基于APP 的高中物理演示實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的應(yīng)用實(shí)踐

福建省寧德市高級(jí)中學(xué) 林曉琴

信息化教學(xué)以建構(gòu)主義理論為基礎(chǔ)，明確以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)教師利用各種信息資源來(lái)支持學(xué)生的學(xué)習(xí)。具體來(lái)講，就是要求教師在教學(xué)過(guò)程中能夠通過(guò)有效地構(gòu)建信息主動(dòng)獲取學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，讓學(xué)生自發(fā)成為知識(shí)信息的加工吸收主體和知識(shí)體系的主動(dòng)建構(gòu)者，教師則重點(diǎn)幫助、促進(jìn)學(xué)生有效正確獲取知識(shí)信息，應(yīng)用所學(xué)進(jìn)行意義建構(gòu)并解決問(wèn)題。這種教學(xué)模式更加強(qiáng)調(diào)的是教師在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中組織者和引導(dǎo)者的作用，從根本上實(shí)現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，教師將研究、探索、啟發(fā)、討論的參與式理念引入課堂教學(xué)全過(guò)程，創(chuàng)設(shè)基于現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的立體化教學(xué)環(huán)境。

一、智能手機(jī)及APP 在物理演示實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

物理是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)是基本的教學(xué)手段。演示實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程以及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的呈現(xiàn)，能夠幫助學(xué)生更加直觀、形象地理解物理觀念、物理現(xiàn)象的變化規(guī)律，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。然而，傳統(tǒng)的物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于實(shí)驗(yàn)本身特點(diǎn)及條件的限制，實(shí)驗(yàn)的直觀性、探究性和操作性等特點(diǎn)無(wú)法都在教學(xué)過(guò)程中得到充分體現(xiàn)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)課堂教學(xué)融合信息技術(shù)能更好地實(shí)現(xiàn)課本知識(shí)可視化，使復(fù)雜概念解釋形象化、關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)講解具體化及復(fù)雜過(guò)程展示生動(dòng)化?；ヂ?lián)網(wǎng)平臺(tái)上聚集了大量的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，同時(shí)智能手機(jī)作為一種高度普及且功能強(qiáng)大的信息化工具，它所裝備的高清攝像頭、眾多精巧的傳感器和強(qiáng)大實(shí)用APP 等工具，為學(xué)生隨時(shí)感知物理現(xiàn)象、探究物理實(shí)驗(yàn)提供便利。簡(jiǎn)言之，智能手機(jī)及APP 在輔助物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中作用顯著，主要涵蓋以下幾方面的優(yōu)勢(shì)：一是有助于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如放慢實(shí)驗(yàn)過(guò)程，隨時(shí)定格畫(huà)面觀察瞬時(shí)發(fā)生的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等；二是可便捷、準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量，學(xué)生通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，鍛煉學(xué)生的處理、分析能力；三是為師生提供了豐富的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源，為隨時(shí)深入物理現(xiàn)象研究創(chuàng)造了條件；四是利用APP 輔助物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在較大程度上提高了學(xué)生的物理學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、好奇心和興趣。

二、智能手機(jī)及APP 在物理演示實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐

1.助力演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有效觀察。

捷克教育家夸美紐斯在《大教學(xué)論》中寫(xiě)道：“一切知識(shí)都是從感官開(kāi)始的?！备行哉J(rèn)知是思維得以發(fā)展的起點(diǎn)。在演示實(shí)驗(yàn)中確保讓每一個(gè)同學(xué)都能對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行有效細(xì)致地觀察是學(xué)生進(jìn)一步深入思考的前提條件。借助智能手機(jī)高新攝像頭、視頻處理APP，及授課助手APP 等確保全體學(xué)生能夠看清實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，獲得直觀的體驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，幫助學(xué)生構(gòu)建物理模型，培養(yǎng)物理科學(xué)思維能力。

（1）視頻慢放功能定格物理現(xiàn)象。

有些演示實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程短暫，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象轉(zhuǎn)瞬即逝，學(xué)生還沒(méi)有觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)結(jié)束。學(xué)生無(wú)法從實(shí)驗(yàn)中獲得直觀的體驗(yàn)，更談不上通過(guò)實(shí)驗(yàn)啟發(fā)學(xué)生進(jìn)一步思考。對(duì)于這類(lèi)實(shí)驗(yàn)，我們可以發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)優(yōu)勢(shì)，利用視頻處理APP 的視頻慢放功能，放慢實(shí)驗(yàn)過(guò)程，讓學(xué)生能捕捉到每一個(gè)實(shí)驗(yàn)瞬間。

