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信息技术在科学教学中的应用，已经从过去单一的“计算机辅助教学”转变为当前的“信息技术与课程的整合”。这种转变的重要标志，是信息技术从单纯的媒体演示工具转变为教师教学活动的体现者和学生学习的工具。加上各种支持学生之间、师生之间交换信息和讨论的工具，信息技术应用的意义已远远超出了媒体的概念，成为教学中必不可少的要素之一，从而引起教学结构的转变。
以物理课程为例。物理学有三个层次：第一个层次是实验，就是收集数据；第二个层次是对实验收集到的数据进行归纳总结，得出唯象理论；第三个层次是寻找唯象理论背后的根本规律，即所谓理论物理。信息技术与物理课程整合，首先就是要将三个层次中事实性、过程性、概念性、原理性的内容数字化，其次是要将数字化的各个部分内容的呈现、储存及传播形成具有明确内在关系的集合，成为一体化。
随着新技术的不断涌现和快速发展，目前将信息技术应用于物理教学中的途径有各种各样，不同的应用对于硬件设备的要求也不尽相同，在此仅就笔者实践过的几种途径及其相应的实施环境作一简单的介绍。
一、MCAI教学软件
MCAI的全称为Multimedia Computer AssistitedInstruction。所谓多媒体是指文字、声音、图形、动画、视频等多种信息的组合，在一定的平台上建立起逻辑关系，从而集合成一个具有交互性的系统。一般而言，MCAI课件分为助教和助学型两种，目前也有很多的课件开始注重两种类型的结合。
1 MCAI在教学中应用的意义
就物理课程而言，在教学中使用MCAI课件的价值，一般体现在以下几个方面：
(1)将复杂问题层次化。物理学的概念、定理定律的讲授往往需要把所涉及到的内容划分为多个步骤，依照逻辑关系进行讲解，将复杂问题层次化，这样不仅减少了难点，而且易于理解掌握。MCAI通过控制图文显示的时间与次序，窗口视口切换等功能，可以达到控制教学过程，掌握教学节奏的目的，便于施行层次化教学。
(2)变静态为动态。教科书中有许多静态图形，用于表示某种形式与关系，其中往往隐含着运动变化的因素。通过MCAI课件，可以揭示静态图形的丰富内涵，使其动态化、形象化，从而更深刻地挖掘出问题的本质。
(3)仿真与模拟。在物理学科的教学中，实验教学是一项重要的环节。对于一些难以完成的实验，一些有害的、昂贵的、耗费时间的实验，以及在课堂中无法做到的实验等等，可以通过MCAI课件进行仿真和模拟。
2，当前存在的主要问题
就国内应用整体而言，硬件的发展还是比较快的，但教学软件的建设，无论在规模上还是质量上，都远未能满足教学的实际需要，其主要体现在以下几个方面：
(1)虽然市场上已经有一定数量的教学软件，但由于教学本身是一种个性化非常强的活动，具有普适性而适用于实际教学的软件并不多。大多实际使用的课件，往往是教师自行制作的电子教案(PPT)，虽然具有信息量大，效率高，易于修改，便于交流等特点，但其实质上还算不上教学软件，未能充分发挥信息技术的最佳优势。
(2)尽管部分教师可以自行开发教学软件，但需要花费很多的时间和精力，且个人开发出的课件很难兼具系统性和普适性，使之仅仅适用于教学中的评比、检查、观摩、学习等装点门面的场合，而未能在一线教学中形成系统普遍地应用。
(3)近年来大部分新出版的面向21世纪教材，均配有电子版教案(PPT格式)，这些教案制作精美，媒体资源丰富，且与教材完全配套，确实为教师节省了大量时间。但却存在一个共同的问题，就是太过单纯追求直观和生动，忽略了作为主体存在的学生的主动性。更重要的是，由于单线程的线性教学设计，使教师深受定型情节的课件限制，缺少了课堂教学中最为精彩的“即兴发挥”。
3 基于积件思想的多媒体课堂辅助教学资料库
