基于深度学习的高中物理信息技术融合的探讨

杨大湖

摘   要：以平抛运动为例，通过实验探究和信息技术软件手段，让学生由浅入深多角度理解平抛运动的规律，提升学生科学探究和解决实际问题的素养，最终实现深度学习。

关键词：信息技术融合；平抛运动；Vernier Video Physics

1  问题背景

深度学习是指学生在教师引领下围绕着相关的学习主题，积极地参与、体验，获得有发展意义的学习过程。深度学习强调知识与能力、方法、思维的统一，强调学生的主动参与、积极建构，是形成学生核心素养的基本途径[ 1 ]。

本文以“平抛运动”为例，通过科学探究的方式，以信息技术为手段，引导学生构建平抛运动模型和培养科学探究的素养，感受科学方法，最后通过解决真实问题情境促进深度学习的达成。

2  教学过程

2.1  利用长曝光软件Spectre相机处理平抛运动

在本节课之前，对于匀速直线运动、匀变速直线运动、自由落体运动等运动类型学生已经很了解，也已经掌握了运动的合成与分解的分析方法，本节课的难点是要让学生理解为何要将平抛运动分解成水平和竖直方向的分运动，通过手机软件对平抛运动进行分析，学习更容易接受，运用多种手段整合处理问题，是促进学生深度学习的有效途径。

在课堂引入环节，用手机上的APP软件Spectre相机拍摄发光小球在黑暗中的运动路径，快速得到发光小球的运动轨迹，如图1所示。引导学生从受力情况分析斜抛运动与平抛运动的相同点是抛出之后忽略空气阻力都只受到重力的作用，不同点在于抛出时的初速度方向不同，由此通过对比得到平抛运动的定义。

不同于斜抛运动在生活中处处可见，要想在实际生活中呈现标准的平抛运动其实是不容易的，通过手机软件对发光小球的运动轨迹进行捕捉，如图1所示，学生首先能够十分感性地看出斜抛与平抛运动在轨迹上的不同，其次通过引导学生从受力和物体做曲线运动的条件来分析两者的异同，让平抛运动的定义得出水到渠成，有利于学生构建平抛运动的物理模型，促进科学思维的提升。

2.2  慢镜头探究平抛运动分运动规律

得出了平抛运动定义之后，如何引导学生从运动的合成与分解的角度分析平抛运动是个难点。回顾牛顿运动定律解决问题时，常常把力分解到水平和竖直方向上，接着引导学生通过受力分析与运动分析得出只有重力作用在竖直方向上，并且竖直方向的初速度为零，运动类型应该是自由落体运动；而水平方向不受力，存在初速度，运动类型应该是匀速直线运动。如何通过实验来更好地呈现平抛运动在水平和竖直方向分运动的性质呢？通过手机慢镜头录制平抛运动演示仪的小球运动情况，如图2所示，先让平抛运动的小球与自由落体运动的小球运动做对比，再让平抛运动的小球与水平方向上的匀速直线运动进行对比，探究平抛运动的分运动性质类型。

通过逐帧播放，可以十分清晰地看到每时每刻平抛运动的小球与对照组的小球的位置是保持一致的，最后两个小球同时撞到一起，说明了小球在竖直方向上的运动类型是自由落体运动，水平方向上的运动类型是匀速直线运动。

2.3  利用Vernier Video Physics定量处理平抛运动

在上述环节中，通过定性的对比分析得到了平抛运动的运动规律，但是由于阻力的存在，最终会有一些系统误差呈现出来，如何才能更为精确地对平抛运动的水平和竖直方向进行准确的定量分析，进一步验证之前的结论呢？用手机拍摄平抛运动小球的运动过程，可以利用Vernier Video Physics追踪小球的运动轨迹。通过描点追踪，如图3所示，当间隔相等的时间段描点时，可以几乎完美地看到小球在竖直方向的比例关系为1：3：5：7。从该图可进一步验证之前通过与竖直方向的自由落体和水平方向的匀速直线运动对比得到的实验规律的正确性，还可以利用在相等时间间隔内的位移之差Δs=aT2进一步定量计算出小球在竖直方向的加速度的大小，进而与当地的重力加速度对比进行误差分析。

Vernier Video Physics的優势之处就在于可以利用物理图像的方式对于物理量进行分析和处理，最后从图像里探索物理规律，这样的处理方式可视化程度更高，也更容易方便学生理解与接受。