例如，在《自由落體運(yùn)動(dòng)》一節(jié)中，探究物體下落的快慢是否跟重量有關(guān)。先設(shè)置簡(jiǎn)單小實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生得出空氣阻力是影響物體下落快慢的因素，再利用“牛頓管”實(shí)驗(yàn)探究在沒(méi)有空氣阻力情況下輕重不同物體的運(yùn)動(dòng)。由于物體下落速度很快，尤其是金屬片和羽毛是否同時(shí)落到管底，同學(xué)們很難清楚地觀察到。借助愛(ài)剪輯APP 視頻慢放功能播放金屬片和羽毛下落瞬間。極速的瞬間經(jīng)過(guò)技術(shù)的放慢大大提高了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可視性。直觀清晰的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象使學(xué)生對(duì)落體運(yùn)動(dòng)有了直觀的感性認(rèn)識(shí)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建自由落體模型也就變得水到渠成。

又如，在《動(dòng)量定理》一節(jié)中，設(shè)置這樣的實(shí)驗(yàn)：一只雞蛋，讓它從同樣的高度自由下落，第一次落在海綿墊上，完好無(wú)損；第二次落在堅(jiān)硬的石板上，雞蛋碎了。提出問(wèn)題：雞蛋兩次下落出現(xiàn)相反的結(jié)果，落在海綿墊上與落在石板上到底是什么物理量不同？為了幫助學(xué)生找到其中的區(qū)別，可以利用手機(jī)高清攝像功能拍攝雞蛋兩次下落過(guò)程，再利用剪輯軟件將兩次下落過(guò)程中雞蛋與石板、海綿墊接觸過(guò)程慢放處理，學(xué)生通過(guò)對(duì)比兩段慢放視頻很容易看出雞蛋與石板、海綿墊接觸的時(shí)間不同，雞蛋與石板接觸時(shí)間短，與海綿墊接觸時(shí)間長(zhǎng)。這時(shí)教師再引入動(dòng)量定理，學(xué)生就能輕松地利用動(dòng)量定理解釋落在海綿墊上的雞蛋因接觸時(shí)間長(zhǎng)，受到的海綿墊沖擊力小，因而能完好無(wú)損。

（2）高清拍攝和交互投屏功能放大物理現(xiàn)象。

有的演示實(shí)驗(yàn)器材較小，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，教師在講臺(tái)上做實(shí)驗(yàn)，學(xué)生受座位的限制，不能看到準(zhǔn)確的現(xiàn)象，也就難以進(jìn)一步探究并理解物理規(guī)律。利用手機(jī)的高清攝像與希沃白板交互投屏功能直播實(shí)驗(yàn)全過(guò)程，放大器材和現(xiàn)象，讓全體同學(xué)都能觀察到實(shí)驗(yàn)的每一個(gè)細(xì)節(jié)。例如，在教授物理儀器儀表的使用和觀察儀表讀數(shù)時(shí)，先在手機(jī)上下載希沃授課助手，利用希沃授課助手APP 連接手機(jī)與希沃白板，再開(kāi)啟手機(jī)攝像直播，通過(guò)同屏放大多角度展示教師的操作過(guò)程，近距離觀察儀表示數(shù)變化，方便學(xué)生模仿及讀數(shù)。又如，在《楞次定律》一節(jié)中，為了讓學(xué)生更好地理解楞次定律中“阻礙”二字的含義，演示實(shí)驗(yàn)裝置，一絕緣底座上端的橫梁相連著兩個(gè)輕質(zhì)鋁環(huán)，其中一個(gè)閉合，另一個(gè)開(kāi)口，整個(gè)裝置處于靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)用磁性較強(qiáng)的磁鐵任一極靠近閉合鋁環(huán)時(shí)，可以觀察到鋁環(huán)向后退，而靠近開(kāi)口鋁環(huán)時(shí)，鋁環(huán)不動(dòng)，進(jìn)而直觀形象地說(shuō)明“阻礙”二字的含義。但實(shí)驗(yàn)中由于環(huán)小，環(huán)的移動(dòng)幅度不大，只限前兩排中間同學(xué)可以觀察到現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)的目的大打折扣。利用希沃授課助手APP 投屏功能，把手機(jī)當(dāng)作高清攝像頭，在大屏幕上實(shí)時(shí)直播實(shí)驗(yàn)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)中細(xì)小的現(xiàn)象也能盡收眼底。通過(guò)交互投屏，學(xué)生整體在實(shí)驗(yàn)中的參與感和體驗(yàn)感得到了提高，對(duì)物理定律的理解也進(jìn)一步加深了。