积件是一种思想，是针对课件的局限性而发展起来的一种新的教学软件开发和应用模式。积件的过程，对课堂教学来说，就是教师根据教学的实际需求，面对不同的教学对象，针对某一教学阶段和教学目标，充分利用教学素材，结合教学策略，制作出千变万化的有效课件，从而彻底改变教学软件在设计、开发和使用上的局限性。
笔者基于“积件库”的思想，为满足不同教师教学个性化的需求，设计并制作了“新概念物理多媒体课堂辅助教学资料库”的光盘。其具有如下几个特点：
(1)仓储式结构。与其同类课件最大的不同在于，它不是以封闭固定的课件形式出现，而是采用仓储式小基元结构，能够让使用的教师方便地进行教学内容的重组。将有关的知识点分割为许多的小基元，每个小基元有一个编号，对应一个独立的执行文件，可以方便地与教师的PPT电子教案进行超级连接。小基元的标志性图片全部来源于教材中，便于教师辨认选取。
(2)非线性控制。每个小基元的设计采用了“非线性多步骤控制”，内容呈现是分步骤的，可以根据需要在讲解的顺序上作出调整，既可反复强调某些步骤，也可简单掠过。因而适合于物理教学的层次性，更有助于教学中教师分析问题时对节奏的掌握，还能够最大程度上满足教师教学个性化的需求。
需要注意的是，小基元中分步骤控制是为了便于讲课节奏的掌握，因此课件中的“停顿”非常重要。而在停顿之后，引出停顿后的画面时教师的讲解应有“提前量”，这样课程实施起来才会给人一种“平滑连接”的感觉，而不是生硬地“拼凑”。
对一些“简单”的演示画面，其实课件的重点不在于形象化的演示，其效果更多地取决于教师此时的“讲解”，课件的主要作用是为教师节省时间和提高教学效率。因此，教师在备课期间需要对自己在相关画面时的讲解内容作精心的准备。
与实验相关的内容，课件的主要作用是用于真实实验之后的“辅助分析”，而不是完全取代真实的实验。课件的作用可以是真实演示实验之前帮助做仪器结构的讲解，也可以是真实演示实验之后用作引导分析及对实验过程的“放大”。
(3)与教材形成一体化。资料库中全部小基元都紧扣“依新概念物理教程书本教材而设计”的原创，课件在与原教材结合使用时将能发挥最大功效，通过这种教材与教学软件内在有机地互补，不仅拓展了教材作为教学媒介的形式，更使得多媒体形式的立体化教材变成了真正意义上的一体化教材。
多媒体资料库是一种拓展的教学媒介和教学工具，也是学生的学习媒介和学习工具。因此，对教学软件的评价主要是“好用不好用”，而对使用软件的教师的评价则是“用得好不好”。
二、基于数据采集器的计算机辅助实验教学
将计算机应用于基础物理实验教学中，可以大大提升实验的档次。目前比较流行的做法是，通过数据采集装置(Data Logger)，对实验中要测量并且是随时间变化 的量进行实时数据采集，再由计算机对采集到的数据进行处理，以图表的形式输出，可以非常直观而且准确地给出测量量随时间的变化关系(或各变量之间的关系)。这类计算机辅助实验的主要优势在于：
一方面，由于采样速率足够高(可以高达每秒钟数十万次)，因而可以详细记录到一些普通设备无法记录到的现象，尤其适合于一些在瞬间完成的实验现象的量化分析。例如一个小磁铁以自由落体的形式穿过一个螺线管而产生的一个瞬间的感应电动势随时间变化的关系；又如气垫导轨上两辆小车对碰瞬间作用力随时间变化曲线等等。
另一方面，由于计算机可以有定时记录的功能，所以也适合于一些需要长时间记录数据的实验。例如观测空气中尘埃密度随时间的变化规律等。
目前国内外都有专门的厂家生产各类数据采集器，进行数据采样的传感器也包括各种类型(如力、声、热、电、光甚至PH值和颗粒浓度等)。通过对不同传感器的灵活运用，还可以由学生自行设计出各类不同的实验，所以这类实验也正在成为国内外基础物理课程中进行研究性学习的主要手段之一。
