利用信息技術(shù)優(yōu)化物理概念學(xué)習(xí)

楊勇琴

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，信息技術(shù)在教學(xué)中被廣泛應(yīng)用。運(yùn)用信息技術(shù)進(jìn)行教學(xué)成為培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念和創(chuàng)新精神的“高速公路”。同時(shí)，它對(duì)發(fā)展現(xiàn)代化和信息化的基礎(chǔ)教育來(lái)說(shuō)，也是一條“希望之路”。

物理學(xué)科是我國(guó)基礎(chǔ)教育階段的重要學(xué)科，現(xiàn)在掌握的物理概念是學(xué)生今后學(xué)習(xí)物理知識(shí)的基礎(chǔ)。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生側(cè)重于概念的背誦和記憶，認(rèn)為只要能復(fù)述概念就完成了對(duì)物理概念的有效學(xué)習(xí)。既然學(xué)生熱衷于對(duì)概念的記憶，何不嘗試?yán)眯畔⒓夹g(shù)創(chuàng)設(shè)記憶情景來(lái)幫助學(xué)生形成“理解性”記憶，或者說(shuō)讓其親歷概念的形成過(guò)程，以“知識(shí)發(fā)現(xiàn)者”的身份追尋科學(xué)家解決問(wèn)題的足跡，在體驗(yàn)中啟迪智慧，碰撞出思維的火花。

一、物理概念學(xué)習(xí)現(xiàn)狀

（一）抽象化的物理概念難以在學(xué)生腦海中形成形象認(rèn)識(shí)

物理概念教學(xué)內(nèi)容主要分為力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、原子物理學(xué)等幾大板塊。雖然這幾個(gè)板塊的內(nèi)容屬于物理學(xué)不同領(lǐng)域內(nèi)的研究范圍，但每個(gè)板塊都有自己獨(dú)特的理論體系和研究方法，各自研究的側(cè)重點(diǎn)也不盡相同。但是相對(duì)于初中物理的知識(shí)學(xué)習(xí)而言，高中物理知識(shí)涵蓋范圍則更廣泛，內(nèi)容也更加豐富，同時(shí)也更注重學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和邏輯推理，所以高中物理概念教學(xué)中應(yīng)用的手段也呈現(xiàn)出多樣化、復(fù)雜化、綜合化的特點(diǎn)。高中物理概念知識(shí)是物理知識(shí)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，如何讓學(xué)生將抽象化的物理概念轉(zhuǎn)化成形象認(rèn)識(shí)，給從事物理教學(xué)的教師們提出了一個(gè)新的課題。

（二）物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集、分析、處理過(guò)程煩瑣、復(fù)雜、易出錯(cuò)

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科。物理實(shí)驗(yàn)是指利用各種儀器模擬或者再現(xiàn)物理現(xiàn)象產(chǎn)生的條件，學(xué)生通過(guò)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、篩選、分析、比較，得到或驗(yàn)證物理規(guī)律、定律或定理。在這個(gè)過(guò)程中，可以利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)的直觀性好、操作性強(qiáng)的特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、分析問(wèn)題能力和邏輯推理能力。新課標(biāo)要求物理教師不僅要注重知識(shí)的傳授，還應(yīng)該從教材中把知識(shí)點(diǎn)提煉出來(lái)，用生動(dòng)形象、清晰易記的方式將其講解清楚，并對(duì)關(guān)鍵的知識(shí)點(diǎn)加以強(qiáng)調(diào)。讓學(xué)生深刻理解物理學(xué)中的各種概念，不僅僅是讓學(xué)生掌握知識(shí)而已，更是要培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。同時(shí)，新課標(biāo)要求物理教師要培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力，使學(xué)生能夠結(jié)合實(shí)際，應(yīng)用物理的知識(shí)和技術(shù)去解決實(shí)際問(wèn)題。

