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基于信息技術(shù)的初中物理實(shí)驗(yàn)可視化教學(xué)策略

2021-07-14 15:13任巧英
中學(xué)物理·初中 2021年6期
關(guān)鍵詞:物理實(shí)驗(yàn)可視化信息技術(shù)

摘 要:物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)能形象具體地再現(xiàn)物理概念、規(guī)律的形成和發(fā)展過程,為學(xué)生提供感性材料,強(qiáng)化學(xué)生的感知,使學(xué)生更清晰知識(shí)的來源、易于理解和應(yīng)用,從而達(dá)到發(fā)展智力、培養(yǎng)能力的目的.但是,在教學(xué)中我們常常遇到很多物理實(shí)驗(yàn)的“可視化”還不夠,嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的功效,解決這一現(xiàn)象的方法有很多.本文就此談?wù)劰P者在日常物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中,基于信息技術(shù)手段的一些解決辦法.

關(guān)鍵詞:可視化;物理實(shí)驗(yàn);信息技術(shù)

中圖分類號:G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號:1008-4134(2021)12-0055-03

物理實(shí)驗(yàn)是指在人為控制條件下利用科學(xué)儀器、設(shè)備,使物理現(xiàn)象反復(fù)再現(xiàn),從而有目的地進(jìn)行觀測研究的一種方法.它的最直接作用是為學(xué)生提供豐富的感性材料,而有些物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的視覺效果并不理想,學(xué)生很難從中獲得直觀的感受,借助多媒體信息技術(shù)手段,可以幫助我們有效地解決教學(xué)中遇到的這一困難.

1 繪聲繪影,創(chuàng)設(shè)物理實(shí)驗(yàn)情境的可視化

“興趣是最好的老師”,信息技術(shù)多媒體具有聲、圖、像、文并茂的特點(diǎn),有利于在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中創(chuàng)設(shè)一種學(xué)生喜聞樂見的情境,激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的操作興趣和求知欲,使學(xué)生在一種積極主動(dòng)的心理狀態(tài)下進(jìn)入物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí).

例如,在“測量速度”實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí),先播放與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的視頻“緩慢爬行的蝸?!薄矮C豹追捕鹿”,與學(xué)生的生活建立共同經(jīng)驗(yàn)體驗(yàn),幫助學(xué)生形成并明確研究問題,將學(xué)生的注意力集中到研究的情景上來,激發(fā)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的需要和欲望,為實(shí)驗(yàn)教學(xué)做好鋪墊.又如,在研究“機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化”實(shí)驗(yàn)中,利用多媒體讓學(xué)生聽到水流聲,感受到氣勢磅礴的長江、黃河所產(chǎn)生的巨大能量帶動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)電的情景,將大型水電站的運(yùn)轉(zhuǎn)過程形象生動(dòng)地呈現(xiàn)在學(xué)生面前,通過這樣的情境創(chuàng)設(shè)來激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的興趣.

2 動(dòng)靜結(jié)合,實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)過程的可視化

2.1 動(dòng)畫模擬,實(shí)現(xiàn)可視化

對于在課堂上無法完成的實(shí)驗(yàn),如:宏觀實(shí)驗(yàn)、微觀實(shí)驗(yàn)、理想實(shí)驗(yàn)、物理過程復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)、存在很大安全隱患的實(shí)驗(yàn)等,我們可以通過動(dòng)畫模擬突破時(shí)間與空間的束縛,進(jìn)行逼真的演示,通過操作靈活縮小或放大物理場景,將物理過程生動(dòng)展現(xiàn)于學(xué)生眼前,加強(qiáng)學(xué)生印象、易于理解.

2.1.1 變抽象為形象,理解實(shí)驗(yàn)

對于一些比較抽象的宏觀、微觀或理想實(shí)驗(yàn),可以利用動(dòng)畫模擬實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)過程的可視化.如,動(dòng)畫模擬周游世界的小水滴、人造地球衛(wèi)星的勻速圓周運(yùn)動(dòng)、地球同步通訊衛(wèi)星等宏觀現(xiàn)象實(shí)驗(yàn);模擬電流的形成、硫酸銅溶液的擴(kuò)散、固體的擴(kuò)散、分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)、裂變、聚變等微觀現(xiàn)象實(shí)驗(yàn);模擬牛頓第一定律、伽利略斜面實(shí)驗(yàn)等理想實(shí)驗(yàn).

在有些物理實(shí)驗(yàn)中,物理的本質(zhì)學(xué)生是無法觀測到的,用信息技術(shù)動(dòng)畫模擬可以解決這一問題.例如,光纖教學(xué),教師在課堂演示時(shí),學(xué)生只能看到光從一端進(jìn)去,從另一端出來的表面現(xiàn)象.而利用動(dòng)畫模擬直觀展示光在光纖中不斷反射前進(jìn),讓學(xué)生形成鮮明的表象,學(xué)生理解也就更容易、更深刻了.相同的實(shí)驗(yàn)還有“電磁波傳播信息”等.

