基于數(shù)據(jù)探究理論的“數(shù)字化物理教學(xué)”的實(shí)踐研究

史 藝

（北京101中學(xué)，北京 100091）

《高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)》中明確提出：“現(xiàn)代信息技術(shù)的迅猛發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為物理課程提供了豐富的課程資源.將信息技術(shù)與物理課程整合，既有利于學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識和技能，又有利于培養(yǎng)學(xué)生收集信息、處理信息、傳遞信息的能力”.在物理課教學(xué)中，多媒體技術(shù)和數(shù)字化方法已經(jīng)顯示出它在科學(xué)教育中的巨大發(fā)展?jié)摿?，?shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)確地得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和強(qiáng)大快速的數(shù)據(jù)處理能力拓展了物理實(shí)驗(yàn)的深度和廣度，開創(chuàng)了嶄新的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，為物理教學(xué)提供了全新的技術(shù)手段和教學(xué)平臺.

1 大數(shù)據(jù)時(shí)代背景呼喚人的數(shù)據(jù)素養(yǎng)

縱觀科學(xué)發(fā)展史，量化是科學(xué)的重要方法.從伽利略時(shí)代起，科學(xué)家們開始以實(shí)物實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)推理的方式認(rèn)識自然世界，科學(xué)因此分成了兩種形態(tài)，一是實(shí)物實(shí)驗(yàn)形態(tài)，二是數(shù)學(xué)推理形態(tài).隨著科學(xué)發(fā)展到今天的大數(shù)據(jù)時(shí)代，科學(xué)家和工程師借助計(jì)算機(jī)手段研究事物，科學(xué)出現(xiàn)了基于計(jì)算機(jī)的第三種形態(tài)——計(jì)算形態(tài).在信息技術(shù)成為社會(huì)顯在技術(shù)的今天，科學(xué)素養(yǎng)包含著既相互區(qū)別又密不可分的3個(gè)方面，即理論素養(yǎng)、實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)和數(shù)據(jù)素養(yǎng).理論素養(yǎng)是一種基于邏輯運(yùn)算的素養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)是一種基于真實(shí)實(shí)驗(yàn)的素養(yǎng)，而數(shù)據(jù)素養(yǎng)是一種基于計(jì)算機(jī)計(jì)算的素養(yǎng)，是根據(jù)掌握數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，在海量數(shù)據(jù)中探索規(guī)律，產(chǎn)生經(jīng)驗(yàn)和知識的素養(yǎng)，它是科學(xué)素養(yǎng)、人文素養(yǎng)、信息素養(yǎng)的交集，如圖1.比如伽利略在教堂做禮拜時(shí)利用脈搏計(jì)數(shù)發(fā)現(xiàn)了吊燈擺動(dòng)的等時(shí)性，紅學(xué)專家通過統(tǒng)計(jì)《紅樓夢》前80回和后40回文言虛詞的使用頻率確定了后40回為他人續(xù)寫，這都是良好數(shù)據(jù)素養(yǎng)的體現(xiàn).

圖1 包含圖

2 基于數(shù)據(jù)探究理論的“數(shù)字化物理教學(xué)”實(shí)踐

“數(shù)字化物理教學(xué)”是一種在大數(shù)據(jù)環(huán)境下以提高每一個(gè)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)特別是數(shù)據(jù)素養(yǎng)為宗旨，以探究式教學(xué)為鮮明特征，以科學(xué)思想、科學(xué)方法和數(shù)據(jù)挖掘方法為核心的教學(xué)模式.不只是把數(shù)字化技術(shù)僅僅作為輔助教或輔助學(xué)的工具，而是強(qiáng)調(diào)要利用數(shù)字化技術(shù)建構(gòu)一種新型的教學(xué)環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)能支持自主探索、多重交互、情境創(chuàng)設(shè)、合作學(xué)習(xí)、資源共享等多方面要求的學(xué)習(xí)方式.

基于數(shù)據(jù)探究理論的數(shù)字化研究方法是指數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、頻閃光源、傳感器探頭或仿真物理實(shí)驗(yàn)室等多種媒體獲取信息和數(shù)據(jù)，再利用網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)，借助數(shù)據(jù)處理軟件（如幾何畫板、Excel表格、影音播放軟件、視頻截屏軟件以及仿真實(shí)驗(yàn)室等）進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和研究.本著這樣的理念，我們從必修課、選修課、特色課等多方面展開了“數(shù)字化物理教學(xué)”實(shí)踐研究.