数据采集器在物理实验教学中的应用研究，目前主要有三个层次：第一个层次是实验设计。即利用数据采集器的优势，对传统实验进行改造或开发新的实验，尽量提升量化研究的空间。第二个层次是开发新的技术。例如笔者开发出了视频与数据采集同步技术‘“，可以将实验过程所拍摄的视频，与实验中实时采集到的数据同步展示，配以原理的分析制作成教学软件，从而将实验与课堂教学有机地整合。第三个层次是结合学习心理学，对数据采集器在教学中的应用效果进行实证研究。
三、CCD辅助演示实验
CCD的英文全称是Charge Coupled Device，(简称电荷耦合器件)，是一种将光信号转变成为电信号的摄像装置，通过CCD及视频转换设备，可以将拍摄到的图像或视频信号用电脑记录，然后通过课室里的大屏幕投影再以适当的播放速度重现给学生。使用这类设备的主要特点是，利用CCD高速摄像头(每秒60帧以上)，配合计算机高速处理信息的特长，对某些肉眼不易观察的现象进行跟踪拍摄和演示。例如一滴水滴在做近似自由落体时会是什么形状呢?这个问题不能靠想象、也不能靠虚假的CAI课件来模拟，如果想实际观察，则由于下落速度太快，课堂上根本不可能看得清楚。这时利用CCD设备就可以很好地解决这个问题。
四、虚拟现实技术的应用
所谓“虚拟现实”(Virtual Reality,简称VR)，实际上就是由多媒体技术与仿真技术相结合而生成的一种交互式人工世界，它可以使人产生一种身临其境的近乎完全真实的感觉。一般而言，要进入虚拟现实的环境，使用者需要戴上一个特殊的头盔(Head Mounted Display)，以便看到并感觉到计算机所生成的整个人工世界，同时还需要戴上一副数据手套，以便能操作虚拟世界中的各种对像。由于这些设备通常都是非常昂贵的，因而难于普级。
近年来随着新虚拟现实技术的出现，上述情况有所改变。这种技术无须利用头盔和数据手套这类硬件来产生幻觉，而是使用360度立体全景摄影技术所拍摄的高质量图像来生成逼真的虚拟情景，从而使得用户可以在普通微机上通过鼠标和键盘真实地感受到和VR技术中一样的虚拟情景。此外，由于采用了先进的图像压缩算法，在新虚拟现实系统中，用来表征某个虚拟场景的360度高质量全景照片的存储容量非常小，因而还适用于网络教学中。
例如，笔者成功将三种新虚拟现实技术应用于物理教学中，分别采用360度旋转体技术(Spin PhotoObject)，用作实验仪器的展示；采用360度全景技术(SpinPanorama)，用作实验室环境的展示：采用VRML技术，制作出了三维虚拟现实分子模型软件。
新虚拟现实技术的重要意义在于，它开创了多媒体技术与仿真技术相结合的新途径，为虚拟现实技术的大众化铺平了道路。使之有可能以优质价廉的全新面貌逐步普及到各个教育领域，以至进入中小学课堂。
五、虚拟仪器的应用
虚拟仪器就是利用现有的计算机配上相应的硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。这种技术实质上是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能，其具有如下特点。
(1)将信号的分析、显示、保存、打印和其他管理集中交由计算机处理。
(2)强调“软件就是仪器”的新概念。
(3)仪器由用户自己定义，系统的功能、规模等均可通过软件修改，可方便地同外设、网络及其他应用连接。
(4)用户可以将仪器的设计、使用和管理统一到虚拟仪器标准。
(5)在同一台微机上可以虚拟出数十种仪器来，节省办学资金，提高设备使用率。
目前开发虚拟仪器最广泛使用的是美国NI(National Instrtmlents)公司开发的LabView软件。
六、计算软件的应用
计算物理是物理学研究的分支之一，多年来主要用于科研。随着各类计算软件功能的不断强大，其应用于物理教学中的研究也逐渐得到广泛的关注，主要集中在建模与仿真、数据可视化处理等。目前的教学应用分为两个方面：一方面用于教学课件的制作，通过对复杂方程的数字化求解，可以将抽象的问题几何化，再通过各种课件制作软件的接口技术，提升物理教学课件的科学层次。另一方面是选择适当的计算软件，让学生作为一种工具掌握之后，自行应用于解决某些复杂的物理问题，从而促进学生自主的学习和研究。
