基于現(xiàn)代信息技術(shù)的大學(xué)物理形象化教學(xué)

覃方麗

(中國石油大學(xué)(北京) 理學(xué)院，北京 102249)

1 大學(xué)物理形象化教學(xué)的背景

大學(xué)物理理論性強、高度抽象的特點使學(xué)生在課堂上理解困難，有些物理圖像超出學(xué)生的想象，使學(xué)生望而生畏.在課堂上將抽象化的物理知識形象化、直觀化，是大學(xué)物理教師努力的方向之一.

日新月異、層出不窮的現(xiàn)代技術(shù)，為實現(xiàn)形象化大學(xué)物理課堂教學(xué)提供了手段.近來，現(xiàn)代信息技術(shù)在MOOC(慕課)[1-4]、同伴教學(xué)法[5-7]、SPOC[8]等新教學(xué)模式中發(fā)揮了重大作用[9]，有效提高了大學(xué)物理教學(xué)效率.但針對大學(xué)物理理論性強、高度抽象化的特點，這些新教學(xué)模式并未從根本上解決教師教學(xué)、學(xué)生學(xué)習(xí)的困難.除了利用這些新教學(xué)模式外，物理教學(xué)還應(yīng)充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)使抽象的物理知識形象化，增加教學(xué)過程中的互動性，從而使難以理解的概念變得直觀、易懂，以利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高大學(xué)物理教學(xué)質(zhì)量.

2 大學(xué)物理形象化教學(xué)的現(xiàn)代信息技術(shù)手段及其實例

實現(xiàn)大學(xué)物理形象化教學(xué)的現(xiàn)代信息技術(shù)手段很多，且其發(fā)展日新月異. 以下介紹筆者在大學(xué)物理課堂教學(xué)中應(yīng)用手機、數(shù)值模擬、現(xiàn)代智能設(shè)備等現(xiàn)代信息技術(shù)實現(xiàn)形象化教學(xué)的幾個實例.

2.1 應(yīng)用手機演示“拍”和“光的偏振”

手機集成了眾多現(xiàn)代科學(xué)技術(shù).目前手機已經(jīng)普遍應(yīng)用于課堂教學(xué)中，如教學(xué)互動、簽到、測試等.近年來眾多物理教師開始重視手機在物理實驗中的作用，開發(fā)了許多相關(guān)應(yīng)用[10-12].

應(yīng)用手機聲音發(fā)生器的相關(guān)APP可以演示“拍”現(xiàn)象.圖1(a)和圖1(b)分別顯示了應(yīng)用“Frequency Sound Generator”APP和“多頻振動launch”APP演示“拍”現(xiàn)象的實驗.授課時，教師可發(fā)給學(xué)生一個頻率未知的正弦波聲信號，讓學(xué)生自行應(yīng)用手機合成“拍”現(xiàn)象，測量教師所給信號的頻率，從而體驗“拍”的應(yīng)用，加深理解“拍”產(chǎn)生的原理.此外，應(yīng)用“多頻振動launch”APP中“音符”功能下發(fā)出的音樂可以輔助解釋樂器的調(diào)音原理(圖2(a))；應(yīng)用“自動頻率變化”功能可體驗“多普勒效應(yīng)”(圖2(b)).

圖1 手機APP演示“拍”現(xiàn)象

圖2 應(yīng)用“多頻振動launch”APP

手機可以應(yīng)用于“光的偏振”課堂演示.授課時指導(dǎo)學(xué)生將偏振眼鏡的一個鏡片置于手機液晶屏前，轉(zhuǎn)動鏡片，觀察到兩種現(xiàn)象：消光(圖3(a))和不消光.在不消光的手機上再加一幅偏振眼鏡，旋轉(zhuǎn)鏡片，觀察到消光現(xiàn)象(圖3(b))，且兩個鏡片夾角為90度.此手機發(fā)出的光是什么偏振態(tài)呢？用四分之一波片和一個偏振片檢驗，學(xué)生發(fā)現(xiàn)有些手機發(fā)出的光為橢圓偏振光.為什么出現(xiàn)橢圓偏振光？教師提出問題，引導(dǎo)學(xué)生通過討論得出結(jié)論：手機屏幕膜的“雙折射”性質(zhì)導(dǎo)致了橢圓偏振光的出現(xiàn).這樣，學(xué)生應(yīng)用手機作為光源，將“光的偏振”現(xiàn)象、偏振態(tài)的檢驗、“雙折射”的概念形象地“串”在一起了.

圖3 手機屏幕偏振實驗

2.2 應(yīng)用數(shù)值模擬制作形象化的大學(xué)物理教學(xué)課件

目前課件中常見的示意圖，往往粗糙、不準(zhǔn)確，有時甚至給學(xué)生帶來誤解.例如，講解單縫衍射的明紋寬度時，采用如圖4(a)所示的示意圖，學(xué)生很難理解計算明紋寬度就是計算其相鄰的兩個暗紋中心的坐標(biāo)差.數(shù)值模擬形成的圖像準(zhǔn)確、逼真，學(xué)生理解更加容易(圖4(b)).

