巧用信息技術 助益實驗教學

溫州大學數理學院(325035) 陳雨晴 謝倩如 甘力丹 滕 閣 潘星志 羅海軍

隨著科學技術的不斷發(fā)展和社會生活水平的提高,信息技術已經成為了越來越多人生活中必不可少的一部分。手機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,也為物理實驗教學提供了便利。

《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》中提出:提高物理教學水平,發(fā)展學生物理學科核心素養(yǎng),離不開信息技術與物理教學的融合[1]。我們可以利用信息技術手段的直觀性、豐富性、可重復性等特點突破傳統(tǒng)的教學過程中器材、技術的限制,巧妙地化抽象為形象,變靜態(tài)為動態(tài),充分調動學生學習的主動性和求知欲,使教學的目標得以實現。將信息技術應用于物理課堂不但能夠吸引學生興趣,還能使得物理實驗教學更直觀、更便捷,更有效地幫助學生實現自主學習和主動探究,促進學生全面發(fā)展。本文將從多個方面探討如何有效利用信息技術,助益中學物理實驗教學。

1 虛擬仿真--化不可為為可為,助益實驗演示

演示實驗在教學中具有重要作用,它能夠為學生提供真實情境,使他們能夠在情境中提出問題、思考問題,在情境中理解與應用物理概念與規(guī)律。優(yōu)秀的演示實驗不僅能引起學生的興趣,調動學生學習的積極性,還有助于學生進行知識遷移,發(fā)展學生的綜合素質。由于受到實驗設備昂貴、運行環(huán)境特殊、實驗時間過長和安全等因素限制,部分演示實驗很難在課堂上開展,從而導致學生對部分物理概念、規(guī)律理解不到位。利用相關軟件的虛擬仿真功能來模擬實驗現象、實驗操作或實驗過程,可以有效解決上述不足,從而有利于學生科學思維的發(fā)展[2]。

手機與電腦中都有大量的虛擬仿真實驗軟件。恰當運用這些虛擬仿真實驗開展教學,能夠豐富物理實驗教學類型(見表1),化“不可為”為“可為”,既能與傳統(tǒng)實驗相輔相成,又能在課后給學生提供充足的實踐操作機會,提高他們的實踐探究能力。

表1 模擬演示

以“太陽系天體運動規(guī)律演示和驗證”為例,“物理實驗室”軟件的天體實驗模塊具有各種天體運動演示的功能。例如,它可以展示太陽系中星球的運動情況。通過依次選擇“按照真實軌道發(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行星的運動情況與受力情況(如圖1)。點擊不同星球,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行各種設想實驗,例如可以模擬“如果太陽質量突然減少一半對太陽系行星運動狀態(tài)的影響”等假想情況。

圖1 地球在太陽系中的運動狀態(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,解決相關問題。然而,由于這些知識涉及的概念較為抽象,學生在生活中也很少能接觸到與之相關的事物,缺乏直接經驗積累,難以直觀地理解萬有引力定律對物體運動的影響。這導致學生學習過程主要側重于計算,缺乏綜合性思考。在教學過程中,利用信息技術建立虛擬模型,能夠幫助學生將抽象的概念具體化,形象地建立萬有引力與星球運動的關系模型,從而更好地理解天體運動的規(guī)律。

以“帶電粒子在磁場中的運動”為例,電腦軟件“NOBOOK物理實驗”提供了演示各類粒子運動情況的功能,例如,在這個軟件中我們可以進行“帶電粒子以不同角度進入磁場”的實驗。在軟件界面中,選擇“力與運動”類別,在界面中放置矩形磁場工具,并在磁場下邊緣同一位置放置具有相同質量、帶電量和初速度的帶電粒子,粒子的運動方向均指向磁場內部,點擊“開始”即可完成實驗演示(如圖2)。此外,還可以自定義不同的磁場、電場和運動粒子等參數,完成各種電磁學實驗。

圖2 帶電粒子以不同角度射入矩形磁場(左)和圓形磁場(右)

效果分析:帶電粒子在電磁場中的運動一直學生是學習上的難點,在傳統(tǒng)的物理課堂中,學生大都只能依靠抽象思維對物體的運動情況進行想象與計算。進行模擬實驗,學生可以清晰地看到粒子的運動情況。此外,學生還可以根據遇到的問題自行設置各類參數進行不同實驗,將實驗現象與自己的計算結果進行對比,這種方法有助于學生構建這類運動的物理模型,加深對粒子運動情況的理解,提高實踐應用能力。

2 攝像與影像處理--化稍縱即逝為觸手可得,助益實驗觀測

實驗法是學生通過科學探究發(fā)現并總結出物理規(guī)律的重要方法。但許多研究物體運動規(guī)律的實驗,在物理課堂上展示時,由于物體的運動過程短暫且速度過快,肉眼很難準確捕捉,導致學生無法直觀地感受物體的運動過程,難以通過實驗現象收集物體運動的信息、探究物體運動背后的規(guī)律和特點。利用攝像和影像處理技術能夠幫助師生解決這一問題。另外,有些進展變化太過緩慢的實驗,短短的一節(jié)物理課根本觀察不出現象變化,利用信息技術進行影像加速,可以更為有效地觀察實驗現象。