在以往的物理課堂教學(xué)中，教師非常注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)在物理概念教學(xué)中的應(yīng)用。許多物理教師善于根據(jù)所需要教授的內(nèi)容，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)原理，改造實(shí)驗(yàn)器材，并在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上進(jìn)行了許多積極有效的探索，取得了一些效果。雖然實(shí)驗(yàn)教學(xué)有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的積極性，有助于加強(qiáng)學(xué)生對(duì)物理概念的理解和學(xué)習(xí)，但單一的觀察方式（觀察實(shí)驗(yàn)基本靠眼力）、簡(jiǎn)單的收集數(shù)據(jù)方式（收集數(shù)據(jù)基本靠手速）、落后的數(shù)據(jù)分析方法（數(shù)據(jù)分析基本靠筆算），都讓學(xué)生在物理概念的學(xué)習(xí)中產(chǎn)生了畏難、倦怠的情緒。我們可以利用現(xiàn)代化信息技術(shù)、新媒體的交互功能、自媒體的簡(jiǎn)單易操作的特點(diǎn)來(lái)打破以往學(xué)習(xí)方式的壁壘，優(yōu)化學(xué)習(xí)方法，通過(guò)直觀立體的觀察方式、靈活多樣的數(shù)據(jù)處理手段、條理清晰的數(shù)據(jù)分析，消除學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中的畏懼心態(tài)，從而充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的積極性，同時(shí)到達(dá)教學(xué)相長(zhǎng)的目的。

（三）受技術(shù)條件限制，無(wú)法親歷實(shí)驗(yàn)過(guò)程

物理概念是幾代物理學(xué)家經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的刻苦研究得到的成果，其正確性、合理性、普適性等方面還要經(jīng)過(guò)后期的檢驗(yàn)和驗(yàn)證，所以用一節(jié)課或幾節(jié)課來(lái)把研究的問(wèn)題、目的、過(guò)程講清楚，無(wú)論是在時(shí)間還是在空間上都顯得很局促，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中也就無(wú)法進(jìn)入沉浸式學(xué)習(xí)狀態(tài)，從而減少了學(xué)生的體驗(yàn)感和獲得感。例如，在講解“牛頓第一定律”的研究過(guò)程中，伽利略用“力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”推翻了亞里士多德關(guān)于“力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”的觀點(diǎn)。為了證明自己觀點(diǎn)的正確性，伽利略經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，演示了著名的斜面實(shí)驗(yàn)，開(kāi)創(chuàng)了一種新的研究方法———理想實(shí)驗(yàn)法，將現(xiàn)實(shí)生活中的情景通過(guò)合理的推理無(wú)限逼近理想狀態(tài)。早期，學(xué)生在學(xué)習(xí)這一物理原理時(shí)，由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)手段還不夠發(fā)達(dá)，無(wú)法模擬出符合條件的理想場(chǎng)景，在學(xué)習(xí)過(guò)程中難免遇到阻礙?，F(xiàn)在，科技水平已經(jīng)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，但是在現(xiàn)實(shí)中實(shí)驗(yàn)所要求的絕對(duì)光滑水平面就目前而言仍然是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。然而，如果借助現(xiàn)代信息技術(shù)通過(guò)軟件制作就完全可以在電腦中模擬出所需要的條件。通過(guò)實(shí)驗(yàn)的情景再現(xiàn)，便可以讓學(xué)生親歷實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程，使其獲得很好的體驗(yàn)感和參與感。

