論高中物理可視化教學(xué)的學(xué)術(shù)原則與實(shí)施

朱亞軍

（江蘇省蘇州中學(xué)，江蘇 蘇州 215007）

隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的迅猛發(fā)展，高中物理可視化教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)日益凸顯：將隱性知識(shí)顯性化，顯性知識(shí)生動(dòng)化，復(fù)雜知識(shí)簡(jiǎn)單化，系統(tǒng)知識(shí)結(jié)構(gòu)化.高中物理可視化教學(xué)能將文本形象化，圖文并茂、聲色俱佳，增大課堂容量；時(shí)空延展化，延長(zhǎng)課堂“時(shí)間”，拓展課堂“空間”；情境可視化，實(shí)現(xiàn)“動(dòng)”“靜”互變“、微觀”“宏觀”互換，動(dòng)靜皆宜，按需變換.可視化教學(xué)具有很強(qiáng)的視、聽沖擊力和感染力，能誘發(fā)學(xué)生的好奇心，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性，提高物理教學(xué)的效益和質(zhì)量.然而，如果可視化教學(xué)運(yùn)用不當(dāng)，則會(huì)違背教育和科學(xué)原理、誤導(dǎo)學(xué)生、弄巧成拙.基于此，筆者根據(jù)自己多年的教學(xué)實(shí)踐，結(jié)合新課程標(biāo)準(zhǔn)的理念談?wù)劯咧形锢砜梢暬虒W(xué)應(yīng)遵循的學(xué)術(shù)原則與實(shí)施問題，并以典型的教學(xué)案例加以說明，以便跟同行們進(jìn)行交流.

1 科學(xué)性原則

高中物理的教學(xué)任務(wù)是引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的客觀規(guī)律，掌握學(xué)習(xí)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和從事國(guó)家建設(shè)必備的物理基礎(chǔ)知識(shí)，并幫助學(xué)生逐漸形成正確的自然觀、世界觀、價(jià)值觀、榮辱觀和人生觀，培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識(shí)世界和改造世界的能力，為學(xué)生終身發(fā)展、應(yīng)對(duì)現(xiàn)代社會(huì)和未來發(fā)展的挑戰(zhàn)奠定基礎(chǔ).這是一個(gè)求真務(wù)實(shí)、追求真理、提高素養(yǎng)、培養(yǎng)能力的過程.不僅要注意教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)性，而且要重視教學(xué)方法、手段和技術(shù)的科學(xué)性.因此，科學(xué)性理所當(dāng)然地成為物理可視化教學(xué)的首要原則.

某位教師在講授“回旋加速器”的時(shí)候，為了講解帶電粒子回旋加速的過程，呈現(xiàn)了如圖1所示的運(yùn)動(dòng)徑跡，這是不妥的.因?yàn)榛匦铀倨鞯奶卣魇菐щ娏Ｗ用恳淮瓮ㄟ^兩半圓金屬盒間的縫隙加速增加的動(dòng)能相同，回旋的半徑并非線性增加，現(xiàn)分析如下.

如圖2所示，在半圓金屬盒D1的圓心O處有一離子源，該離子源產(chǎn)生的質(zhì)量為m、電荷量為q的離子經(jīng)兩盒縫隙間的電場(chǎng)加速后進(jìn)入金屬盒D2，若兩盒間的加速電壓為U，與金屬盒面垂直的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，則離子經(jīng)電場(chǎng)加速第1次進(jìn)入金屬盒D2中的速率v1和軌道半徑r1分別由下列兩式確定

圖1 回旋加速器

圖2

當(dāng)離子第2次進(jìn)入金屬盒D2時(shí)，已經(jīng)過電場(chǎng)加速了3次，同理可得，離子的速率v2和軌道半徑r2分別為

離子第n次進(jìn)入金屬盒D2時(shí)，已經(jīng)過電場(chǎng)加速（2n－1）次.同理可得，離子的速率vn和軌道半徑rn分別為

當(dāng)離子第（n＋1）次進(jìn)入金屬盒D2時(shí)，已經(jīng)過電場(chǎng)加速（2n＋1）次.同理可得，離子的速率vn＋1和軌道半徑rn＋1分別為

從上述教學(xué)案例可見，在進(jìn)行高中物理可視化教學(xué)的時(shí)候，呈現(xiàn)的圖片、圖像要精準(zhǔn)、細(xì)致，千萬不能憑空臆想、杜撰物理現(xiàn)象或過程.