利用常見的智能手機或者攝像機可以輔助觀察許多實驗(見表2)。智能手機普遍具有慢鏡頭拍攝功能,可以捕捉稍縱即逝的現象,配合影像處理軟件逐幀播放可以“放慢”物體運動腳步。畫面捕捉能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)打點計時器的作用,減少實驗誤差,使得實驗結論更準確、更便捷[3]。此外,還能利用拍照時的光圈、曝光時間等變量來輔助實驗操作。

表2 影像處理

“tracker”軟件的運動軌跡捕捉功能可以使得很多實驗更加直觀、便捷。進行平拋運動實驗時,將拍攝設備固定在平拋運動演示儀前,錄制2個小球同時進行水平拋出和豎直下落的影像。然后將影像導入至“tracker”軟件,逐幀捕捉小球的位置,并利用“tracker”的畫圖功能自動處理小球位置與時間的關系(如圖3所示)。

圖3 平拋運動軌跡(左)和平拋運動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“拋體運動”要求學生學會通過探究活動了解平拋運動的特點。教師在教學中通常使用演示實驗的方式向學生展示拋體運動的規(guī)律。但拋體運動觀察困難,如“做平拋運動的物體在豎直方向上運動情況與做自由落體運動的物體相同”這一現象難以直接觀察到。學生需要通過邏輯計算分析,或者通過觀察平拋小球與自由落體小球同時落地來間接得出規(guī)律。改進后的實驗能夠通過直接觀察小球在各個時間點的位置和時間位移關系圖像,清晰揭示平拋運動的特點。

3 巧用準確測量--化模糊為精確,助益生活小實驗

作為與日常生活息息相關的一門學科,教學生活化是一種重要的物理教學方式。采用生活小實驗的方式對生活中的物理現象進行分析和解決,不僅能提高學生學習的興趣,還能培養(yǎng)學生綜合實踐能力,幫助學生從物理學角度認識自然。但部分實驗由于缺乏對照證明,學生在得到結論的同時也會疑惑這樣簡單的實驗能否得出正確的結果,這樣簡單的裝置是否有效。利用手機中豐富的傳感器,對實驗結果進行再次驗證,借助學生對科技產品的信任,能夠有效地消除學生的疑惑,增強學生對于應用物理知識解決問題的信心。同時,讓學生認識到物理知識和高科技設備同樣有用,激勵學生在更廣闊的情境中勇敢地應用物理知識。

智能手機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備,智能手機具有便捷易用和廣泛普及的優(yōu)點[3]。學生可以在家庭環(huán)境下方便地使用相關軟件調用手機傳感器進行生活小實驗(見表3)。這種方式幫助學生養(yǎng)成實踐應用能力,推動學生積極主動地探索生活中的各種問題。

表3 傳感器運用

以“電梯加速度測量”為例,將電子秤置于電梯內,利用手機錄制電梯上升下降過程中被測試者體重示數的變化情況;運用“剪映”選擇視頻中的具體時刻,每0.5 s記錄一次體重秤示數;根據牛頓第二定律進行加速度計算,繪制加速度變化圖像;同時在電梯中固定另一手機,采用“phyphox”的加速度測量功能測量加速度變化,得到相應的圖形。如圖4所示,對照二者圖像可以看出盡管體重秤靈敏度略有不足,但2種實驗結果基本吻合。

圖4 體重秤小實驗計算電梯加速度圖像(左)和phyphox測量電梯加速度圖像(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”要求學生能夠理解電梯中的超重失重現象的本質,并培養(yǎng)學生從實際情境中捕捉信息、發(fā)現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牛頓第二定律進行物理小實驗,無疑有助于加深學生對超重失重過程的理解。利用“phyphox”對小實驗結果進行驗證,不僅能幫助學生肯定自己的實驗成果,還能協(xié)助他們排除實驗過程中的不合理因素,正確地分析、處理數據以形成合理的結論,進而促進科學探究能力的發(fā)展。

以“聲音速度測量”為例,如圖5所示,準備2部安裝有“phyphox”軟件的智能手機,并將它們放置在相距一定距離的2個位置。啟動聲學秒表功能,并設置閾值略高于背景噪音。然后2個實驗者分別站在2部手機(手機1和手機2)旁,依次擊掌,確保擊掌聲遠大于背景噪聲。手機在第1次接收到掌聲信號時開始計時,第2次接收到掌聲時停止計時,測量出2部手機之間的距離s,通過位移與時間的關系就可以計算聲音的速度[4]。

圖5 聲音速度測量實驗示意圖(左)和聲學秒表(右)

效果分析:聲音的速度是一個在生活中廣泛使用的物理量,學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)設備如海嘯預報站也是利用聲音傳播的速度進行預報的。由于實驗難度的限制,學生對聲速的認知僅僅停留在表層,很多時候都會下意識忘記聲音傳播需要時間。利用信息技術,學生可以使用簡單的設備完成這項他們習慣性認為難以完成的測量活動。這可以極大地提高學生的成就感,讓學生充滿熱情地投入到生活中各種物理知識的探究中。

4 結束語

如今信息技術的發(fā)展日新月異,智能化設備也越發(fā)普及。在這個信息化的時代,物理實驗變得更加有趣、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,并正確地運用它,不但能使得物理課堂教學更加豐富多彩,還能激發(fā)學生在物理學習中的積極性,為物理教學質量的提高做出貢獻。