溫州大學(xué)數(shù)理學(xué)院(325035) 陳雨晴 謝倩如 甘力丹 滕 閣 潘星志 羅海軍

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和社會(huì)生活水平的提高,信息技術(shù)已經(jīng)成為了越來越多人生活中必不可少的一部分。手機(jī)與電腦也從原本的奢侈品逐漸演變成了常見的生活用品,不但給人們的生活帶來了極大的便利,也為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了便利。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》中提出:提高物理教學(xué)水平,發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng),離不開信息技術(shù)與物理教學(xué)的融合[1]。我們可以利用信息技術(shù)手段的直觀性、豐富性、可重復(fù)性等特點(diǎn)突破傳統(tǒng)的教學(xué)過程中器材、技術(shù)的限制,巧妙地化抽象為形象,變靜態(tài)為動(dòng)態(tài),充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和求知欲,使教學(xué)的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。將信息技術(shù)應(yīng)用于物理課堂不但能夠吸引學(xué)生興趣,還能使得物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)更直觀、更便捷,更有效地幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)和主動(dòng)探究,促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。本文將從多個(gè)方面探討如何有效利用信息技術(shù),助益中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1 虛擬仿真--化不可為為可為,助益實(shí)驗(yàn)演示

演示實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中具有重要作用,它能夠?yàn)閷W(xué)生提供真實(shí)情境,使他們能夠在情境中提出問題、思考問題,在情境中理解與應(yīng)用物理概念與規(guī)律。優(yōu)秀的演示實(shí)驗(yàn)不僅能引起學(xué)生的興趣,調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,還有助于學(xué)生進(jìn)行知識(shí)遷移,發(fā)展學(xué)生的綜合素質(zhì)。由于受到實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴、運(yùn)行環(huán)境特殊、實(shí)驗(yàn)時(shí)間過長(zhǎng)和安全等因素限制,部分演示實(shí)驗(yàn)很難在課堂上開展,從而導(dǎo)致學(xué)生對(duì)部分物理概念、規(guī)律理解不到位。利用相關(guān)軟件的虛擬仿真功能來模擬實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)操作或?qū)嶒?yàn)過程,可以有效解決上述不足,從而有利于學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展[2]。

手機(jī)與電腦中都有大量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件。恰當(dāng)運(yùn)用這些虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開展教學(xué),能夠豐富物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)類型(見表1),化“不可為”為“可為”,既能與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相輔相成,又能在課后給學(xué)生提供充足的實(shí)踐操作機(jī)會(huì),提高他們的實(shí)踐探究能力。

表1 模擬演示

以“太陽系天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律演示和驗(yàn)證”為例,“物理實(shí)驗(yàn)室”軟件的天體實(shí)驗(yàn)?zāi)K具有各種天體運(yùn)動(dòng)演示的功能。例如,它可以展示太陽系中星球的運(yùn)動(dòng)情況。通過依次選擇“按照真實(shí)軌道發(fā)射”太陽與太陽系中各行星搭建出太陽系模型,可以清晰地觀察到太陽系各個(gè)行星的運(yùn)動(dòng)情況與受力情況(如圖1)。點(diǎn)擊不同星球,如地球,還能看到星球的具體信息。解除軌道鎖定后還可以進(jìn)行各種設(shè)想實(shí)驗(yàn),例如可以模擬“如果太陽質(zhì)量突然減少一半對(duì)太陽系行星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響”等假想情況。

圖1 地球在太陽系中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

效果分析:人教版高中物理必修2“萬有引力與宇宙航行”章節(jié)要求學(xué)生深入理解萬有引力定律,并能用該定律建立模型,解決相關(guān)問題。然而,由于這些知識(shí)涉及的概念較為抽象,學(xué)生在生活中也很少能接觸到與之相關(guān)的事物,缺乏直接經(jīng)驗(yàn)積累,難以直觀地理解萬有引力定律對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響。這導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)過程主要側(cè)重于計(jì)算,缺乏綜合性思考。在教學(xué)過程中,利用信息技術(shù)建立虛擬模型,能夠幫助學(xué)生將抽象的概念具體化,形象地建立萬有引力與星球運(yùn)動(dòng)的關(guān)系模型,從而更好地理解天體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

以“帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”為例,電腦軟件“NOBOOK物理實(shí)驗(yàn)”提供了演示各類粒子運(yùn)動(dòng)情況的功能,例如,在這個(gè)軟件中我們可以進(jìn)行“帶電粒子以不同角度進(jìn)入磁場(chǎng)”的實(shí)驗(yàn)。在軟件界面中,選擇“力與運(yùn)動(dòng)”類別,在界面中放置矩形磁場(chǎng)工具,并在磁場(chǎng)下邊緣同一位置放置具有相同質(zhì)量、帶電量和初速度的帶電粒子,粒子的運(yùn)動(dòng)方向均指向磁場(chǎng)內(nèi)部,點(diǎn)擊“開始”即可完成實(shí)驗(yàn)演示(如圖2)。此外,還可以自定義不同的磁場(chǎng)、電場(chǎng)和運(yùn)動(dòng)粒子等參數(shù),完成各種電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)。