需要特別強(qiáng)調(diào)的是，物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，物理教學(xué)一定要盡可能多的做實(shí)驗(yàn)——教師的演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)以及邊學(xué)邊實(shí)驗(yàn)（過去常稱為邊教邊實(shí)驗(yàn)）和課外小實(shí)驗(yàn)等.因?yàn)椋谖锢斫虒W(xué)中有時(shí)候是千言萬語說不清，一看實(shí)驗(yàn)就分明.不以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的物理教學(xué)，很難稱之為真正的物理教學(xué)，也就無法發(fā)揮物理教學(xué)的獨(dú)特教育功能.物理實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、操作能力、思維能力等方面具有獨(dú)特的作用，尤其是在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、創(chuàng)新精神和思維獨(dú)立性等方面是其他學(xué)科難以替代的.

2 生本性原則

學(xué)生是教育工作的最主要的對(duì)象，他們不僅是教學(xué)活動(dòng)的主體，更是學(xué)習(xí)的主人.教學(xué)上的以生為本主要是以尊重學(xué)生的生命存在為本，以觀照學(xué)生的全面持續(xù)發(fā)展為本，以呵護(hù)學(xué)生的創(chuàng)造天賦和靈性為本.對(duì)學(xué)生而言，無論是新知識(shí)的獲得或者是對(duì)現(xiàn)成知識(shí)的理解、掌握，都離不開他們自主的積極參與，教師一定要盡力保護(hù)并發(fā)揮學(xué)生的能動(dòng)性、積極性.

事實(shí)上，學(xué)生掌握知識(shí)的過程是一種探究的過程、選擇的過程、創(chuàng)造的過程，也是科學(xué)精神、創(chuàng)新精神，乃至正確的世界觀、人生觀逐步形成的過程.對(duì)于學(xué)生來說，最重要的不再是接受和存儲(chǔ)知識(shí)，而是學(xué)會(huì)探究，以便為他們的終身繼續(xù)學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ).因此，高中物理可視化教學(xué)要以學(xué)生的身心全面和諧發(fā)展為最高目標(biāo)，踐行“為了一切學(xué)生，為了學(xué)生的一切，一切為了學(xué)生”的教育理念，緊緊圍繞“知識(shí)與技能”、“過程與方法”和“情感態(tài)度與價(jià)值觀”的三維目標(biāo)，備教材、備方法、備實(shí)驗(yàn)、備媒體、備環(huán)境、備文化、備學(xué)生，杜絕一份教案一成不變多班、多年地重復(fù)使用，應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，滲透新素材、變換新情景、使用新方法，從為學(xué)生不斷發(fā)展而奠基的高度進(jìn)行物理可視化教學(xué).反之，“目中無生”、“照屏宣講”、“不做實(shí)驗(yàn)”的所謂物理可視化教學(xué)一定不會(huì)成功.

3 創(chuàng)新性原則

高中物理可視化教學(xué)的過程應(yīng)該努力追求“處處是創(chuàng)造之地，天天是創(chuàng)造之時(shí)，人人是創(chuàng)造之才”的境界，運(yùn)用創(chuàng)新思維和方法不斷培養(yǎng)學(xué)生勇于創(chuàng)新的意識(shí)、敢于創(chuàng)新的氣魄和善于創(chuàng)新的能力.

