高中物理可視化教學(xué)策略研究

杭國榮 居海軍

電子技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展為學(xué)科教學(xué)帶來了新的理念，教師在物理學(xué)科教學(xué)設(shè)計(jì)中，利用各種技術(shù)手段輔助物理教學(xué)，將物理實(shí)驗(yàn)、物理知識(shí)和規(guī)律、思維的過程以及學(xué)生的學(xué)習(xí)反饋形象地、及時(shí)地展示出來，形成可視化的教學(xué)呈現(xiàn)方式與物理學(xué)科教學(xué)的整合。

物理學(xué)科是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，以實(shí)驗(yàn)探究和邏輯推理發(fā)展學(xué)生的思維能力。許多學(xué)生都反映物理學(xué)科太抽象、難學(xué)，現(xiàn)行的教學(xué)和考試模式也較多地讓學(xué)生關(guān)注抽象的物理知識(shí)，缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)的過程和知識(shí)獲得的思維過程的關(guān)注。其實(shí)，物理學(xué)科并不是冰冷的，而是我們對(duì)物理知識(shí)抽象的呈現(xiàn)方式給了人這種感覺。電子技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展為學(xué)科教學(xué)帶來了新的理念，教師在物理學(xué)科教學(xué)設(shè)計(jì)中，利用各種技術(shù)手段將物理實(shí)驗(yàn)、物理知識(shí)、物理規(guī)律、思維的過程以及學(xué)生的學(xué)習(xí)反饋形象地、及時(shí)地展示出來，形成可視化的教學(xué)與物理學(xué)科教學(xué)的整合。學(xué)生借助可視化教學(xué)能直觀地觀察、體驗(yàn)、利用這些生動(dòng)形象的物理實(shí)驗(yàn)和模型等，透過生動(dòng)形象的物理現(xiàn)象，探索本質(zhì)，形象地建立起物理知識(shí)和規(guī)律。

研究表明人腦的80%的功能都是用于處理視覺信息的。教師通過應(yīng)用可視化教學(xué)策略，幫助學(xué)生減少認(rèn)知負(fù)擔(dān)，使學(xué)生全身心的投入到解決問題的過程中，從而培養(yǎng)學(xué)生成功解決問題的能力，提高和拓展學(xué)生的認(rèn)知能力和創(chuàng)新能力。教師在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)可以從以下幾個(gè)方面入手，提高教學(xué)的可視化程度。

1物理實(shí)驗(yàn)的可視化策略

物理實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，無論是教師演示實(shí)驗(yàn)還是學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)都是花了大量的教學(xué)時(shí)間，但教學(xué)效果大多不是很理想。例如在教師在做演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，大部分學(xué)生離講臺(tái)的距離太遠(yuǎn)，學(xué)生不能清晰地看到演示的操作細(xì)節(jié)、實(shí)驗(yàn)的過程和結(jié)果，演示實(shí)驗(yàn)的效果大打折扣。學(xué)生難以從全方位看清、看懂老師的實(shí)驗(yàn)演示過程，學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)時(shí)就很難正確地操作儀器設(shè)備，高效地完成實(shí)驗(yàn)。教師在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮怎樣將實(shí)驗(yàn)的效果提高，通過什么樣的手段將實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)變得可視化。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師可以利用實(shí)物展示臺(tái)、攝像頭、相機(jī)甚至手機(jī)的電子設(shè)備，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)可視化目的。例如，利用洛倫茲力演示儀觀察帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)中，演示器材離學(xué)生距離遠(yuǎn)，同時(shí)里面充有稀薄氣體的玻璃罩反光特別厲害，很難看清玻璃罩中帶電粒子運(yùn)動(dòng)路徑上稀薄氣體發(fā)出的輝光。實(shí)驗(yàn)中教師可以利用攝像頭或數(shù)碼相機(jī)的實(shí)時(shí)取景功能對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)展示，通過數(shù)據(jù)線連接到電腦和投影機(jī)，可以在大屏幕上看到實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)；利用一塊不透明的遮光布就可以解決玻璃罩的反光問題，攝影頭或相機(jī)在遮光布里面可以拍到非常清晰的實(shí)驗(yàn)效果。例如在研究的彈簧中力的瞬時(shí)性問題，可以利用相機(jī)或手機(jī)拍攝下小球在彈簧的作用下，剪斷細(xì)線的瞬間，小球運(yùn)動(dòng)和彈簧的形變情況，在電腦上利用播放器慢速播放，將極短時(shí)間內(nèi)眼睛難以觀察的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象在屏幕上可視化，學(xué)生在慢速鏡頭下看到的實(shí)驗(yàn)效果對(duì)彈簧中的力不能瞬時(shí)突變的理解有著巨大的幫助，親眼所見一次比別人講許多遍的效果都要好。現(xiàn)在有的手機(jī)本身就帶有慢動(dòng)作的拍攝功能，在很多物理實(shí)驗(yàn)中都可以派上用場(chǎng)。在演示微小的實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以利用數(shù)碼相機(jī)的實(shí)時(shí)取景功能，在實(shí)時(shí)取景下相機(jī)的對(duì)焦點(diǎn)可以放大×1倍、×5倍、×10倍，微小的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)都可以放大可視化。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，手機(jī)、相機(jī)、電腦等電子產(chǎn)品基本人人都有，開發(fā)這些電子產(chǎn)品的教學(xué)功能，需要教師們開動(dòng)腦筋和學(xué)習(xí)借鑒。

