用光波的波长。这种模拟实验的演 练，集观察、读数、计算于一身，无论对掌握相应的理论知识及进行实际的实验操作均有莫 大的益处。图 14 是利用数学软件 Geometers Sketchpad（几何画板）设计的一个作薄透镜光路图的
11、 训练题。图中的光线可以通过隐藏按钮隐去，通过调节焦距线段 f ，可以任意改变透镜的凹 凸和焦距的大小。然后叫学生直接在上面作光路图。最后通过显示按钮校对答案。5.与板书相结合，使教学富于启发性笔者曾制作过百分之百依赖多媒体教学的电子教案，虽有诸多突出的优点，但总体效 果并不满意。其原因主要有：1）事无巨细均上屏幕，内容繁杂，重点不够突出，学生对于 眼花缭乱的屏幕内容，难以把握要点，作不好笔记；2）整屏内容一下子呈现在学生面前， 教学丧失了启发性，学生缺少了思考的过程。对于包含大量分析、推导、演算等内容的大学 理科教学来说，上述两个问题尤为突出。为改善启发性，可以将每一步分析、推导和演算逐 个
12、点击显示。但这种做法制作教案十分麻烦，且上课时教师被牵制在鼠标旁，有被教案牵着 鼻子走的感觉，既束缚了手脚，也束缚了思维，不是一种理想的解决办法。克服上述困难的一种做法是，将多媒体手段与传统的教学方式有机地结合起来，用多 媒体作生动形象的演示和演练，勾勒教材知识的核心和关联，用板书作深入细致的分析、推 导和演算，以充分发挥各自的特长，弥补彼此的不足。事实证明，这种做法真正体现了多媒 体作为教学辅助手段的本意，实现了传统与现代的最佳结合。6.结语：综上所述，多媒体手段应用于大学理科教学具有传统教学无法比拟的优点，其优势尤其 体现在对教学内容的形象生动展示、将实验内容引入课堂和发挥教学对象的能动性
13、上。但是， 多媒体手段也有它明显的不足之处。如何更多地发掘、更好地发挥多媒体教学的优势，如何 实现其与传统教学方式的完美结合，仍是一个需要广大理科教师不断探索实践、总结提高的 重要课题。参考文献1 伍棠棣,李伯黍,吴福元.心理学M.北京:人民教育出版社,1986.2 徐丕玉.现代科学技术概论M.北京:首都经济贸易大学出版社,2002.Research on and Practice in Multimedia Teaching of CollegeScienceYe XinghaoDepartment of Physics, Zhejiang University, Hangzhou (310
14、027)AbstractThrough the analysis of the teaching practice, several methods are discussed for the visualization of teaching materials and the simulation of scientific experiments, so as to motivate the students interest and to improve the teaching effect.Keywords: multimedia teaching; science teaching; experiment; visualization; simulation作者简介：叶兴浩，男，1966 年生，博士研究生，目前主要研究方向为量子光学。曾从事 光学等学科的教学工作。所教光学、自然科学基础被列入第一批“双 语”及网络教学课程建设项目，物理学史被评为多媒体教学改革优秀课程， 计算机辅助光学教学获校级教学基本功比武一等奖。