以物理课程为例。物理学有三个层次：第一个层次是实验，就是收集数据；第二个层次是对实验收集到的数据进行归纳总结，得出唯象理论；第三个层次是寻找唯象理论背后的根本规律，即所谓理论物理。信息技术与物理课程整合，首先就是要将三个层次中事实性、过程性、概念性、原理性的内容数字化，其次是要将数字化的各个部分内容的呈现、储存及传播形成具有明确内在关系的集合，成为一体化。
随着新技术的不断涌现和快速发展，目前将信息技术应用于物理教学中的途径有各种各样，不同的应用对于硬件设备的要求也不尽相同，在此仅就笔者实践过的几种途径及其相应的实施环境作一简单的介绍。
一、MCAI教学软件
MCAI的全称为Multimedia Computer AssistitedInstruction。所谓多媒体是指文字、声音、图形、动画、视频等多种信息的组合，在一定的平台上建立起逻辑关系，从而集合成一个具有交互性的系统。一般而言，MCAI课件分为助教和助学型两种，目前也有很多的课件开始注重两种类型的结合。
1 MCAI在教学中应用的意义
就物理课程而言，在教学中使用MCAI课件的价值，一般体现在以下几个方面：
(1)将复杂问题层次化。物理学的概念、定理定律的讲授往往需要把所涉及到的内容划分为多个步骤，依照逻辑关系进行讲解，将复杂问题层次化，这样不仅减少了难点，而且易于理解掌握。MCAI通过控制图文显示的时间与次序，窗口视口切换等功能，可以达到控制教学过程，掌握教学节奏的目的，便于施行层次化教学。
(2)变静态为动态。教科书中有许多静态图形，用于表示某种形式与关系，其中往往隐含着运动变化的因素。通过MCAI课件，可以揭示静态图形的丰富内涵，使其动态化、形象化，从而更深刻地挖掘出问题的本质。
(3)仿真与模拟。在物理学科的教学中，实验教学是一项重要的环节。对于一些难以完成的实验，一些有害的、昂贵的、耗费时间的实验，以及在课堂中无法做到的实验等等，可以通过MCAI课件进行仿真和模拟。
2，当前存在的主要问题
就国内应用整体而言，硬件的发展还是比较快的，但教学软件的建设，无论在规模上还是质量上，都远未能满足教学的实际需要，其主要体现在以下几个方面：
(1)虽然市场上已经有一定数量的教学软件，但由于教学本身是一种个性化非常强的活动，具有普适性而适用于实际教学的软件并不多。大多实际使用的课件，往往是教师自行制作的电子教案(PPT)，虽然具有信息量大，效率高，易于修改，便于交流等特点，但其实质上还算不上教学软件，未能充分发挥信息技术的最佳优势。
(2)尽管部分教师可以自行开发教学软件，但需要花费很多的时间和精力，且个人开发出的课件很难兼具系统性和普适性，使之仅仅适用于教学中的评比、检查、观摩、学习等装点门面的场合，而未能在一线教学中形成系统普遍地应用。
(3)近年来大部分新出版的面向21世纪教材，均配有电子版教案(PPT格式)，这些教案制作精美，媒体资源丰富，且与教材完全配套，确实为教师节省了大量时间。但却存在一个共同的问题，就是太过单纯追求直观和生动，忽略了作为主体存在的学生的主动性。更重要的是，由于单线程的线性教学设计，使教师深受定型情节的课件限制，缺少了课堂教学中最为精彩的“即兴发挥”。
3 基于积件思想的多媒体课堂辅助教学资料库
积件是一种思想，是针对课件的局限性而发展起来的一种新的教学软件开发和应用模式。积件的过程，对课堂教学来说，就是教师根据教学的实际需求，面对不同的教学对象，针对某一教学阶段和教学目标，充分利用教学素材，结合教学策略，制作出千变万化的有效课件，从而彻底改变教学软件在设计、开发和使用上的局限性。