圖4 單縫衍射條紋

應(yīng)用數(shù)值模擬以及圖像，展示抽象化的物理公式或者結(jié)論，能使學(xué)生對物理知識的理解比用解析方法更深刻.例如，應(yīng)用Matlab平臺數(shù)值模擬簡諧振動合成(圖5)，學(xué)生自行設(shè)置參數(shù)，實現(xiàn)不同簡諧振動合成的可視化.

圖5 數(shù)值模擬軟件形象化簡諧振動合成

2.3 動畫課件實現(xiàn)形象化教學(xué)

動畫課件是實現(xiàn)形象化課堂教學(xué)的又一重要手段.例如在“光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)”教學(xué)中，動畫課件實現(xiàn)了一些抽象知識點的形象化.

幾何光學(xué)認(rèn)為物點成像為一個像點.但是，根據(jù)圓孔的夫瑯禾費衍射原理，物點經(jīng)圓孔(如人眼)夫瑯禾費衍射，所成的像是占入射光強能量約84%的艾里斑，艾里斑周圍是明暗相間的同心圓環(huán).艾里斑的半徑r滿足

(1)

式(1)中，f是透鏡焦距，θ是艾里斑的角半徑，λ是入射光波長，D為圓孔的直徑.f、λ不變，增加D，艾里斑會變小；D>>λ時，各級衍射明紋密不可分，顯示為一個亮點，因此得出結(jié)論：傳統(tǒng)的幾何光學(xué)是波動光學(xué)在D>>λ時的極限情形，此結(jié)論可用動畫演示.用Matlab數(shù)值模擬出D變化時的多張衍射圖，將這些圖用PPT動畫刷制作成動畫課件，演示物點成像的像斑在增加D之后，逐漸變化成一個像點(部分截圖見圖6).

圖6 物點成像從像斑到像點的變化過程截圖

“瑞利判據(jù)”也可用動畫演示.將兩個物點的距離改變導(dǎo)致相應(yīng)的艾里斑變化形成動畫，觀察兩個物點從能被分辨到不能被分辨的過程.動畫中圖7所示的三種典型情況為：兩個艾里斑能被分辨(圖7(a))，恰能被分辨(圖7(b))，不能被分辨(圖7(c))，為這3種情況設(shè)置點擊動作并講解，且在恰能分辨處(圖7(b))引導(dǎo)學(xué)生觀察，發(fā)現(xiàn)一個艾里斑的中心恰與另一個艾里斑的第一級暗紋重合，學(xué)生對瑞利判據(jù)的理解形象化了.

圖7 兩個像斑能否被分辨動畫截圖

根據(jù)瑞利判據(jù)，透鏡的最小分辨角δθ等于艾里斑的角半徑，即

(2)

學(xué)生觀察f、D不變，波長λ減小導(dǎo)致艾里斑變化的動畫(部分截圖見圖8)，發(fā)現(xiàn)波長λ減小了，艾里斑半徑r會變小.根據(jù)式(1),艾里斑的角半徑θ相應(yīng)減小；根據(jù)式(2),透鏡的最小分辨角δθ也會減小，δθ減小意味著儀器的分辨率的提高.因此得出結(jié)論：可以通過減小波長λ提高儀器的分辨本領(lǐng).

圖8 不同入射光波長成像效果對比圖

2.4 應(yīng)用現(xiàn)代智能設(shè)備收集和剪輯生活中的物理實例

現(xiàn)代智能設(shè)備使得收集和編輯生活中體現(xiàn)物理知識的實例更加容易.應(yīng)用生動淺顯的生活實例表達抽象的物理概念，可以培養(yǎng)學(xué)生對概念本質(zhì)的直覺認(rèn)識.例如，行車記錄儀記錄了夜晚迎面行駛而來的汽車車前燈，遠看是一個亮點(圖9(a))，近看是兩個(圖9(b))，這與“光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)”有關(guān)，可用“愛剪輯”等軟件進行必要剪輯后應(yīng)用于課堂，用瑞利判據(jù)解釋：遠處，兩個車前燈對成像設(shè)備鏡頭所成的夾角α小于成像設(shè)備的最小分辨角δθ，兩個車前燈不能被分辨；到了近處，α>δθ，兩個車前燈能夠被分辨.

圖9 夜晚車前燈視頻截圖

3 結(jié)束語

現(xiàn)代信息技術(shù)的進步為大學(xué)物理形象化的課堂教學(xué)提供了手段，使大學(xué)物理課堂教學(xué)更加精準(zhǔn)和高效，達到教育中“潤物細(xì)無聲”的效果.作為大學(xué)物理教師，應(yīng)當(dāng)緊跟科技發(fā)展大潮，積極將其融入課堂教學(xué)，激發(fā)學(xué)生興趣，提高教學(xué)質(zhì)量.