2物理情景的可視化策略

物理規(guī)律的獲得和應(yīng)用都離不開物理情景，能夠建立的清晰的物理情景和物理模型，物理問題的解決工作已經(jīng)完成了一半。高中物理中一部分物理情景來源于生活、來源于實(shí)驗(yàn)，這些情景是可以通過圖片、視頻和實(shí)驗(yàn)操作展示給學(xué)生。例如課本上大量的演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)，如驗(yàn)證小球下落時(shí)機(jī)械能守恒，帶電粒子在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)，在氣墊導(dǎo)軌上演示兩滑塊的幾種碰撞情景等。實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，幫助學(xué)生建立物理情景和物理模型，提高學(xué)生的物理素養(yǎng)和解決物理問題的能力。物理教師要開足實(shí)驗(yàn)課，不能因?yàn)榕侣闊?，不去做?shí)驗(yàn)。學(xué)生做實(shí)驗(yàn)和聽實(shí)驗(yàn)是有區(qū)別的，親身經(jīng)歷過的事情有些是終生難忘的。高中物理教學(xué)中還有很多物理情景因?yàn)樵O(shè)備，資金等客觀原因無法展現(xiàn)給學(xué)生，教師可以借助多媒體技術(shù)和信息技術(shù)展現(xiàn)給學(xué)生。例如回旋加速器中帶電粒子的運(yùn)動(dòng)情況和交變電壓的周期變化情況在flash制作的動(dòng)畫中能夠非常直觀地觀察到帶電粒子的運(yùn)動(dòng)情景。衛(wèi)星的發(fā)射與回收也可以觀看相應(yīng)的動(dòng)畫，幫助學(xué)生建立物理情景。幾何畫板是一種數(shù)形結(jié)合的工具，利用它不僅能夠展示物理情景，還能反映數(shù)量關(guān)系，在小船過河的教學(xué)中，利用幾何畫板制作的動(dòng)畫能夠很好地展現(xiàn)小船過河的三種情景。教師在教學(xué)之余，經(jīng)常地收集一些與物理教學(xué)相關(guān)的動(dòng)畫、視頻等，在需要的時(shí)候夠能為物理教學(xué)服務(wù)。

3物理知識(shí)的可視化

有些學(xué)生認(rèn)為高中物理知識(shí)點(diǎn)和公式太多，太難記憶；他們利用機(jī)械地方式背公式，孤立地學(xué)習(xí)物理知識(shí)，記憶效果較差、容易遺忘。物理是一門有著自身知識(shí)系統(tǒng)和方法論的學(xué)科，知識(shí)問的聯(lián)系極其緊密，縱橫交錯(cuò)、環(huán)環(huán)相扣。物理學(xué)科知識(shí)就像是一顆知識(shí)之樹，有主干，有分支，有細(xì)葉。就拿力和運(yùn)動(dòng)的知識(shí)模塊來說吧，兩條處理動(dòng)力學(xué)的思路是力和能量，方法分別是牛頓運(yùn)動(dòng)定律和動(dòng)能定理，而動(dòng)能定理的推導(dǎo)就是在牛頓第二定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來的，可以說高中物理的動(dòng)力學(xué)問題就是一個(gè)牛頓第二定律。教師教學(xué)的關(guān)鍵就是幫助學(xué)生建立知識(shí)間的聯(lián)系，將知識(shí)形成可視化的網(wǎng)絡(luò)及圖像。教師在學(xué)科教學(xué)的設(shè)計(jì)是就應(yīng)當(dāng)考慮到物理知識(shí)的可視化和學(xué)科教學(xué)的整合，利用如MindMapper等思維導(dǎo)圖軟件，可以將物理知識(shí)網(wǎng)絡(luò)化、可視化，幫助學(xué)生形成物理命題網(wǎng)絡(luò)、物理圖式等系統(tǒng)化的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)記憶結(jié)構(gòu)。教師既要教授系統(tǒng)化的物理知識(shí)，也要教組織知識(shí)的方法——如列表、結(jié)構(gòu)圖、邏輯關(guān)系以及綜合運(yùn)用等。當(dāng)學(xué)生有了一定的組織知識(shí)的經(jīng)驗(yàn)時(shí)，完全可以由學(xué)生完成列表格或畫知識(shí)結(jié)構(gòu)圖等組織知識(shí)的任務(wù)，并在課上交流；其他學(xué)生評(píng)判知識(shí)間的關(guān)系是否真實(shí)、清晰，及時(shí)補(bǔ)充。如圖為學(xué)生利用知識(shí)結(jié)構(gòu)圖示畫出的機(jī)械能的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將知識(shí)形成可視化的圖式結(jié)構(gòu)，有利于在問題解決的過程中及時(shí)地在記憶中提取相關(guān)知識(shí)。