圖2 帶電粒子以不同角度射入矩形磁場(chǎng)(左)和圓形磁場(chǎng)(右)

效果分析:帶電粒子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)一直學(xué)生是學(xué)習(xí)上的難點(diǎn),在傳統(tǒng)的物理課堂中,學(xué)生大都只能依靠抽象思維對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行想象與計(jì)算。進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),學(xué)生可以清晰地看到粒子的運(yùn)動(dòng)情況。此外,學(xué)生還可以根據(jù)遇到的問題自行設(shè)置各類參數(shù)進(jìn)行不同實(shí)驗(yàn),將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與自己的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,這種方法有助于學(xué)生構(gòu)建這類運(yùn)動(dòng)的物理模型,加深對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)情況的理解,提高實(shí)踐應(yīng)用能力。

2 攝像與影像處理--化稍縱即逝為觸手可得,助益實(shí)驗(yàn)觀測(cè)

實(shí)驗(yàn)法是學(xué)生通過科學(xué)探究發(fā)現(xiàn)并總結(jié)出物理規(guī)律的重要方法。但許多研究物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn),在物理課堂上展示時(shí),由于物體的運(yùn)動(dòng)過程短暫且速度過快,肉眼很難準(zhǔn)確捕捉,導(dǎo)致學(xué)生無法直觀地感受物體的運(yùn)動(dòng)過程,難以通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象收集物體運(yùn)動(dòng)的信息、探究物體運(yùn)動(dòng)背后的規(guī)律和特點(diǎn)。利用攝像和影像處理技術(shù)能夠幫助師生解決這一問題。另外,有些進(jìn)展變化太過緩慢的實(shí)驗(yàn),短短的一節(jié)物理課根本觀察不出現(xiàn)象變化,利用信息技術(shù)進(jìn)行影像加速,可以更為有效地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

利用常見的智能手機(jī)或者攝像機(jī)可以輔助觀察許多實(shí)驗(yàn)(見表2)。智能手機(jī)普遍具有慢鏡頭拍攝功能,可以捕捉稍縱即逝的現(xiàn)象,配合影像處理軟件逐幀播放可以“放慢”物體運(yùn)動(dòng)腳步。畫面捕捉能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的作用,減少實(shí)驗(yàn)誤差,使得實(shí)驗(yàn)結(jié)論更準(zhǔn)確、更便捷[3]。此外,還能利用拍照時(shí)的光圈、曝光時(shí)間等變量來輔助實(shí)驗(yàn)操作。

表2 影像處理

“tracker”軟件的運(yùn)動(dòng)軌跡捕捉功能可以使得很多實(shí)驗(yàn)更加直觀、便捷。進(jìn)行平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí),將拍攝設(shè)備固定在平拋運(yùn)動(dòng)演示儀前,錄制2個(gè)小球同時(shí)進(jìn)行水平拋出和豎直下落的影像。然后將影像導(dǎo)入至“tracker”軟件,逐幀捕捉小球的位置,并利用“tracker”的畫圖功能自動(dòng)處理小球位置與時(shí)間的關(guān)系(如圖3所示)。

圖3 平拋運(yùn)動(dòng)軌跡(左)和平拋運(yùn)動(dòng)水平豎直方向位移圖像(右)

效果分析:人教版高中物理第5章“拋體運(yùn)動(dòng)”要求學(xué)生學(xué)會(huì)通過探究活動(dòng)了解平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。教師在教學(xué)中通常使用演示實(shí)驗(yàn)的方式向?qū)W生展示拋體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。但拋體運(yùn)動(dòng)觀察困難,如“做平拋運(yùn)動(dòng)的物體在豎直方向上運(yùn)動(dòng)情況與做自由落體運(yùn)動(dòng)的物體相同”這一現(xiàn)象難以直接觀察到。學(xué)生需要通過邏輯計(jì)算分析,或者通過觀察平拋小球與自由落體小球同時(shí)落地來間接得出規(guī)律。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛲ㄟ^直接觀察小球在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的位置和時(shí)間位移關(guān)系圖像,清晰揭示平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。

3 巧用準(zhǔn)確測(cè)量--化模糊為精確,助益生活小實(shí)驗(yàn)

作為與日常生活息息相關(guān)的一門學(xué)科,教學(xué)生活化是一種重要的物理教學(xué)方式。采用生活小實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)生活中的物理現(xiàn)象進(jìn)行分析和解決,不僅能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,還能培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)踐能力,幫助學(xué)生從物理學(xué)角度認(rèn)識(shí)自然。但部分實(shí)驗(yàn)由于缺乏對(duì)照證明,學(xué)生在得到結(jié)論的同時(shí)也會(huì)疑惑這樣簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)?zāi)芊竦贸稣_的結(jié)果,這樣簡(jiǎn)單的裝置是否有效。利用手機(jī)中豐富的傳感器,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行再次驗(yàn)證,借助學(xué)生對(duì)科技產(chǎn)品的信任,能夠有效地消除學(xué)生的疑惑,增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于應(yīng)用物理知識(shí)解決問題的信心。同時(shí),讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到物理知識(shí)和高科技設(shè)備同樣有用,激勵(lì)學(xué)生在更廣闊的情境中勇敢地應(yīng)用物理知識(shí)。