圖3

如圖3所示，xpy為直角支架，最初桿px、輕繩aO均水平，輕繩bO與水平方向間的夾角為60°.如果在豎直平面內(nèi)使支架繞p點(diǎn)沿順時(shí)針方向緩慢轉(zhuǎn)過90°至桿py水平，試分析轉(zhuǎn)動(dòng)過程中輕繩aO的拉力F1和輕繩bO的拉力F2的變化情況.

教師授課時(shí)，如果不假思索地根據(jù)題意推導(dǎo)支架轉(zhuǎn)動(dòng)過程中任一位置時(shí)兩輕繩中拉力F1和F2的表達(dá)式，然后判斷兩輕繩中拉力F1和F2的變化情況，顯然是比較繁瑣的.

為了簡(jiǎn)潔、直觀地分析這一動(dòng)態(tài)過程，可以借助“幾何畫板”結(jié)合平行四邊形定則模擬支架的轉(zhuǎn)動(dòng)過程中兩輕繩中拉力F1和F2的變化情況，又為了更加清晰地呈現(xiàn)兩繩中拉力的變化情形，可用兩輕繩中拉力的大小為半徑作兩個(gè)圓，然后觀察支架轉(zhuǎn)動(dòng)過程中兩個(gè)圓大小的變化.這樣，轉(zhuǎn)動(dòng)過程中拉力F1和F2的變化情況便可如圖4所示，一目了然.

圖4

圖5

另外，還可以運(yùn)用創(chuàng)新思維的方法來分析兩輕繩中拉力F1和F2的變化情況.實(shí)際上，在支架順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，雖然兩輕繩的方向不斷變化，但重力的方向始終不變！所以支架順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的過程可等效為支架和輕繩不動(dòng)，重力沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)90°，如圖5所示，利用平行四邊形定則得到輕繩中拉力F1和F2的變化情況：F1先變大后變小，F(xiàn)2一直在變小.

學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，每一個(gè)學(xué)生都蘊(yùn)藏著巨大的學(xué)習(xí)潛能.教師是學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者，是學(xué)生思維和創(chuàng)新潛能的挖掘者、培養(yǎng)者.我們應(yīng)該在高中物理可視化教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)營(yíng)造創(chuàng)新的氛圍，培植創(chuàng)新的土壤，運(yùn)用諸如創(chuàng)造學(xué)之父奧斯本提出的創(chuàng)新六大法則——“改變”、“增加”、“減少”、“替代”、“顛倒”和“重組”訓(xùn)練，逐步提高學(xué)生的邏輯思維、形象思維、模糊思維、系統(tǒng)思維、開放思維、逆向思維、側(cè)向思維以及兩面思維、直覺思維等創(chuàng)新思維，指導(dǎo)學(xué)生勇于創(chuàng)新、敢于創(chuàng)新和善于創(chuàng)新，進(jìn)而引領(lǐng)學(xué)生不斷從創(chuàng)新走向成功，最終實(shí)現(xiàn)在“學(xué)中創(chuàng)”、“創(chuàng)中學(xué)”的目的.

4 整體性原則

整體性原則是系統(tǒng)論原理在高中物理可視化教學(xué)中的體現(xiàn)，經(jīng)典物理學(xué)是一幢由力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、原子和原子核理論等知識(shí)構(gòu)成的宏偉大廈，因此，高中物理中的每一章、每一節(jié)的教學(xué)都不是孤立的，而是整個(gè)教材知識(shí)體系不可分割的有機(jī)組成部分，與其他部分知識(shí)之間必然存在千絲萬縷的聯(lián)系.