笔者基于“积件库”的思想，为满足不同教师教学个性化的需求，设计并制作了“新概念物理多媒体课堂辅助教学资料库”的光盘。其具有如下几个特点：
(1)仓储式结构。与其同类课件最大的不同在于，它不是以封闭固定的课件形式出现，而是采用仓储式小基元结构，能够让使用的教师方便地进行教学内容的重组。将有关的知识点分割为许多的小基元，每个小基元有一个编号，对应一个独立的执行文件，可以方便地与教师的PPT电子教案进行超级连接。小基元的标志性图片全部来源于教材中，便于教师辨认选取。
(2)非线性控制。每个小基元的设计采用了“非线性多步骤控制”，内容呈现是分步骤的，可以根据需要在讲解的顺序上作出调整，既可反复强调某些步骤，也可简单掠过。因而适合于物理教学的层次性，更有助于教学中教师分析问题时对节奏的掌握，还能够最大程度上满足教师教学个性化的需求。
需要注意的是，小基元中分步骤控制是为了便于讲课节奏的掌握，因此课件中的“停顿”非常重要。而在停顿之后，引出停顿后的画面时教师的讲解应有“提前量”，这样课程实施起来才会给人一种“平滑连接”的感觉，而不是生硬地“拼凑”。
对一些“简单”的演示画面，其实课件的重点不在于形象化的演示，其效果更多地取决于教师此时的“讲解”，课件的主要作用是为教师节省时间和提高教学效率。因此，教师在备课期间需要对自己在相关画面时的讲解内容作精心的准备。
与实验相关的内容，课件的主要作用是用于真实实验之后的“辅助分析”，而不是完全取代真实的实验。课件的作用可以是真实演示实验之前帮助做仪器结构的讲解，也可以是真实演示实验之后用作引导分析及对实验过程的“放大”。
(3)与教材形成一体化。资料库中全部小基元都紧扣“依新概念物理教程书本教材而设计”的原创，课件在与原教材结合使用时将能发挥最大功效，通过这种教材与教学软件内在有机地互补，不仅拓展了教材作为教学媒介的形式，更使得多媒体形式的立体化教材变成了真正意义上的一体化教材。
多媒体资料库是一种拓展的教学媒介和教学工具，也是学生的学习媒介和学习工具。因此，对教学软件的评价主要是“好用不好用”，而对使用软件的教师的评价则是“用得好不好”。
二、基于数据采集器的计算机辅助实验教学
将计算机应用于基础物理实验教学中，可以大大提升实验的档次。目前比较流行的做法是，通过数据采集装置(Data Logger)，对实验中要测量并且是随时间变化 的量进行实时数据采集，再由计算机对采集到的数据进行处理，以图表的形式输出，可以非常直观而且准确地给出测量量随时间的变化关系(或各变量之间的关系)。这类计算机辅助实验的主要优势在于：
一方面，由于采样速率足够高(可以高达每秒钟数十万次)，因而可以详细记录到一些普通设备无法记录到的现象，尤其适合于一些在瞬间完成的实验现象的量化分析。例如一个小磁铁以自由落体的形式穿过一个螺线管而产生的一个瞬间的感应电动势随时间变化的关系；又如气垫导轨上两辆小车对碰瞬间作用力随时间变化曲线等等。
另一方面，由于计算机可以有定时记录的功能，所以也适合于一些需要长时间记录数据的实验。例如观测空气中尘埃密度随时间的变化规律等。
目前国内外都有专门的厂家生产各类数据采集器，进行数据采样的传感器也包括各种类型(如力、声、热、电、光甚至PH值和颗粒浓度等)。通过对不同传感器的灵活运用，还可以由学生自行设计出各类不同的实验，所以这类实验也正在成为国内外基础物理课程中进行研究性学习的主要手段之一。
数据采集器在物理实验教学中的应用研究，目前主要有三个层次：第一个层次是实验设计。即利用数据采集器的优势，对传统实验进行改造或开发新的实验，尽量提升量化研究的空间。第二个层次是开发新的技术。例如笔者开发出了视频与数据采集同步技术‘“，可以将实验过程所拍摄的视频，与实验中实时采集到的数据同步展示，配以原理的分析制作成教学软件，从而将实验与课堂教学有机地整合。第三个层次是结合学习心理学，对数据采集器在教学中的应用效果进行实证研究。
