数字化在物理教学实践中的应用.pdf

802023/17 现代教学 教学前沿 信息化数字化在物理教学实践中的应用文/上海师范大学附属宝山罗店中学 皮秀春【摘 要】物理学科的理论性、抽象性、逻辑性极强，对学生抽象概念的理解和应用能力的要求较高，成为众多学生难以跨越的鸿沟。而数字化的应用则能有效解决该问题，并使交互性和学习对象的个性化发展成为可能。本文从典型案例出发分别阐述了目前使用较多的微视频、Flash、几何画板及未来宝三个助手在物理教学实践中的应用。【关键词】数字化 可视化 交互性物理学是一门探究物质结构和运动规律的自然学科，其特点是语言凝练、抽象概念多、理论性强、逻辑思维要求高。如何将抽象的物理知识形象化，形象的概念直观化，成为高中物理教学亟待解决的问题。数字化教学的广泛应用，则为学生的物理学习带来了便捷。那么，数字化究竟能在哪些方面助力物理教学，使抽象的物理概念和过程形象化、可视化，从而更易于培育学生的物理核心素养呢？在数字化教育大背景之下，多媒体白板、DIS 实验系统、微视频、Flash、几何画板、未来宝三个助手等辅助软件已陆续进入物理课堂。本文就物理教学中使用较多的微视频、Flash、几何画板和未来宝三个助手辅助工具进行阐述。一、视频将抽象文字可视化物理概念、规律经过物理学家的高度总结概括，往往非常凝练，这也意味着难于理解，难于在脑海中形成具体的影像。例如，对于上海科学技术出版社出版的选择性必修教科书第一册第四章第一节“光的折射”中出现的利用插针法“测量玻璃的折射率”的学生实验，教材介绍的实验步骤如下：按玻璃砖的宽度在白纸上画出两条平行直线，将玻璃砖依平行线置于白纸上。在玻璃砖的一侧垂直于纸面插两枚大头针a、b，其连线与玻璃砖表面成一定角度。在另一侧透过玻璃砖观察，并在该侧的适当位置再插两枚大头针c、d，使四枚大头针依次遮挡，此时他们位于同一条射入眼睛的光线上，如图 1 所示。根据大头针的位置，在白纸上画出入射光线和出射光线，确定入射点和出射点，画出玻璃砖中的折射光线。教材介绍得很清楚，但有些学生对“使四枚大头针依次遮挡，此时他们位于同一条射入眼睛的光线上”并不能理解，图 1 明显看到 ab、cd 不在一条线上，怎么做到四枚大头针依次遮挡位于同一条射入眼睛的光线上？即使教师亲自示范，也会有学生由于不能站在教师的视角去观察，且缺乏思维想象，而似懂非懂。因此，教师在介绍实验步骤时可同步播放站在实验者视角拍摄的实验操作视频，清晰展现四枚大头针是如何依次遮挡，并借此找到相应的 c、d 两点的，使教材的文字介绍可视化，便于学生理解这段文字的含义，从而顺利地独立完成实验。二、Flash 将抽象理论形象化除了微视频可以将抽象文字可视化，降低学生的理解难度外，还可制作 Flash 来将抽象理论形象化。例如，我们在认识因波源与观测者发生相对运动而引起观察者接收到的波的频率 f 与波源频率 f 不再相同的多普勒效应之时，学生虽能结合生活情景切身感受该现象，但却无法理解接收频率与源频率不一致这一理论。由于载体原因，教材只能提供素材图片，而图片展示的是波源和观察者的位置关系，完整波的个数关系并不能很好地体现出来，即使用视频也很难呈现完整波的个数关系，而 Flash 动画就能弥补视频的不足。教师可采用控制变量法制作动画模拟多普勒效应，在波源不动的情况下观察对比观察者接收到的完整波的个数与波源发出完整波的个数的关系：1.观察者不动时，接收到的完整波的个数与波源发出完整波的个数相同；2.观察者靠近波源运动时，接收到的完整波的个数大于波源发出完整波的个数；3.观察者远离波源运动时，接收到的完整波的个数小于波源发出完整波的个数。