在人教版高中物理教材中，編寫者就加進(jìn)了大量利用數(shù)字化研究方法，在物理必修課的教學(xué)中，我們根據(jù)實(shí)際內(nèi)容的需要，不僅局限于教材中要求的內(nèi)容，選用多種類型的多媒體輔助教學(xué)軟件，充分發(fā)揮它們在物理教學(xué)中的功能.比如必修一我們用傳感器測速度、用計(jì)算機(jī)繪制v-t圖線、用頻閃照相研究小球自由下落的閃光照片、用傳感器研究滑動(dòng)摩擦力與最大靜摩擦力的關(guān)系、用幾何畫板研究合力與分力的關(guān)系、用傳感器演示沙桶的重力不等于繩子的拉力、用傳感器探究作用力與反作用力的關(guān)系、用力板傳感器研究人跳躍中的超重失重等.

再以必修2的“平拋運(yùn)動(dòng)”教學(xué)為例，在課堂中，利用數(shù)碼相機(jī)、計(jì)算機(jī)等獲取、處理數(shù)據(jù)的手段，如圖2，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生自主獲取平拋規(guī)律的目的.通過小組間不同的獲取數(shù)據(jù)方式，增強(qiáng)了學(xué)生協(xié)作的潛意識與動(dòng)手能力.從課下作業(yè)反饋情況來看，學(xué)生理解了平拋運(yùn)動(dòng)按水平與豎直方向分解的兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)特點(diǎn).能夠自行推導(dǎo)出平拋運(yùn)動(dòng)速度、位移隨時(shí)間變化規(guī)律公式.與學(xué)生談話中了解到，學(xué)生比較喜歡這種自己動(dòng)手尋找規(guī)律的方式.

圖2 平拋運(yùn)動(dòng)裝置

3 基于數(shù)據(jù)探究理論的“數(shù)字化物理教學(xué)”的思考與啟示

經(jīng)過3年的實(shí)踐研究，我們認(rèn)為“數(shù)字化物理教學(xué)”確實(shí)發(fā)揮出獨(dú)特的優(yōu)勢，能支持自主探索、情境創(chuàng)設(shè)、合作學(xué)習(xí)、資源共享等多方面要求，能夠把學(xué)生的主動(dòng)性、積極性充分調(diào)動(dòng)起來，較好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力和數(shù)據(jù)素養(yǎng).

3.1 數(shù)字化物理教學(xué)能夠幫助學(xué)生完成由形象到抽象的思維升華

在物理教學(xué)中，有些內(nèi)容比較抽象，看不到、摸不著，學(xué)生無法想象、無法在腦海中建立物理圖景，這樣就妨礙了學(xué)生對物理規(guī)律的深入理解.比如帶電粒子運(yùn)動(dòng)的問題，如圖3，有一個(gè)點(diǎn)狀的放射源S，它向各個(gè)方向發(fā)射α粒子，求ab板上被α粒子打中的區(qū)域的長度（具體條件略）.同學(xué)比較集中的錯(cuò)誤畫法有2種，如圖4所示.為了讓學(xué)生在腦海中建立具體的圖景，根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到不同方向的粒子運(yùn)動(dòng)軌跡.

圖3

圖4 粒子軌跡圖

圖5

我們知道產(chǎn)生極值的條件如圖5所示，可以看到有一個(gè)圓軌跡在左側(cè)與板ab相切，切點(diǎn)就是左側(cè)最遠(yuǎn)點(diǎn)；右側(cè)α粒子在運(yùn)動(dòng)中離S點(diǎn)的距離不會(huì)超過2R，所以離S點(diǎn)的距離為2R的點(diǎn)為右側(cè)最遠(yuǎn)點(diǎn).如果α粒子打中的區(qū)域邊界點(diǎn)P和Q正確作出，距離按幾何關(guān)系就很容易求出了.如圖6有的打在板上、有的沒打上，兩種邊界情況一目了然，幫助學(xué)生由形象到抽象的思維升華.

圖6 數(shù)字化動(dòng)態(tài)圖

3.2 數(shù)字化研究方法能夠有效地突破教學(xué)難點(diǎn)，提高教學(xué)效果

數(shù)字化的研究方法能夠把動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的反映在計(jì)算機(jī)中，以便師生挖掘其物理內(nèi)涵，加速了從觀察現(xiàn)象、建立模型、到認(rèn)識本質(zhì)的思維過程，有效地突破教學(xué)難點(diǎn)，提高教學(xué)效果.在學(xué)習(xí)物理必修1的超重失重時(shí)，借助力板傳感器，在電腦中同步記錄下某學(xué)生在力板上跳躍的視頻和力隨時(shí)間變化圖像如圖7，再將第一次跳躍的圖像橫向展開，如圖8對特殊點(diǎn)附上坐標(biāo)值，對學(xué)生在0－t1、t1－t2、t2－t3等時(shí)間內(nèi)的跳躍過程進(jìn)行受力和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析，這對于高一剛開始學(xué)習(xí)牛頓定律的學(xué)生是一個(gè)不小的挑戰(zhàn).學(xué)生對來自于生活、來自于自身的問題充滿興趣，注意力格外集中、求知欲格外旺盛.這部分的教學(xué)理性中洋溢著激情，歡樂中落實(shí)了難點(diǎn)，深化了將實(shí)際問題建立物理模型的科學(xué)研究方法.

