用“數(shù)字化學(xué)習(xí)”進(jìn)行學(xué)科深度融合

張燕紅 畢文慧

數(shù)字化生活、數(shù)字化學(xué)習(xí)，這是在信息技術(shù)課程中落實學(xué)科間深度融合的重要領(lǐng)域。在這個領(lǐng)域可以相對單純地利用技術(shù)去研究、解決實際問題，而不必過多顧及技術(shù)的操作要點(diǎn)、技術(shù)的原理探究等，讓科學(xué)的深度融合丟掉很多包袱。在這樣的數(shù)字化學(xué)習(xí)進(jìn)程中，我們需要參考STEAM的理念，時刻關(guān)注科學(xué)精神、技術(shù)技能、工程思想、藝術(shù)審美、數(shù)學(xué)思維的運(yùn)用。我們用“物理引擎（Algodoo）”數(shù)字實驗室軟件，探究物理問題，觀察物理現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律，開展數(shù)字化學(xué)習(xí)，供大家參考討論。

數(shù)字化學(xué)習(xí)準(zhǔn)備：科學(xué)實驗是發(fā)現(xiàn)真知的最奇妙的道路

1.明確數(shù)字化學(xué)習(xí)的意義

數(shù)字實驗室，雖然不能代替真實的實驗室，但是它可以讓實驗更容易、更快捷，并且能夠完成很多現(xiàn)實中不容易完成的實驗，它是探究問題的好工具。數(shù)字實驗室有很多種，如可以探究數(shù)學(xué)的“幾何畫板”，探索物理的“物理引擎（Algodoo）”，研究地理的“谷歌地球”，還有與真實實驗室通過傳感器相連的數(shù)字實驗設(shè)備等。

2.物理學(xué)科的問題選擇

物理中有很多有趣的實驗，如浮力、摩擦力、光的反射與折射等。你對哪個實驗有疑惑，就可以通過Algodoo軟件來設(shè)計自己的探究項目，在探究中觀察實驗現(xiàn)象，總結(jié)實驗規(guī)律，并提高自己利用數(shù)字實驗室的技能。

3.數(shù)字化學(xué)習(xí)軟件推薦

Algodoo軟件能夠自動化、智能化地完成運(yùn)動、光、機(jī)械等多方面的實驗設(shè)計，甚至可以自由繪制元件、自行設(shè)計實驗。例如，教師可以結(jié)合物理學(xué)習(xí)中的力學(xué)、光學(xué)等進(jìn)行問題研究，使學(xué)生體驗數(shù)字化實驗的美麗，培育其數(shù)字化學(xué)習(xí)的素養(yǎng)。

數(shù)字化學(xué)習(xí)項目指導(dǎo)：探究光的傳播規(guī)律

1.學(xué)科問題的引出

你知道“光年”這個詞匯嗎？這個單位是表示時間的還是距離的呢？

光的現(xiàn)象非常有趣，大到“月相”那樣的宇宙現(xiàn)象，小到“光合作用”這樣的微觀現(xiàn)象，光可以說是我們?nèi)祟愖詈诵牡男枨笾?。因此，光學(xué)研究是一個永恒的使命。

隨著學(xué)習(xí)的深入，我們會對光的現(xiàn)象與規(guī)律有更多的疑惑，如光真是沿直線傳播的嗎？光真是由各種光合成的嗎？現(xiàn)在就讓我們用數(shù)字實驗來一步步尋找答案吧。

2.學(xué)科探究的過程

在實驗之前，我們不妨先制定一個探究方案，包括實驗內(nèi)容、實驗的數(shù)字器材和實驗結(jié)論等。當(dāng)然，因為現(xiàn)在是初學(xué)數(shù)字化實驗，也可以先針對實驗進(jìn)行嘗試，先體驗技術(shù)再設(shè)計更合理的實驗方案，進(jìn)行更豐富的研究。學(xué)生探究過程與教師技術(shù)指導(dǎo)如下。

（1）光直線傳播的條件

①建立檔案。啟動Algodoo軟件，新建一個背景是暗色的檔案，并保存。

②制作光源。使用鐳射筆工具，創(chuàng)建一個光源。并探索如何移動、旋轉(zhuǎn)光源，如何調(diào)整光的顏色、粗細(xì)等參數(shù)。

③觀察光在玻璃透鏡內(nèi)外的傳播路徑。使用方框工具，繪制一個方塊，觀察光的傳播現(xiàn)象；右擊設(shè)置一個材質(zhì)為玻璃的透鏡，觀察光的傳播路徑與發(fā)生的現(xiàn)象，并討論原因；制作更大的玻璃塊，觀察光在玻璃內(nèi)部的傳播路徑。嘗試旋轉(zhuǎn)一下玻璃，讓光不是垂直射入玻璃，你能觀察到光的傳播路徑有什么變化？

④觀察光在液體內(nèi)外的傳播路徑。選中玻璃透鏡逐一刪除，并旋轉(zhuǎn)光源；使用畫筆在底部繪制一個器皿；在器皿上方制作一個較大的方塊，執(zhí)行右鍵菜單中的“液化所選物件”；執(zhí)行控制條上的播放按鈕，播放動畫效果；觀察光線在液體內(nèi)外的傳播路徑。