Flash 能将物理规律模拟出来，大幅降低学生理解物理理论的难度。图 181现代教学 2023/17教学前沿 信息化三、几何画板将抽象的物理实验误差分析直观化微视频和 Flash 在文字可视化和理论形象化上有不俗的表现，几何画板在描述物理实验的规律图像上有其独特优势。例如，“验证玻意耳定律”的实验，现在教材使用的是 DIS 实验系统进行实验分析和验证。DIS 的优点是实验数据获得方便快捷，计算机内部计算后可直接将所得数据点拟合绘制成 P-V 图像和 图像；不足之处是计算机使用最小二乘法，只能拟合直线不能拟合曲线。当注射器内封闭气体体积 V 远大于注射器与压强传感器软管连接处（下文简称软管连接处）气体体积 V0时，计算机拟合的 图像过原点且经过所有的实验数据点，完全符合玻意耳定律。当软管连接处气体体积 V0与封闭气体体积 V比较不能忽略时，计算机拟合图像如图 2 直线所示，但实际采集的数据点却发生明显的弯曲偏离直线，此时计算机拟合的图像已不能反映真实情况。耳定律。利用几何画板能直观呈现数学函数图像数据的优势，使抽象的物理实验误差分析直观化。四、未来宝三个助手将学生学习情况反馈及时化在传统教学中，教师主要从课上提问、课后作业及各种检测中了解学生的学习情况。但是，课堂提问的学生具有随机性，不能看到全部学生的掌握情况；课后作业和检测有延时性，不能及时发现并解决问题。为了提高课堂互动、及时掌握学生学习情况，教师可利用未来宝三个助手。在进行小专题复习时，教师可借助未来宝中的“授课助手”，巧妙设计题目难度和梯度，再根据学生反馈的信息实时掌握学生学习情况，及时调整上课节奏和侧重点。例如，在学习机械振动和机械波图像的综合应用时，教师将要学生掌握的知识点和易混点设计成选择题的选项，发送到学生的终端，学生的完成和提交情况可在教师端显示屏上显示。教师可根据学生的作答情况决定针对性解决方案，还可对错答学生进行个性化练习推送。未来宝三个助手还能收集学生填空和计算题作答情况，便于教师根据全过程数据的有效采集和分析，实现群体化教学和差异性辅导，从而实现精准化教学，促进学生的个性化发展。随着科学技术的日新月异，高中物理教学工具也在发生着巨大的变革。不同的数字化工具在物理教学实践中有各自的优势，将各种数字化教学工具综合应用到教学中能弥补物理概念和过程过于抽象、不易在头脑中形成正确认识的不足，降低学生的学习难度，使交互性和学习对象的个性化发展成为可能。参考文献：1 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017 年版 2020 年修订）M.北京:人民教育出版社,2020.（本文编辑：杨晓珺）这时，几何画板就能“大显神通”了。在几何画板上以封闭气体压强 P 为纵坐标、注射器内封闭气体体积 V 的倒数 （即注射器刻度的倒数）为横坐标，画出图像 ，由玻意耳定律易得 （其中软管连接处体积为 V0，常数 C 可赋任意值）。由数学规律可知 图像为过原点的斜线，在几何画板中为红色实线表示，图线上的坐标点是符合玻意耳定律的理论值。图中虚线为 图像，是根据描点画图得到的测量值。将 C 赋值 3 不变，V0赋值 1，V 取不同值进行分析讨论，如图 3 所示。分析可见，取 V0=1不变时，注射器内封闭气体体积 V 越大（横坐标 越小），软管内气体影响越小，测量结果 a 越接近理想情况 a；注射器内封闭气体体积 V 越小（横坐标 越大），测量值 a 与理论值 a 偏离越大。用几何画板作图能更好地分析 DIS 实验图中的数据点发生弯曲的原因并找到修正方法：考虑软管内气体体积 V0的影响，将 转化为 图像，将会完美验证玻意图 2图 3