以小球从水平导轨末端为坐标起点建立坐标系来分析运动流程。将图中长度与现实长度的尺度换算之后，可以快速得到运动对象的运动拟合图，水平方向的“位移—时间”图像（x-t图像）、和水平方向的“速度—时间”图像（vx-t图像），如图4、5所示。

根据以上图像，引导学生思考下面几个问题：

思考1：根据图像，平抛运动水平方向有何运动规律？

思考2：根据图像，能否算出小球水平抛出时的初速度大小？

通过观察图像，首先可以定性得到平抛运动水平方向的运动性质为匀速直线运动，还可以通过读取数据得到平抛运动的水平方向的初速度大小，这样就很好地将学生对平抛运动的认识高度从定性分析的层次提高到了定量分析的认知层次。

进一步分析平抛运动在竖直方向的图像如图6和图7所示，根据图7的vy-t图像可以估算出重力加速度的值略小于自由落体运动的加速度9.8 m/s2，可以引导学生分析为什么测出来的数据偏小，多次重复进行实验是否可以规避这个误差。最后通过总结误差分析，原因主要为空气阻力的作用，为系统误差，以此培养学生尊重客观事实的科学态度。

2.4  解决真实问题，通过模型的建构促观念提升

物理观念能否达成，需要通过是否能够利用其解释生活中的自然现象和真实问题进行检验。在教学过程中，通过真实物理问题的创设，将对物理知识的理解和物理方法的应用渗透到解决真实问题的过程中，深化物理思想，内化物理观念。

问题如图8，为新加坡标志性景点鱼尾狮公园内的鱼尾狮雕塑，坐立在水波上的鱼尾狮，其设计概念是将现实和传说合二为一：狮头代表传说中的“狮城”，塑像的鱼尾造型，浮泳于层层海浪间，既代表新加坡从渔港变成商港的特性，同时也象征着当年飘洋过海，南来谋生求存，刻苦耐劳的祖祖辈辈们。

已知鱼尾狮雕塑喷泉口距离海面高8 m，能否利用一把刻度尺估测从鱼尾狮口中刚喷出的水流的速度大小？

以新加坡的知名景点鱼尾狮为问题情境，让学生经历信息提取、抽象、建模、推理的过程，提升应用物理模型解决问题的能力，只有通过真实问题的解决才能评测学生是否对于本节课的内容实现了深度学习。同时福建先民下南洋谋生存的历史背景也容易激发学生对于闽南文化中拼搏奋斗精神的文化认同，提升学生的民族自豪感。

2.5  基于真实的情境 促进深度学习

传统教学中着重强调用化曲为直的思想来分解抛体运动这一类曲线运动，但是怎么分解，为什么要沿着水平和竖直这两个方向进行分解，学生往往是缺乏直观体验的，这不利于学生思维的进阶达成。而通过Vernier Video Physics这种手机上就能使用的软件APP，可以在课堂上快速对运动过程进行捕捉，进而形成图像，在对图像的分析处理过程中，培养了学生读图、识图和用图的能力，在增强感性认识的同时也将分析过程很好地实现了可视化，让学生从感性的定性认识逐步走向理性的定量分析，通过解决具体真实的问题促进学生对平抛运动模型的构建。学生的观察能力、逻辑分析能力以及尊重实验事实的科学态度在对图像的处理分析过程中得到了培养，在聚焦问题的解决过程中促进深度学习的达成。

随着信息技术手段的不断迭代发展，智能手机上所搭载的传感器越来越丰富，智能手机上的传感器所能协助处理的情境也越来越多，例如Phyphox这款软件就能够利用手机上固有的传感器完成30多种物理情境问题中的测量工作。智能手机的强大功能很好地拓展了一线教师的授课方式和授课的手段。与DIS数字实验需要在电脑上先按照运行软件，然后针对不同的实验类型更换不同的传感器进行信息采集不同，手机很好地展示了独属于它的优势，也就是便携性与普遍性。即使在一些实验条件有限的地区也可以很好地利用智能手机软件进行一定的实验创新和信息技术融合，让学生体验新型的实验方式，为实现教育的现代化添砖加瓦。

3  结束语

通过小球平抛的真实情境，以实验探究为主线，通过信息技术融合的方式突破传统实验教学中的重点与难点，以问题解决为导向，既让学生体验了知识的形成过程，又提升了学生的核心素养。现代社会是信息社会，今后的课堂中信息技术与课堂教学的融合将是大势所趋，在课堂教学中怎样去实现信息技术对教学的辅助作用从而达成深度学习是值得考虑的问题。

參考文献：

［1］ 郭华. 深度学习及其意义[J]. 课程·教材·教法， 2016 （11）： 25-32.