（四）缺少把物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為物理模型的能力

物理現(xiàn)象實(shí)際上是由一個(gè)或多個(gè)的物理模型形成的，學(xué)生能否建立科學(xué)、合理的物理模型是實(shí)際問(wèn)題能否得到解決的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。物理模型種類眾多，形態(tài)各異。同一個(gè)模型從不同的角度來(lái)看，叫法不一，其研究的側(cè)重點(diǎn)也不盡相同。不同的模型可能物理對(duì)象不同，但是其本質(zhì)可歸結(jié)為同一類。比如：兩個(gè)彈性球碰撞、兩個(gè)剛性球用彈簧連接的運(yùn)動(dòng)、兩個(gè)帶同種電荷球的相互作用過(guò)程，表面上看來(lái)研究對(duì)象不同，受力情況也不同，但3種運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)都是碰撞問(wèn)題，如果不考慮機(jī)械能的損失，還可以歸結(jié)為彈性碰撞。大多數(shù)物理模型有個(gè)共同的特點(diǎn)，那就是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程或者相互作用過(guò)程中，許多物理量都是動(dòng)態(tài)變化的、復(fù)雜抽象的、難以理解的。例如：人船模型中人在運(yùn)動(dòng)的船上運(yùn)動(dòng)時(shí)，至少涉及3種速度———人的速度、船的速度和人相對(duì)于船的速度，同時(shí)這三種速度又隨時(shí)間在不斷變化。又如：帶電粒子以相同的速率從不同角度射入有界磁場(chǎng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)圓，但此圓圓心會(huì)隨射入方向而發(fā)生改變，導(dǎo)致軌跡圓在不斷旋轉(zhuǎn)。那么有沒(méi)有更好的方法體現(xiàn)圓的這種旋轉(zhuǎn)規(guī)律呢？再如：傳送帶模型中滑塊在不同轉(zhuǎn)速下受力情況不同，會(huì)導(dǎo)致滑塊運(yùn)動(dòng)情況發(fā)生變化等。如果用Flash軟件或3D動(dòng)畫(huà)模擬出這些場(chǎng)景，能將運(yùn)動(dòng)過(guò)程的細(xì)節(jié)完美演繹出來(lái)，通過(guò)形象思維啟發(fā)抽象思維，更好地加深學(xué)生對(duì)模塊的理解和掌握。

（五）缺乏對(duì)問(wèn)題解決的自我表達(dá)和評(píng)價(jià)

社會(huì)文明的蓬勃發(fā)展和信息資源的廣泛傳播，使人們?cè)u(píng)價(jià)事件的方式及表達(dá)自己觀點(diǎn)的途徑越來(lái)越多元化。隨著網(wǎng)絡(luò)傳播影響力的日益加深，自媒體的蓬勃發(fā)展，校園早已不是網(wǎng)絡(luò)信息傳播的絕緣體。學(xué)生接觸到越來(lái)越多的新鮮事物，接觸得多，自然想得就多，學(xué)生思維變得更加活躍，也善于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并具備了一些解決問(wèn)題的能力，特別是有些學(xué)生喜歡模仿網(wǎng)絡(luò)視頻中的內(nèi)容，搞一些小發(fā)明、小制作。傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)注重結(jié)果，方式單一，無(wú)法全面、客觀評(píng)價(jià)學(xué)生在研究過(guò)程中能力提升的情況，容易打消學(xué)生探索未知世界的積極性，削弱他們表達(dá)觀點(diǎn)的信心。

二、信息技術(shù)下物理概念學(xué)習(xí)的策略

（一）模擬真實(shí)情境，體驗(yàn)探究過(guò)程

實(shí)驗(yàn)探究是發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律最重要的方式，也是加深概念理解的重要途徑。只用簡(jiǎn)單的理論探討的方式往往難以突破問(wèn)題難點(diǎn)，若設(shè)置恰當(dāng)?shù)恼鎸?shí)情境，則能讓學(xué)生參與進(jìn)去，在體驗(yàn)中感受物理概念的魅力。

例如：對(duì)“自由落體”的學(xué)習(xí)可以從兩個(gè)維度展開(kāi)：一是用牛頓管實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生認(rèn)識(shí)什么是自由落體；二是用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器定量分析自由落體的加速度。牛頓管長(zhǎng)約1 m，物體在里面下落的時(shí)間約為0.5 s，要用肉眼分辨出兩個(gè)物體是否同時(shí)下落難度很大。大部分教師會(huì)將NASA全球最大真空實(shí)驗(yàn)室錄制的自由落體視頻播放給學(xué)生觀看，場(chǎng)面雖然宏大、震撼，但學(xué)生普遍缺乏參與感?，F(xiàn)在的智能手機(jī)都有視頻編輯功能，在課堂上現(xiàn)場(chǎng)用手機(jī)錄制牛頓管實(shí)驗(yàn)，打開(kāi)錄制的視頻，點(diǎn)擊編輯，可通過(guò)變速調(diào)節(jié)改變視頻播放速度，然后導(dǎo)出后分享到微信中，并利用教室多媒體投影到屏幕上，就能清楚地看到牛頓管中兩個(gè)物體同時(shí)落地的畫(huà)面。