智能手機(jī)中集成了多種傳感器,包括氣壓傳感器、加速度傳感器、聲音傳感器、光傳感器等,作為一種家庭常見設(shè)備,智能手機(jī)具有便捷易用和廣泛普及的優(yōu)點(diǎn)[3]。學(xué)生可以在家庭環(huán)境下方便地使用相關(guān)軟件調(diào)用手機(jī)傳感器進(jìn)行生活小實(shí)驗(yàn)(見表3)。這種方式幫助學(xué)生養(yǎng)成實(shí)踐應(yīng)用能力,推動(dòng)學(xué)生積極主動(dòng)地探索生活中的各種問題。

表3 傳感器運(yùn)用

以“電梯加速度測(cè)量”為例,將電子秤置于電梯內(nèi),利用手機(jī)錄制電梯上升下降過程中被測(cè)試者體重示數(shù)的變化情況;運(yùn)用“剪映”選擇視頻中的具體時(shí)刻,每0.5 s記錄一次體重秤示數(shù);根據(jù)牛頓第二定律進(jìn)行加速度計(jì)算,繪制加速度變化圖像;同時(shí)在電梯中固定另一手機(jī),采用“phyphox”的加速度測(cè)量功能測(cè)量加速度變化,得到相應(yīng)的圖形。如圖4所示,對(duì)照二者圖像可以看出盡管體重秤靈敏度略有不足,但2種實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

圖4 體重秤小實(shí)驗(yàn)計(jì)算電梯加速度圖像(左)和phyphox測(cè)量電梯加速度圖像(右)

效果分析:人教版高中物理必修1第4章第6節(jié)“超重和失重”要求學(xué)生能夠理解電梯中的超重失重現(xiàn)象的本質(zhì),并培養(yǎng)學(xué)生從實(shí)際情境中捕捉信息、發(fā)現(xiàn)問題和提出問題的能力。利用電子秤、體重秤等生活常見物品根據(jù)牛頓第二定律進(jìn)行物理小實(shí)驗(yàn),無疑有助于加深學(xué)生對(duì)超重失重過程的理解。利用“phyphox”對(duì)小實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,不僅能幫助學(xué)生肯定自己的實(shí)驗(yàn)成果,還能協(xié)助他們排除實(shí)驗(yàn)過程中的不合理因素,正確地分析、處理數(shù)據(jù)以形成合理的結(jié)論,進(jìn)而促進(jìn)科學(xué)探究能力的發(fā)展。

以“聲音速度測(cè)量”為例,如圖5所示,準(zhǔn)備2部安裝有“phyphox”軟件的智能手機(jī),并將它們放置在相距一定距離的2個(gè)位置。啟動(dòng)聲學(xué)秒表功能,并設(shè)置閾值略高于背景噪音。然后2個(gè)實(shí)驗(yàn)者分別站在2部手機(jī)(手機(jī)1和手機(jī)2)旁,依次擊掌,確保擊掌聲遠(yuǎn)大于背景噪聲。手機(jī)在第1次接收到掌聲信號(hào)時(shí)開始計(jì)時(shí),第2次接收到掌聲時(shí)停止計(jì)時(shí),測(cè)量出2部手機(jī)之間的距離s,通過位移與時(shí)間的關(guān)系就可以計(jì)算聲音的速度[4]。

圖5 聲音速度測(cè)量實(shí)驗(yàn)示意圖(左)和聲學(xué)秒表(右)

效果分析:聲音的速度是一個(gè)在生活中廣泛使用的物理量,學(xué)生在生活中可以通過聲音的速度估算閃電的距離、山谷的大小,許多專業(yè)設(shè)備如海嘯預(yù)報(bào)站也是利用聲音傳播的速度進(jìn)行預(yù)報(bào)的。由于實(shí)驗(yàn)難度的限制,學(xué)生對(duì)聲速的認(rèn)知僅僅停留在表層,很多時(shí)候都會(huì)下意識(shí)忘記聲音傳播需要時(shí)間。利用信息技術(shù),學(xué)生可以使用簡(jiǎn)單的設(shè)備完成這項(xiàng)他們習(xí)慣性認(rèn)為難以完成的測(cè)量活動(dòng)。這可以極大地提高學(xué)生的成就感,讓學(xué)生充滿熱情地投入到生活中各種物理知識(shí)的探究中。

4 結(jié)束語

如今信息技術(shù)的發(fā)展日新月異,智能化設(shè)備也越發(fā)普及。在這個(gè)信息化的時(shí)代,物理實(shí)驗(yàn)變得更加有趣、更加高效,也為我們帶來更多的驚喜和收獲。深入了解信息技術(shù),并正確地運(yùn)用它,不但能使得物理課堂教學(xué)更加豐富多彩,還能激發(fā)學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中的積極性,為物理教學(xué)質(zhì)量的提高做出貢獻(xiàn)。