基于现代信息技术的大学物理形象化教学

覃方丽

(中国石油大学(北京) 理学院，北京 102249)

1 大学物理形象化教学的背景

大学物理理论性强、高度抽象的特点使学生在课堂上理解困难，有些物理图像超出学生的想象，使学生望而生畏.在课堂上将抽象化的物理知识形象化、直观化，是大学物理教师努力的方向之一.

日新月异、层出不穷的现代技术，为实现形象化大学物理课堂教学提供了手段.近来，现代信息技术在MOOC(慕课)[1-4]、同伴教学法[5-7]、SPOC[8]等新教学模式中发挥了重大作用[9]，有效提高了大学物理教学效率.但针对大学物理理论性强、高度抽象化的特点，这些新教学模式并未从根本上解决教师教学、学生学习的困难.除了利用这些新教学模式外，物理教学还应充分利用现代信息技术使抽象的物理知识形象化，增加教学过程中的互动性，从而使难以理解的概念变得直观、易懂，以利于激发学生学习兴趣，提高大学物理教学质量.

2 大学物理形象化教学的现代信息技术手段及其实例

实现大学物理形象化教学的现代信息技术手段很多，且其发展日新月异. 以下介绍笔者在大学物理课堂教学中应用手机、数值模拟、现代智能设备等现代信息技术实现形象化教学的几个实例.

2.1 应用手机演示“拍”和“光的偏振”

手机集成了众多现代科学技术.目前手机已经普遍应用于课堂教学中，如教学互动、签到、测试等.近年来众多物理教师开始重视手机在物理实验中的作用，开发了许多相关应用[10-12].

应用手机声音发生器的相关APP可以演示“拍”现象.图1(a)和图1(b)分别显示了应用“Frequency Sound Generator”APP和“多频振动launch”APP演示“拍”现象的实验.授课时，教师可发给学生一个频率未知的正弦波声信号，让学生自行应用手机合成“拍”现象，测量教师所给信号的频率，从而体验“拍”的应用，加深理解“拍”产生的原理.此外，应用“多频振动launch”APP中“音符”功能下发出的音乐可以辅助解释乐器的调音原理(图2(a))；应用“自动频率变化”功能可体验“多普勒效应”(图2(b)).

图1 手机APP演示“拍”现象

图2 应用“多频振动launch”APP

手机可以应用于“光的偏振”课堂演示.授课时指导学生将偏振眼镜的一个镜片置于手机液晶屏前，转动镜片，观察到两种现象：消光(图3(a))和不消光.在不消光的手机上再加一幅偏振眼镜，旋转镜片，观察到消光现象(图3(b))，且两个镜片夹角为90度.此手机发出的光是什么偏振态呢？用四分之一波片和一个偏振片检验，学生发现有些手机发出的光为椭圆偏振光.为什么出现椭圆偏振光？教师提出问题，引导学生通过讨论得出结论：手机屏幕膜的“双折射”性质导致了椭圆偏振光的出现.这样，学生应用手机作为光源，将“光的偏振”现象、偏振态的检验、“双折射”的概念形象地“串”在一起了.

图3 手机屏幕偏振实验

2.2 应用数值模拟制作形象化的大学物理教学课件

目前课件中常见的示意图，往往粗糙、不准确，有时甚至给学生带来误解.例如，讲解单缝衍射的明纹宽度时，采用如图4(a)所示的示意图，学生很难理解计算明纹宽度就是计算其相邻的两个暗纹中心的坐标差.数值模拟形成的图像准确、逼真，学生理解更加容易(图4(b)).

图4 单缝衍射条纹

应用数值模拟以及图像，展示抽象化的物理公式或者结论，能使学生对物理知识的理解比用解析方法更深刻.例如，应用Matlab平台数值模拟简谐振动合成(图5)，学生自行设置参数，实现不同简谐振动合成的可视化.

图5 数值模拟软件形象化简谐振动合成

2.3 动画课件实现形象化教学

动画课件是实现形象化课堂教学的又一重要手段.例如在“光学仪器的分辨本领”教学中，动画课件实现了一些抽象知识点的形象化.

几何光学认为物点成像为一个像点.但是，根据圆孔的夫琅禾费衍射原理，物点经圆孔(如人眼)夫琅禾费衍射，所成的像是占入射光强能量约84%的艾里斑，艾里斑周围是明暗相间的同心圆环.艾里斑的半径r满足

(1)

式(1)中，f是透镜焦距，θ是艾里斑的角半径，λ是入射光波长，D为圆孔的直径.f、λ不变，增加D，艾里斑会变小；D>>λ时，各级衍射明纹密不可分，显示为一个亮点，因此得出结论：传统的几何光学是波动光学在D>>λ时的极限情形，此结论可用动画演示.用Matlab数值模拟出D变化时的多张衍射图，将这些图用PPT动画刷制作成动画课件，演示物点成像的像斑在增加D之后，逐渐变化成一个像点(部分截图见图6).

图6 物点成像从像斑到像点的变化过程截图

“瑞利判据”也可用动画演示.将两个物点的距离改变导致相应的艾里斑变化形成动画，观察两个物点从能被分辨到不能被分辨的过程.动画中图7所示的三种典型情况为：两个艾里斑能被分辨(图7(a))，恰能被分辨(图7(b))，不能被分辨(图7(c))，为这3种情况设置点击动作并讲解，且在恰能分辨处(图7(b))引导学生观察，发现一个艾里斑的中心恰与另一个艾里斑的第一级暗纹重合，学生对瑞利判据的理解形象化了.

图7 两个像斑能否被分辨动画截图

根据瑞利判据，透镜的最小分辨角δθ等于艾里斑的角半径，即

(2)

学生观察f、D不变，波长λ减小导致艾里斑变化的动画(部分截图见图8)，发现波长λ减小了，艾里斑半径r会变小.根据式(1),艾里斑的角半径θ相应减小；根据式(2),透镜的最小分辨角δθ也会减小，δθ减小意味着仪器的分辨率的提高.因此得出结论：可以通过减小波长λ提高仪器的分辨本领.

图8 不同入射光波长成像效果对比图

2.4 应用现代智能设备收集和剪辑生活中的物理实例

现代智能设备使得收集和编辑生活中体现物理知识的实例更加容易.应用生动浅显的生活实例表达抽象的物理概念，可以培养学生对概念本质的直觉认识.例如，行车记录仪记录了夜晚迎面行驶而来的汽车车前灯，远看是一个亮点(图9(a))，近看是两个(图9(b))，这与“光学仪器的分辨本领”有关，可用“爱剪辑”等软件进行必要剪辑后应用于课堂，用瑞利判据解释：远处，两个车前灯对成像设备镜头所成的夹角α小于成像设备的最小分辨角δθ，两个车前灯不能被分辨；到了近处，α>δθ，两个车前灯能够被分辨.

图9 夜晚车前灯视频截图

3 结束语

现代信息技术的进步为大学物理形象化的课堂教学提供了手段，使大学物理课堂教学更加精准和高效，达到教育中“润物细无声”的效果.作为大学物理教师，应当紧跟科技发展大潮，积极将其融入课堂教学，激发学生兴趣，提高教学质量.