用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量自由落體的加速度用時(shí)長(zhǎng)、誤差大。一款名為“手機(jī)物理工坊”的App軟件利用手機(jī)自帶的各種傳感器，在線測(cè)量力、光、聲等物理量。其中，實(shí)時(shí)測(cè)量的加速度直接在手機(jī)界面形成a-t圖像，同時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)也可用Excel的格式導(dǎo)出，以便做進(jìn)一步分析。

（二）創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，開(kāi)展合作學(xué)習(xí)

我們遇到的問(wèn)題是基于生產(chǎn)、生活中的真實(shí)情景而產(chǎn)生的。物理源于生活，最后要回歸生活。以信息技術(shù)為媒介創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，可以引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)，挖掘問(wèn)題背后的物理實(shí)質(zhì)。學(xué)生不僅能完成物理概念的主動(dòng)構(gòu)建，還能學(xué)會(huì)如何依靠團(tuán)隊(duì)合作來(lái)解決問(wèn)題，從而培養(yǎng)終身學(xué)習(xí)的能力。

再如：在人教版物理八年級(jí)上冊(cè)“大氣壓強(qiáng)”學(xué)習(xí)中，教材建議學(xué)生拿著自制氣壓計(jì)從樓下到樓上（或從山下或山上）觀察玻璃管內(nèi)水柱高度變化的情況，并給出解釋。關(guān)于這個(gè)知識(shí)點(diǎn)可以利用的教學(xué)資源有很多，以中央電化教育館（NCET）為例，在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)系統(tǒng)中就有四類：第一類為實(shí)拍視頻；第二類為在仿真實(shí)驗(yàn)室制作的演示視頻；第三類為用3D技術(shù)制作的課件；第四類為用VR技術(shù)制作的課件。對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，如果能帶著問(wèn)題去體驗(yàn)生活，通過(guò)團(tuán)隊(duì)合作來(lái)解決問(wèn)題，收獲肯定是不一樣的。隨著國(guó)家對(duì)城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進(jìn)，大部分城鎮(zhèn)都有帶電梯的高層建筑，其高度足以滿足此實(shí)驗(yàn)的條件。學(xué)生按說(shuō)明制作好氣壓計(jì)后，各小組用手機(jī)記錄氣壓計(jì)內(nèi)水柱高度隨電梯上行和下落時(shí)的變化情況，并互相觀摩視頻，討論裝置的優(yōu)缺點(diǎn)和錄制過(guò)程中碰到的問(wèn)題，以及這些問(wèn)題（例如：怎樣讓水柱高度變化更明顯？從幾樓開(kāi)始實(shí)驗(yàn)效果最佳？怎樣克服電梯里人員嘈雜問(wèn)題？等）是怎樣解決的。

（三）挖掘輔助功能，發(fā)展高階思維

一個(gè)完整物理概念的形成需要一個(gè)發(fā)展過(guò)程，同樣，創(chuàng)新能力、問(wèn)題解決能力和批判性思維能力的培養(yǎng)也不是一蹴而就的。教師要打破“一支粉筆教下去，一本教案講過(guò)來(lái)”的思維方式，著眼于學(xué)生的終身發(fā)展，依托豐富的信息資源，利用各類教學(xué)工具為學(xué)生的全面發(fā)展助力、賦能。

比如，帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡有3種常見(jiàn)情況：第一種，在磁場(chǎng)中，向垂直于磁場(chǎng)的各個(gè)方向發(fā)射速度大小相同的帶電粒子，其軌跡為繞發(fā)射點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)圓；第二種，以大小不同，方向相同的速度垂直射入同一勻強(qiáng)磁場(chǎng)，其軌跡為半徑放大的動(dòng)態(tài)圓；第三種，一束互相平行的帶電粒子射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，其軌跡為沿與平行線垂直方向平移的動(dòng)態(tài)圓。在教室多媒體系統(tǒng)中，學(xué)科工具欄里有幾何和尺規(guī)兩種工具。利用它們可以在白板上做出各種圖形。每個(gè)圖形都有一個(gè)定位點(diǎn)，繞著該點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)圖形的平移、旋轉(zhuǎn)和縮放等功能，與帶電粒子在磁場(chǎng)中的3種常見(jiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡動(dòng)態(tài)圓相對(duì)應(yīng)，定位動(dòng)態(tài)移動(dòng)效果一目了然。依托信息技術(shù)手段創(chuàng)造性地改進(jìn)了學(xué)生對(duì)這類難點(diǎn)的學(xué)習(xí)，完成了知識(shí)模塊的構(gòu)建，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生從被動(dòng)的“我學(xué)會(huì)”變?yōu)橹鲃?dòng)的“我會(huì)學(xué)”。