圖7 力的變化圖

圖8 坐標(biāo)值

為了檢驗(yàn)教學(xué)的效果，我們特意選擇了平時(shí)程度相當(dāng)?shù)膬蓚€(gè)班作為實(shí)驗(yàn)組和對照組做了比較，在第一學(xué)期期末考試中設(shè)計(jì)了“在2004年雅典奧運(yùn)會(huì)上，我國運(yùn)動(dòng)員黃珊汕第一次參加蹦床項(xiàng)目，彈簧床面與運(yùn)動(dòng)員間的彈力隨時(shí)間變化的規(guī)律在計(jì)算機(jī)上繪制出的曲線”.這道經(jīng)典題目作為測試，實(shí)驗(yàn)組53人平均得分8.9，對照組52人平均得分7.8，該題的得分情況是：由此可以看出，用數(shù)字化方法確實(shí)能有效地突破教學(xué)難點(diǎn)，使學(xué)生深入理解物理概念的內(nèi)涵，提高教學(xué)效果.

3.3 數(shù)字化研究方法有利于培養(yǎng)學(xué)生的問題意識和數(shù)據(jù)探究能力

古人云“工欲善其事，必先利其器”，有了數(shù)字化方法這個(gè)強(qiáng)大的工具和環(huán)境，學(xué)生的問題意識大大增強(qiáng)，總是希望能夠借助它解決更多的問題.在“動(dòng)量守恒定律”教學(xué)中，我們用滑塊和氣墊導(dǎo)軌或利用鋼球和玻璃球的碰撞來驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律，而實(shí)際生活中更多的碰撞是二維或是三維的斜碰，學(xué)生們對驗(yàn)證二維碰撞中的動(dòng)量守恒充滿了興趣，提出能否驗(yàn)證二維碰撞中的動(dòng)量守恒.

學(xué)生提出了一個(gè)從未想過的問題，其次，怎樣去探究？我們在網(wǎng)上查閱資料，沒有發(fā)現(xiàn)相關(guān)的研究和結(jié)論，這真的給學(xué)生一個(gè)挑戰(zhàn).經(jīng)過討論，我們確定利用CASIO（EX—FH100）數(shù)碼相機(jī)的HIGH SPEED（高速）攝像功能拍攝小球的二維碰撞過程，得到視頻文件，然后通過視頻播放軟件“QQ影音”和視頻截圖軟件“Mr.Captor”進(jìn)行截圖，得到類似于頻閃照片的圖片如圖9，4張圖片是運(yùn)動(dòng)的甲球撞靜止的乙球，實(shí)驗(yàn)中碰撞前的兩張圖片和碰撞后的兩張圖片，時(shí)間間隔均為0.03s.

圖9 頻閃照片

圖10 位置坐標(biāo)

在我們開設(shè)的選修課中，之前帶領(lǐng)學(xué)生用頻閃照相技術(shù)得到自由落體或平拋運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)的頻閃照片，再用照片粘貼至幾何畫板中從而對運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究.看來學(xué)生對這種利用多媒體技術(shù)充滿了熱情，也掌握了基本的數(shù)字化研究方法，從紛繁龐雜的數(shù)據(jù)中理清思路，并且已經(jīng)開始躍躍欲試的用這種方法去嘗試探索新的問題.

3.4 培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)素養(yǎng)，為走向未來社會(huì)奠定基礎(chǔ)