三、CCD辅助演示实验
CCD的英文全称是Charge Coupled Device，(简称电荷耦合器件)，是一种将光信号转变成为电信号的摄像装置，通过CCD及视频转换设备，可以将拍摄到的图像或视频信号用电脑记录，然后通过课室里的大屏幕投影再以适当的播放速度重现给学生。使用这类设备的主要特点是，利用CCD高速摄像头(每秒60帧以上)，配合计算机高速处理信息的特长，对某些肉眼不易观察的现象进行跟踪拍摄和演示。例如一滴水滴在做近似自由落体时会是什么形状呢?这个问题不能靠想象、也不能靠虚假的CAI课件来模拟，如果想实际观察，则由于下落速度太快，课堂上根本不可能看得清楚。这时利用CCD设备就可以很好地解决这个问题。
四、虚拟现实技术的应用
所谓“虚拟现实”(Virtual Reality,简称VR)，实际上就是由多媒体技术与仿真技术相结合而生成的一种交互式人工世界，它可以使人产生一种身临其境的近乎完全真实的感觉。一般而言，要进入虚拟现实的环境，使用者需要戴上一个特殊的头盔(Head Mounted Display)，以便看到并感觉到计算机所生成的整个人工世界，同时还需要戴上一副数据手套，以便能操作虚拟世界中的各种对像。由于这些设备通常都是非常昂贵的，因而难于普级。
近年来随着新虚拟现实技术的出现，上述情况有所改变。这种技术无须利用头盔和数据手套这类硬件来产生幻觉，而是使用360度立体全景摄影技术所拍摄的高质量图像来生成逼真的虚拟情景，从而使得用户可以在普通微机上通过鼠标和键盘真实地感受到和VR技术中一样的虚拟情景。此外，由于采用了先进的图像压缩算法，在新虚拟现实系统中，用来表征某个虚拟场景的360度高质量全景照片的存储容量非常小，因而还适用于网络教学中。
例如，笔者成功将三种新虚拟现实技术应用于物理教学中，分别采用360度旋转体技术(Spin PhotoObject)，用作实验仪器的展示；采用360度全景技术(SpinPanorama)，用作实验室环境的展示：采用VRML技术，制作出了三维虚拟现实分子模型软件。
新虚拟现实技术的重要意义在于，它开创了多媒体技术与仿真技术相结合的新途径，为虚拟现实技术的大众化铺平了道路。使之有可能以优质价廉的全新面貌逐步普及到各个教育领域，以至进入中小学课堂。
五、虚拟仪器的应用
虚拟仪器就是利用现有的计算机配上相应的硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。这种技术实质上是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能，其具有如下特点。
(1)将信号的分析、显示、保存、打印和其他管理集中交由计算机处理。
(2)强调“软件就是仪器”的新概念。
(3)仪器由用户自己定义，系统的功能、规模等均可通过软件修改，可方便地同外设、网络及其他应用连接。
(4)用户可以将仪器的设计、使用和管理统一到虚拟仪器标准。
(5)在同一台微机上可以虚拟出数十种仪器来，节省办学资金，提高设备使用率。
目前开发虚拟仪器最广泛使用的是美国NI(National Instrtmlents)公司开发的LabView软件。
六、计算软件的应用
计算物理是物理学研究的分支之一，多年来主要用于科研。随着各类计算软件功能的不断强大，其应用于物理教学中的研究也逐渐得到广泛的关注，主要集中在建模与仿真、数据可视化处理等。目前的教学应用分为两个方面：一方面用于教学课件的制作，通过对复杂方程的数字化求解，可以将抽象的问题几何化，再通过各种课件制作软件的接口技术，提升物理教学课件的科学层次。另一方面是选择适当的计算软件，让学生作为一种工具掌握之后，自行应用于解决某些复杂的物理问题，从而促进学生自主的学习和研究。