2.助力演示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)便捷測(cè)量。

伽利略說(shuō)過(guò)：“一切推理都必須從觀察與實(shí)驗(yàn)中得來(lái)?！蔽锢硪?guī)律就是在無(wú)數(shù)次實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上分析歸納總結(jié)出來(lái)的。探究物理規(guī)律的演示實(shí)驗(yàn)中，多數(shù)需要測(cè)量物理量，傳統(tǒng)的測(cè)量方法耗時(shí)，難以在有限的課堂時(shí)間內(nèi)完成，也就無(wú)法即時(shí)呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)論。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，大量教學(xué)類(lèi)APP 應(yīng)運(yùn)而生。手機(jī)物理工坊APP 就是一款功能強(qiáng)大的物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。它利用手機(jī)內(nèi)置多種傳感器，快速進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)圖表呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)物理量關(guān)系的可視化，從而優(yōu)化實(shí)驗(yàn)效果，增強(qiáng)探究的有效性。

（1）利用加速度傳感器快速采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

為了探究超重與失重現(xiàn)象產(chǎn)生的條件，設(shè)置學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)：測(cè)力計(jì)下掛一鉤碼，讓其在豎直方向上做變速運(yùn)動(dòng)。學(xué)生認(rèn)真觀察測(cè)力計(jì)示數(shù)的變化，并結(jié)合鉤碼所做的運(yùn)動(dòng)，在教師引導(dǎo)下分析產(chǎn)生超重和失重的條件。但是測(cè)力計(jì)的示數(shù)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不易觀察，也就很難得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。通過(guò)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，用DIS 拉力傳感器替換測(cè)力計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，鉤碼所受拉力變化容易測(cè)得但是依然無(wú)法直觀建立拉力變化與鉤碼加速度變化間的關(guān)系。如果能通過(guò)實(shí)驗(yàn)同時(shí)顯示運(yùn)動(dòng)物體所受拉力及加速度的變化圖像，那么就能更加直觀形象地探究出物體處于超重和失重的條件。我們可以將手機(jī)替代鉤碼作為測(cè)量工具。具體操作如下：打開(kāi)手機(jī)物理工坊軟件，開(kāi)啟“加速度計(jì)”功能，通過(guò)DIS 拉力傳感器提著手機(jī)一起在豎直方向分別向上及向下完成加速、勻速、減速運(yùn)動(dòng)。手機(jī)加速度傳感器記錄鉤碼加速度的變化情況，拉力傳感器記錄拉力變化情況，然后將加速度及拉力變化情況以圖像的形式直觀地展現(xiàn)在屏幕上，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比分析兩圖像，從中找出物理規(guī)律，自主總結(jié)相關(guān)結(jié)論。通過(guò)合作探究學(xué)生親歷了數(shù)據(jù)的采集，物理規(guī)律的形成過(guò)程，感受了用圖像解決物理問(wèn)題的方法，培養(yǎng)了觀察、比較、歸納、總結(jié)等能力。

（2）利用角速度傳感器便捷測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在探究單擺運(yùn)動(dòng)周期與擺長(zhǎng)的關(guān)系實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于課堂時(shí)間有限，利用秒表測(cè)量單擺周期耗時(shí)長(zhǎng)，筆者利用手機(jī)物理工坊APP 中的單擺功能可以便捷測(cè)量單擺周期。具體操作如下：將細(xì)錫線和手機(jī)組成單擺，固定懸點(diǎn)，點(diǎn)擊手機(jī)物理工坊AAP 中單擺功能，設(shè)置延遲啟動(dòng)時(shí)間及實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)。測(cè)量擺長(zhǎng)并記錄，點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕，讓手機(jī)在豎直面內(nèi)做小角度擺動(dòng)（近似簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)），同時(shí)盡量確保手機(jī)在擺動(dòng)過(guò)程中自身不旋轉(zhuǎn)。直到預(yù)設(shè)時(shí)間結(jié)束即可讀取周期，并記錄在列表中。改變擺長(zhǎng)重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程。最終將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel 表格，通過(guò)線性擬合得到擺長(zhǎng)與周期的定量關(guān)系，即周期的平方與擺長(zhǎng)成正比。利用手機(jī)傳感器測(cè)量單擺周期大大地縮短了實(shí)驗(yàn)探究的時(shí)間，同時(shí)提高了探究效果。教師為學(xué)生創(chuàng)設(shè)探究環(huán)境，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，主動(dòng)參與規(guī)律探究過(guò)程，比起直接給出結(jié)論更能培養(yǎng)學(xué)生的探索精神。