（四）搭建互動(dòng)平臺(tái)，評(píng)價(jià)多元化

物理概念和規(guī)律是物理語(yǔ)言體系的基礎(chǔ)，對(duì)物理概念學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)不僅體現(xiàn)在是否會(huì)“做”上，還體現(xiàn)是否會(huì)“說(shuō)”。傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)注重對(duì)考試成績(jī)（也就是“做”）的評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)方式主要采用師問(wèn)生答、紙質(zhì)作業(yè)、單元測(cè)試等手段。單一的評(píng)價(jià)方式禁錮了學(xué)生表達(dá)自我的意識(shí)。許多教師借助發(fā)達(dá)的社交媒體平臺(tái)為學(xué)生交流互動(dòng)構(gòu)建評(píng)價(jià)激勵(lì)機(jī)制，鼓勵(lì)學(xué)生去探索、實(shí)踐。在內(nèi)驅(qū)力的作用下，可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生想說(shuō)、敢說(shuō)、會(huì)說(shuō)，從而提升自我對(duì)話、自我定位與自我評(píng)價(jià)的能力。

例如：越來(lái)越多的教師借助微信公眾號(hào)、訂閱號(hào)的傳播影響力，成立了自己的工作室，轉(zhuǎn)發(fā)一些生活中涉及物理現(xiàn)象的視頻，介紹物理科學(xué)前沿動(dòng)態(tài)，進(jìn)行物理知識(shí)的科普，上傳學(xué)生拍攝制作的家庭小實(shí)驗(yàn)等。學(xué)生在制作視頻中會(huì)用物理知識(shí)詳細(xì)地講述實(shí)驗(yàn)的原理。教師可在留言欄里對(duì)操作的實(shí)用性和優(yōu)缺點(diǎn)作專業(yè)性點(diǎn)評(píng)和進(jìn)行鼓勵(lì)；在展示階段性自主學(xué)習(xí)成果的同時(shí)，還可把自己在實(shí)踐中獲得的喜悅、成就感分享給其他同學(xué)。在這個(gè)過(guò)程中采取了激勵(lì)性評(píng)價(jià)模式，尊重了學(xué)生的個(gè)體差異，淡化了學(xué)生之間的橫向比較，突出了自身的縱向比較，為學(xué)生個(gè)性化成長(zhǎng)提供了空間。為取得更好的學(xué)習(xí)效果，許多合作小組建立自己的微信群、QQ群，交流各自在學(xué)習(xí)物理概念，應(yīng)用物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題中的感受和經(jīng)驗(yàn)，形成了一個(gè)“課內(nèi)+課外”“過(guò)程+結(jié)果”“師生+生生”的多元化評(píng)價(jià)體系。

三、結(jié)語(yǔ)

總之，信息技術(shù)的普及、教學(xué)設(shè)備的改善給教育、教學(xué)改革提供了有力的支撐，優(yōu)化了教師課堂教學(xué)的手段，也為優(yōu)化學(xué)生的學(xué)習(xí)方法找到了一個(gè)新的途徑，同時(shí)使學(xué)生擺脫了對(duì)概念類知識(shí)學(xué)習(xí)的畏懼心理，加深了對(duì)物理類概念學(xué)習(xí)的理解。信息技術(shù)能讓物理知識(shí)的學(xué)習(xí)變得有趣、高效，學(xué)生愿學(xué)、樂(lè)學(xué)，教師會(huì)教、善教，實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長(zhǎng)。