麻省理工學(xué)院的Brynjolfsson教授說：“大數(shù)據(jù)好比人類幾個(gè)世紀(jì)之前發(fā)明的顯微鏡，顯微鏡把人類對自然界的觀察和測量水平推進(jìn)到了細(xì)胞級別，帶來了歷史性的革命和進(jìn)步，而大數(shù)據(jù)將成為觀察人類自身行為的“顯微鏡”，這個(gè)顯微鏡將再一次擴(kuò)大人類科學(xué)的范圍，推進(jìn)人類知識的增長，引領(lǐng)新的經(jīng)濟(jì)繁榮.”在美國這個(gè)年輕的國家，數(shù)據(jù)素養(yǎng)卻有著深厚的積淀，數(shù)據(jù)被視為科學(xué)的量度，沒有數(shù)據(jù)，無論是學(xué)術(shù)研究、政策制定亦或人文關(guān)懷都寸步難行.比如2011年7月26日《紐約時(shí)報(bào)》報(bào)道：截至中國擁有7800萬機(jī)動(dòng)車輛，大概相當(dāng)于美國的1/3，根據(jù)中國警方的報(bào)告，2010年有7萬人死于交通事故，是美國的2倍，真實(shí)的數(shù)據(jù)可能還要高很多，兩國的交通安全專家認(rèn)為：美國的數(shù)據(jù)非?？煽浚y(tǒng)計(jì)了每一宗死亡案例，但中國的地方警察部門存在少報(bào)、瞞報(bào)的問題，只有一小部分交通死亡的數(shù)據(jù)進(jìn)入了官方的報(bào)告.在美國交通安全局的網(wǎng)頁上可以輕松找到以每年交通事故的數(shù)據(jù)，經(jīng)過簡單的對比和分析，就能發(fā)現(xiàn)有規(guī)可循，比如從2008年和2009年交通事故按月對比發(fā)現(xiàn)夏季5－8月明顯是一年中的事故高發(fā)期.從2009年致命交通事故按照星期和時(shí)間對比發(fā)現(xiàn)每天的18∶00－21∶00是高發(fā)時(shí)段，但星期六這個(gè)時(shí)段的事故發(fā)生率比工作日要多.午夜0點(diǎn)至3點(diǎn)事故的原因近七成是酒后駕駛.從2009年交通事故按天氣和路況對比發(fā)現(xiàn)惡劣天氣并不是事故的必然原因，絕大部分事故發(fā)生在正常天氣和白天.交通安全管理局會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，調(diào)整制定新的政策，新政策實(shí)施后再搜集新的數(shù)據(jù)，進(jìn)入新一輪的效果評估，周而復(fù)始，循“數(shù)”漸進(jìn)，正如信息管理專家涂子沛所說：“正在到來的數(shù)據(jù)革命改變著我們的政府、商業(yè)與我們的生活.”

我們探究主題不會(huì)只局限于物理，如：“測月球環(huán)形山面積”為例，該探究主題中任務(wù)為“月球環(huán)形山的科學(xué)知識”；“血滴偵探”中，任務(wù)為模仿電視欄目“華人世界”中的一個(gè)破案片段；生活中我們要測量、可測量的東西有很多，孩子們隨著學(xué)習(xí)的深入，發(fā)現(xiàn)原來利用現(xiàn)代技術(shù)手段可以做這么多的事.在“face to face”主題探究中，學(xué)生們發(fā)現(xiàn)黃金分割不再是簡單的數(shù)學(xué)比例，它還可以直接用到我們的臉上，你美不美，我可有數(shù)據(jù)為證！如圖11和12，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生利用攝像頭、幾何畫板等手段處理數(shù)據(jù)的熱情，增強(qiáng)了學(xué)生數(shù)據(jù)探究意識.……漸漸的，學(xué)生們用現(xiàn)代技術(shù)手段探究問題的意識、處理問題的能力都得到了提高，解決問題的方法也越來越多了.

圖11 面部比例分布

圖12 面部比例分布

大數(shù)據(jù)時(shí)代之所以產(chǎn)生，是因?yàn)榻裉鞜o處不在的傳感器和微處理器，所有的機(jī)械、電子設(shè)備和我們的生活都可以留下數(shù)據(jù)痕跡.這些痕跡表明了它的性能、狀態(tài)、位置、發(fā)展方向，我們希望通過數(shù)字化的物理教學(xué)模式能夠加強(qiáng)學(xué)生與生活、現(xiàn)代社會(huì)及科技發(fā)展的聯(lián)系.無論學(xué)生從事的工作領(lǐng)域是科學(xué)研究還是政府管理亦或是商業(yè)活動(dòng)，都能有良好的數(shù)據(jù)素養(yǎng)，有對數(shù)據(jù)的敏感和探索的熱情.而作為大數(shù)據(jù)時(shí)代的教育工作者，我們要鍛煉自己敏銳的觸覺和高遠(yuǎn)的視野，要思考學(xué)生除了物理知識之外的需要，一種適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需要，一種成為未來社會(huì)擔(dān)當(dāng)人才的需要。

1 壽千里.用數(shù)碼相機(jī)和Photoshop進(jìn)行頻閃照相的方法［J］.物理教學(xué)探討，2008（5）：53－55.

2 項(xiàng)華.信息技術(shù)與中學(xué)物理教學(xué)整合［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2013（9）：9，24，225.

3 徐子沛.大數(shù)據(jù)［M］.桂林：廣西師范大學(xué)出版社，2013（4）：64－68.