顯然，高中物理可視化設(shè)計(jì)和教學(xué)應(yīng)從教材的整體出發(fā)，結(jié)合學(xué)生的身心特點(diǎn)和認(rèn)知發(fā)展水平的實(shí)際，明確每一章、每一節(jié)的教學(xué)內(nèi)容在整個(gè)教材知識(shí)體系中的地位和作用，在以學(xué)生為本的基礎(chǔ)上，緊緊圍繞新課程標(biāo)準(zhǔn)，起承轉(zhuǎn)合、承上啟下，整體把握、整體優(yōu)化、整體設(shè)計(jì)、整體推進(jìn)，利用直觀、具象、可視化的方法和物理實(shí)驗(yàn)抓住關(guān)鍵，突出重點(diǎn)，化解難點(diǎn)，確保教師、學(xué)生、教學(xué)媒體、教學(xué)內(nèi)容和物理實(shí)驗(yàn)五者協(xié)調(diào)、和諧運(yùn)作，最后達(dá)到整體邁進(jìn).

5 層次性原則

層次性原則是教學(xué)內(nèi)容的層次性、教學(xué)對(duì)象的層次性、教學(xué)要求的層次性、教學(xué)目標(biāo)的層次性和教學(xué)方法的層次性對(duì)高中物理可視化教學(xué)的客觀要求.高中物理教材的編撰一般遵循由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由形象到抽象，由定性到定量的規(guī)律.學(xué)生無論是對(duì)物理概念的建立和理解，還是對(duì)物理規(guī)律的認(rèn)識(shí)和掌握也是經(jīng)歷由表及里，由淺入深，由特殊到一般循序漸進(jìn)的過程.

層次性原則更是因材施教、尊重個(gè)性的教育思想在高中物理可視化教學(xué)中的體現(xiàn)，不同學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)、智力因素、接受能力和學(xué)習(xí)愿望不可能完全相同；同一學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平也具有階段性、差異性.因此，高中物理可視化教學(xué)應(yīng)具有鮮明的層次性，即“低起點(diǎn)面向全體，分類要求，個(gè)性化指導(dǎo)，多角度評(píng)價(jià)，多層次發(fā)展”，切實(shí)做到低起點(diǎn)、多臺(tái)階、多維度、多目標(biāo)，讓學(xué)生們拾級(jí)而上，使不同層次的學(xué)生都能有所收獲，實(shí)現(xiàn)協(xié)同發(fā)展.

6 反饋性原則

反饋性原則是控制論原理在高中物理可視化教學(xué)中的體現(xiàn)，任何系統(tǒng)只有通過及時(shí)的信息反饋和自檢，才可能實(shí)現(xiàn)有效的控制，從而達(dá)到既定目的.或者說，沒有信息反饋和自檢功能的系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)有效控制，進(jìn)而到預(yù)設(shè)目的是不可能的.

高中物理可視化教學(xué)過程是一個(gè)復(fù)雜的特殊系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)由教師、學(xué)生、教材、儀器、課件等和教學(xué)方法、手段等基本要素構(gòu)成.因此，為了實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的，在高中物理可視化教學(xué)的過程中一定要確保反饋渠道的暢通，對(duì)學(xué)生來說，反饋信息可以使學(xué)生強(qiáng)化正確、改正錯(cuò)誤、找出差距，促進(jìn)努力；對(duì)教師來說，反饋信息可以使教師掌握教學(xué)情況，調(diào)整、改進(jìn)教學(xué)方法，及時(shí)糾正教學(xué)活動(dòng)中出現(xiàn)的偏差或失誤，實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的高度同步、和諧統(tǒng)一，刻意提高高中物理可視化教學(xué)的針對(duì)性和有效性，從而圓滿完成教育教學(xué)任務(wù).

1 朱正元.加強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn) 提倡自制教具［J］.人民教育，1978（1）：40－43.

2 吳永熙，高俊.試論課堂教學(xué)中學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)策略［J］.學(xué)科教育，2000（6）：35－38.

3 普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）［M］.北京：人民教育出版社，2003.

4 周耀烈.思維創(chuàng)新與創(chuàng)造力開發(fā)［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，2008.