⑤右擊液體，改變其光的折射率，觀察光傳播路徑的變化；液體中再次混入其他液體，觀察光傳播路徑的變化。

參考以上技術(shù)，制定自己的實驗方案，研究光在相同、不同的傳播介質(zhì)中的傳播路徑有何變化，由此可以驗證、總結(jié)出光的哪些傳播規(guī)律？

（2）探究光色散的奧秘

牛頓是第一個做光的色散實驗的人，他發(fā)現(xiàn)了光譜，否定了那些憑經(jīng)驗認(rèn)為白光是沒有顏色的光組成的人的觀點(diǎn)。這也告訴了我們一個道理，經(jīng)驗主義在科學(xué)實驗面前是多么的蒼白無力。

白光為什么能夠色散出各色的光呢？參考以下的實驗，讓我們邊觀察，邊思考，共同討論、探索。

①觀察單色光通過三棱鏡的現(xiàn)象。制作一個單色光源，如紅色；使用多邊形工具，用Shift鍵配合，繪制一個三邊是直線的封閉圖塊；使用材質(zhì)功能，更換為玻璃材質(zhì)；觀察光折射后的現(xiàn)象。選中光源，執(zhí)行右鍵菜單的“復(fù)制”，移動對齊兩個光源，更換其中一個光源為另外的單色光，觀察哪些單色光折射后是在紅光上面，哪些是在紅色下面（如圖1）。

由以上對比實驗，可以總結(jié)出，在相同的情況下，不同的單色光的折射角有什么差異？

②觀察白光通過三棱鏡的現(xiàn)象。更換光源為白光，觀察色散現(xiàn)象；使用圓形、矩形等透鏡，觀察散射現(xiàn)象的不同程度（如下頁圖2）。

經(jīng)過上面的實驗，討論不同透鏡的折射功能有何不同？思考：為什么要用三棱鏡進(jìn)行實驗？

3.要擅于利用教程和幫助學(xué)習(xí)技術(shù)

在技術(shù)學(xué)習(xí)與作品創(chuàng)作中，我們遇到問題，除去討論、搜索之外，更要善于使用幫助，幫助往往是最好的教程。一般的教程或幫助是單獨(dú)提供相關(guān)文檔或菜單功能，而Algodoo這款軟件提供的教程是在操作界面上直接指示操作的位置與功能，并進(jìn)行相應(yīng)的解說。

①跟著幫助中的教程學(xué)習(xí)，探究摩擦力或浮力實驗。啟動Algodoo軟件，單擊“？”，選擇“物體滑動的摩擦”，然后就可以通過“下一步”按鈕，直觀地、一步一步地學(xué)習(xí)相關(guān)的技術(shù)，設(shè)計對比實驗，探究摩擦力的有關(guān)問題。

②調(diào)用范例程序?qū)W習(xí)技術(shù)，探究超重與失重現(xiàn)象。啟動Algodoo軟件，執(zhí)行“檔案”“讀取場景”，調(diào)用“elevator”（電梯）范例程序（如下頁圖3），通過指標(biāo)用箭頭鍵控制電梯，觀察超重、失重現(xiàn)象。參考有關(guān)技術(shù)，學(xué)生們以小組為單位，設(shè)計自己的實驗，研究超重與失重。

數(shù)字化學(xué)習(xí)交流總結(jié)：學(xué)科學(xué)習(xí)與技術(shù)技能共同成長

本次學(xué)習(xí)，學(xué)生主要以物理引擎（Algodoo）軟件設(shè)計自己的實驗，進(jìn)行學(xué)科問題的探究。教師鼓勵學(xué)生運(yùn)用物理知識去仿真設(shè)計體現(xiàn)自己思維創(chuàng)新的實驗。模仿是技術(shù)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，但是更高的層次應(yīng)是運(yùn)用技術(shù)、知識去創(chuàng)新，去創(chuàng)造，這樣才能發(fā)展自己的創(chuàng)新思維。在交流中，教師建議學(xué)生們大膽秀出自己的設(shè)計，即使是一個很小的物理元件或者部分的機(jī)械構(gòu)造，都會展現(xiàn)他們創(chuàng)新思維的成長與技術(shù)技能的進(jìn)步。

在交流時希望大家關(guān)注以下兩個角度。第一，用了什么方法進(jìn)行實驗探究，如在實驗中對比現(xiàn)象，在實驗中分析數(shù)據(jù)，在實驗中質(zhì)疑反正，在現(xiàn)實中創(chuàng)新嘗試等。第二，采用了哪些技術(shù)，如何運(yùn)用技術(shù)去設(shè)計實驗，探究問題，如使用了不同的“材質(zhì)”變化對比浮力的大小，使用了“復(fù)制”“液化”技術(shù)獲得等體積的排水量等。

總之，數(shù)字化學(xué)習(xí)既要遵循科學(xué)性，又要發(fā)揮技術(shù)的高效、直觀、快捷等優(yōu)勢，只有這樣才能讓我們的學(xué)習(xí)更有效益。另外，筆者還建議大家去了解、探索更多的其他學(xué)科的仿真實驗的軟件，通過實驗心得的展示、分享，促進(jìn)學(xué)科學(xué)習(xí)與技術(shù)技能共同成長。