3.助力虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的即時(shí)演示。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是有效利用現(xiàn)代信息技術(shù)，通過(guò)開(kāi)發(fā)仿真實(shí)驗(yàn)軟件，打造最富真實(shí)感的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)環(huán)境條件下不具備或難以完成的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。隨著智能手機(jī)的發(fā)展，仿真實(shí)驗(yàn)APP 越發(fā)豐富，如NB物理實(shí)驗(yàn)、物理實(shí)驗(yàn)室等，是教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要輔助工具。

（1）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以突破客觀條件限制，展示理想實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

理想實(shí)驗(yàn)是人們?yōu)榱搜芯磕骋晃锢硪?guī)律設(shè)想的而現(xiàn)實(shí)中又無(wú)法完成的實(shí)驗(yàn)。理想實(shí)驗(yàn)法是一種科學(xué)的推理法，它是在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)抽象概括、邏輯推導(dǎo)得出規(guī)律的一種研究方法，愛(ài)因斯坦稱(chēng)贊它標(biāo)志著物理學(xué)的開(kāi)端。理想實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中無(wú)法完成，但我們卻可以通過(guò)虛擬仿真技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

例如，在“牛頓第一定律”教學(xué)中，為了說(shuō)明運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系時(shí)，引入著名的伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)。理想斜面實(shí)驗(yàn)因?yàn)槟Σ亮o(wú)法消除，在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中無(wú)法完成，教師可以借助仿真實(shí)驗(yàn)為學(xué)生建立直觀的感性認(rèn)識(shí)，繼而再合理外推得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。利用希沃白板自帶仿真斜面實(shí)驗(yàn)進(jìn)行即時(shí)演示。設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)，使小球與斜面軌道間的摩擦力為零。首先讓小球在沒(méi)有摩擦力情況下沿一個(gè)斜面從靜止?jié)L下，小球?qū)L上另一斜面，上升到原來(lái)的高度。接著減小第二個(gè)斜面的傾角，小球在這個(gè)斜面要達(dá)到原來(lái)的高度就要通過(guò)更長(zhǎng)的距離。繼續(xù)使第二個(gè)斜面的傾角越來(lái)越小，可以看到小球滾得越來(lái)越遠(yuǎn)。這時(shí)適時(shí)的提出問(wèn)題：如果把第二個(gè)斜面改成水平面，小球會(huì)怎樣運(yùn)動(dòng)？同學(xué)們根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)演示，可推理出小球?qū)?huì)一直沿著水平面持續(xù)運(yùn)動(dòng)下去。仿真實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生建立感性認(rèn)識(shí)，突破思維難點(diǎn)，為學(xué)生自主推理出物理規(guī)律創(chuàng)造條件。

（2）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以有效實(shí)現(xiàn)微觀物理過(guò)程的即時(shí)演示，展示微觀物理現(xiàn)象。

教師可以利用仿真實(shí)驗(yàn)APP 為學(xué)生建立微觀物理情境。靜電場(chǎng)的特點(diǎn)就是看不見(jiàn)，摸不著。在靜電場(chǎng)的教學(xué)中，適當(dāng)?shù)亟柚抡鎸?shí)驗(yàn)可以有效地突破學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。例如，在探究靜電場(chǎng)中帶電粒子的受力、運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，就可以利用物理實(shí)驗(yàn)室APP 對(duì)靜電場(chǎng)中正負(fù)電荷及等量同種、等量異種電荷的電場(chǎng)線進(jìn)行描繪，還可以定性的展示靜電場(chǎng)隨場(chǎng)源電荷變化而變化，并對(duì)放入其中的試探電荷，觀察其運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)還可以實(shí)時(shí)反饋試探電荷動(dòng)能和速度變化。

三、結(jié)語(yǔ)

本文從智能手機(jī)及APP 助力演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有效觀察、演示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)便捷測(cè)量、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)即時(shí)演示三個(gè)方向分類(lèi)進(jìn)行探討，以學(xué)生為學(xué)習(xí)的主角，引導(dǎo)學(xué)生參與物理實(shí)驗(yàn)視頻錄制、數(shù)據(jù)觀測(cè)、合作分析探究，有效增強(qiáng)他們?cè)趯W(xué)習(xí)中的自身成就感，把知識(shí)點(diǎn)闡述、理解得更加明確清晰。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，基于手機(jī)APP 的高中物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用研究將不斷深入，對(duì)突破物理演示實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)問(wèn)題將帶來(lái)強(qiáng)大幫助，更加有效提升物理實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)效果。