2.1.2 變動(dòng)為靜,定格實(shí)驗(yàn)過程

有些物理實(shí)驗(yàn)在課堂上是不可能完成的,例如,內(nèi)燃機(jī)的工作過程實(shí)驗(yàn)教學(xué),教師不可能把內(nèi)燃機(jī)搬到教室中來,即便是可以,學(xué)生也無法觀測其內(nèi)部工作過程.這時(shí)利用信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫模擬,逐一、有序地展示其四個(gè)沖程的工作過程,每個(gè)沖程的機(jī)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn),特別是通過圖像的色彩變化、范圍變化,學(xué)生更容易理解其各個(gè)過程的工作原理.相同的實(shí)驗(yàn)還有電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)的工作過程等.

2.1.3 變真為假,優(yōu)化實(shí)驗(yàn)探索過程

利用計(jì)算機(jī)的虛擬技術(shù),構(gòu)建仿真物理實(shí)驗(yàn)室,創(chuàng)設(shè)出一個(gè)探索物理現(xiàn)象和規(guī)律的虛擬環(huán)境.學(xué)生在輕松的學(xué)習(xí)氛圍中操作模擬仿真的實(shí)驗(yàn),學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)技能,為動(dòng)手實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備.學(xué)生在這個(gè)虛擬環(huán)境中,可以按照自己的想法去探索研究,學(xué)生通過自主探究達(dá)到發(fā)現(xiàn)和總結(jié)規(guī)律的目的.

例如,在學(xué)習(xí)電學(xué)時(shí),學(xué)生可以利用仿真實(shí)驗(yàn)室,按照自己設(shè)計(jì)的電路連接進(jìn)行實(shí)驗(yàn),如果操作不規(guī)范,還會(huì)顯示燈炮燒壞、電表超量程、保險(xiǎn)絲燒斷等現(xiàn)象.

2.2 實(shí)景重現(xiàn),實(shí)現(xiàn)可視化

很多傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)中,由于實(shí)驗(yàn)器材或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象本身(如發(fā)生時(shí)間快、范圍小等等)限制,常常使得實(shí)驗(yàn)效果的可視化受到影響.信息技術(shù)能為這些物理實(shí)驗(yàn)的“可視化”提供物質(zhì)平臺(tái)和技術(shù)保障.即只要將適當(dāng)?shù)膫鞲衅魍ㄟ^接口技術(shù)與電腦連接起來,電腦就可以把正在發(fā)生的物理現(xiàn)象,特別是正在進(jìn)行的物理實(shí)驗(yàn)的真實(shí)情景,以連續(xù)動(dòng)畫的方式記錄下來,所記錄的真實(shí)情景可以隨時(shí)在電腦的屏幕上顯示出來,從而實(shí)現(xiàn)實(shí)景重現(xiàn).

2.2.1 變小為大,放大演示實(shí)驗(yàn)

可以將局部區(qū)域放大,觀察分析局部微觀現(xiàn)象.例如,在“能量轉(zhuǎn)化的基本規(guī)律”一課中,在給學(xué)生演示水滴實(shí)驗(yàn)的時(shí)候,由于水滴本身就比較小,無法照顧到各個(gè)位置的學(xué)生,這種情況就利用信息技術(shù)將實(shí)驗(yàn)的過程呈現(xiàn)到大屏幕上,可以將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象清晰地展現(xiàn)給每一個(gè)學(xué)生.在演示“磁體”周圍磁場及磁感線分布時(shí)也采用了實(shí)景重現(xiàn)、變小為大,放大演示實(shí)驗(yàn)的方法.又如,電流表、電壓表、電能表、溫度計(jì)等測量工具的使用及讀數(shù)也可利用這一技術(shù)進(jìn)行放大,不但有利于學(xué)生觀察、掌握它們的正確使用方法,還可以讓全體學(xué)生能夠進(jìn)行準(zhǔn)確讀數(shù)練習(xí).

另外,掌握一些測量儀器的使用方法時(shí),必須先了解其內(nèi)部構(gòu)造,可利用這一技術(shù)呈現(xiàn)并放大拆卸的過程.如了解測電筆的內(nèi)部結(jié)構(gòu),了解電流表、電壓表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等等.

2.2.2 變快為慢,看清演示實(shí)驗(yàn)

有些物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,發(fā)生的時(shí)間較短,過程進(jìn)行得很快,學(xué)生用肉眼無法觀測,我們可以利用實(shí)景重現(xiàn)進(jìn)行慢鏡頭播放(當(dāng)然,也可以快速播放,觀察物理過程的連續(xù)性),甚至定格,以便學(xué)生仔細(xì)地觀察和分析.例如,在研究“機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化”的實(shí)驗(yàn)中,利用這一技術(shù)使網(wǎng)球撞在球拍上時(shí)被壓扁后又恢復(fù)的過程及球拍運(yùn)動(dòng)過程與發(fā)生形變的過程,這種發(fā)生時(shí)間短、變化快速的過程均變?yōu)榭梢暎以谂鲎策^程中發(fā)生的微小變形也可以進(jìn)行放大,便于學(xué)生仔細(xì)觀察和分析.其最大的優(yōu)點(diǎn)是可以放大物理現(xiàn)象,放慢演示速度,在緩慢的演示過程中,讓學(xué)生清楚全面地把握物理的真實(shí)過程.又如,在演示“繩波實(shí)驗(yàn)”時(shí),利用傳感器和接口技術(shù),電腦當(dāng)堂記錄繩波演示實(shí)驗(yàn)的真實(shí)情景,實(shí)驗(yàn)完成后,把實(shí)驗(yàn)過程在電腦屏幕上緩慢地顯示出來,師生一起進(jìn)行仔細(xì)的觀察研究和分析,從而提高了研究的可信度.