4學(xué)習(xí)反饋的可視化

學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的掌握的程度如何，在課堂上必須有一個(gè)及時(shí)的反饋。學(xué)生用粉筆在黑板上板演、板畫是課堂七傳統(tǒng)的教學(xué)效果的反饋方式；實(shí)物投影也可以用來展示學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。交互式電子白板的出現(xiàn)，真正實(shí)現(xiàn)了白板與計(jì)算機(jī)、演示者與聽眾之間的雙向互動(dòng)。教師或?qū)W生直接用感應(yīng)筆或手指在白板上操作（相當(dāng)于傳統(tǒng)教學(xué)中師生用粉筆在黑板上操作）：寫字或調(diào)用各種軟件，然后通過電磁感應(yīng)反饋到計(jì)算機(jī)中并迅速通過投影儀投射到電子白板上，學(xué)生可以將解題的過程和思路，及時(shí)地展示到電子白板上。學(xué)習(xí)結(jié)果反饋的可視化，可以幫助教師迅速的調(diào)整教學(xué)的進(jìn)度和難度，也可以幫助學(xué)生借鑒其他同學(xué)的學(xué)習(xí)中的得失對(duì)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)行反思。近些年信息技術(shù)在輔助教學(xué)中的發(fā)展為大規(guī)模的學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果的反饋提供了可能。點(diǎn)陣數(shù)碼筆是最近剛剛興起的一種學(xué)習(xí)輔助工具，它通過在普通紙張上印刷一層不可見的點(diǎn)陣圖案，簡稱為點(diǎn)陣紙：在筆的前端的高速攝像頭隨時(shí)捕捉筆尖的運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)壓力傳感器將壓力數(shù)據(jù)傳回?cái)?shù)據(jù)處理器，最終將信息通過藍(lán)牙或者USB線向外傳輸?shù)男滦蜁鴮懝ぞ?。多人用點(diǎn)陣數(shù)碼筆在紙上書寫的同時(shí)，他們的書寫結(jié)果會(huì)同步到電腦中，老師可以實(shí)時(shí)掌握每個(gè)人在紙上的書寫內(nèi)容，可以隨機(jī)在大屏幕上點(diǎn)取任何一個(gè)學(xué)生的答題內(nèi)容進(jìn)行展示，突破了現(xiàn)有的交流模式，節(jié)約了時(shí)間，使教師在課堂上關(guān)注每一位學(xué)生的學(xué)習(xí)情況成為可能。但是點(diǎn)陣筆價(jià)格昂貴，給每位學(xué)生配置一支點(diǎn)陣筆，普通學(xué)校經(jīng)濟(jì)難以承受。教師還可以用一個(gè)比較經(jīng)濟(jì)簡單的方法實(shí)現(xiàn)每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果反饋可視化：利用在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的智能手機(jī)和電腦，利用一個(gè)叫做蘋果錄屏大師的小軟件，可以將手機(jī)屏幕上的內(nèi)容在電腦屏幕和投影上產(chǎn)生鏡像，利用手機(jī)拍攝學(xué)生完成的成果就可以實(shí)時(shí)地展示在大屏幕上，分析學(xué)生的學(xué)習(xí)掌握情況。這種經(jīng)濟(jì)可行的教學(xué)輔助手段能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果反饋的可視化，能夠幫助教師對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行診斷，及時(shí)調(diào)整教學(xué)的策略。

信息化技術(shù)的發(fā)展是時(shí)代大勢(shì)所趨，將多媒體和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于輔助教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)和物理學(xué)科的整合，科學(xué)地運(yùn)用信息技術(shù)，促進(jìn)教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)的整體優(yōu)化，提高物理教學(xué)的效益。信息技術(shù)和學(xué)科整合的一個(gè)新的發(fā)展方向就是電子化的學(xué)習(xí)資源，學(xué)生能利用電腦或pad等在線自主地學(xué)習(xí)，相關(guān)的信息技術(shù)和學(xué)科整合的進(jìn)度值得教師們關(guān)注。