2.2.3 變瞬間為長久,定格演示實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)過程中,有些實(shí)驗(yàn)的瞬間很有研究價(jià)值,此時(shí),我們可以利用技術(shù)將瞬間定格,從而實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)分析.在“長度的測量”實(shí)驗(yàn)中筆者定格了學(xué)生操作過程中的錯(cuò)誤,并讓學(xué)生糾正自己和同伴間的錯(cuò)誤.由于定格的是學(xué)生自己的操作情景,比書本上的圖片更有真實(shí)感.糾錯(cuò)的過程也就是認(rèn)知碰撞的過程,讓學(xué)生印象深刻.

有些時(shí)候,我們還會(huì)遇到一些課堂上操作起來很麻煩、耗時(shí)比較長,或者很難達(dá)到既定效果的實(shí)驗(yàn),如,在探究“杠桿平衡條件”的實(shí)驗(yàn)中,對于改變拉力方向,再測量對應(yīng)力臂這一環(huán)節(jié),由于力臂不再落在杠桿上,學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)時(shí)很難測量,現(xiàn)場演示可視性又比較差,也很難準(zhǔn)確測量,所以筆者就采用了這一實(shí)景重現(xiàn)技術(shù)并作聚焦定格處理,讓學(xué)生清晰準(zhǔn)確地看到彈簧測力計(jì)示數(shù)的變化,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程的可視化,這樣既可以更有效地解決課堂不方便解決的問題,還可以節(jié)省課堂時(shí)間,達(dá)到高效學(xué)習(xí)的目的.

3 圖文并茂,達(dá)到物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可視化

在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,學(xué)生不管用表格法還是圖像法來處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都會(huì)花費(fèi)很多時(shí)間,一個(gè)課時(shí)是無法完成的.教師可采用信息技術(shù),利用實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)測量、數(shù)據(jù)處理、圖像處理等手段對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理,并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,最終總結(jié)出物理量所遵循的規(guī)律.

例如,在“歐姆定律”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,先讓學(xué)生用常規(guī)儀器按照傳統(tǒng)方式分組實(shí)驗(yàn),在學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)操作并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后,我們一起快速用多媒體進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并自動(dòng)生成了I-U和I-R圖像,總結(jié)出了正比、反比的關(guān)系,這種一氣呵成的方法,形象直觀且具有準(zhǔn)確性,使學(xué)生對實(shí)驗(yàn)有了清晰又完整的認(rèn)識(shí),從而提高了課堂教學(xué)的效率.

對于實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,我們還有很多方法使其可視化.如,在“直線運(yùn)動(dòng)”這一節(jié)課中,我們借助了Excel軟件,來幫助學(xué)生快速地將多組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總到一張坐標(biāo)圖中.可以更直觀地引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出勻速運(yùn)動(dòng)過程中,路程與時(shí)間的正比關(guān)系,最重要的是能快速整合多組數(shù)據(jù),可以方便學(xué)生對比學(xué)習(xí),而且這樣做不僅節(jié)省了手繪圖的時(shí)間,也實(shí)現(xiàn)了小組同學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果共享的問題,使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具有可信度.又如,在探究相互作用力的實(shí)驗(yàn)時(shí),為了讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到一對相互作用力的關(guān)系,我們借助力學(xué)傳感器來完成實(shí)驗(yàn),將這個(gè)力學(xué)信號,轉(zhuǎn)換成電信號,傳輸?shù)诫娔X中去,學(xué)生通過屏幕上展現(xiàn)出來的兩個(gè)完全對稱的折線圖,可以更準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)相互作用力的關(guān)系.

當(dāng)然,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中提高實(shí)驗(yàn)“可視化”的方法很多,并且隨著時(shí)代的發(fā)展將日新月異.例如,利用信息技術(shù)強(qiáng)大的交互性構(gòu)建起來的網(wǎng)絡(luò)交互實(shí)驗(yàn)室,必然成為教育發(fā)展的光輝前景.這就要求我們在教學(xué)實(shí)踐中,要始終樹立以生為本、與時(shí)俱進(jìn)的理念,不斷學(xué)習(xí)、交流、探索,且行且學(xué),我們一直在前行.

另外,我們必須始終明確,信息技術(shù)輔助物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)僅僅是對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種補(bǔ)充和發(fā)展,學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn),親自經(jīng)歷、體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的過程是任何技術(shù)手段都無法替代的,找準(zhǔn)多媒體輔助教學(xué)手段與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的最佳結(jié)合點(diǎn),使之更好地輔助物理實(shí)驗(yàn)教學(xué),是物理教師研究的永恒課題.

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(收稿日期:2020-12-29)

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