现代信息技术与高中物理教学的融合--以GeoGebra软件为例

四川省成都市航天中学校(610101) 张海军 四川师范大学物理与电子工程学院(610101) 施 倩

0 前言

人类的进步与发展离不开工具和手段的进步,时代的车轮不断滚动向前,应用于物理教学的技术日益更新,现代物理课堂中各种信息化软件、工具和仪器延伸着学生的器官感知范围和数据的准确度,也让课堂变得更为有趣、具象、优质。

《普通高中物理课程标准(2017 年版2020年修订)》(以下简称“新课标”)中的“实施建议”部分明确指出,高中物理学科要“积极探索信息技术与物理教育教学的深度融合”,即通过多样化的基于网络的教学方式,利用现代化信息技术,引导学生理解物理学本质、形成科学思维习惯、增强科学探究能力和解决实际问题的能力,不断拓宽物理学习的路径[1]。现代各类信息技术手段的融合,有助于打破传统物理课堂“粉笔+黑板”的枯燥抽象,打造学生物理知识学习的多元化途径,声画显示、动态演示、仿真模拟等一系列功能的课堂呈现,能够帮助学生增加知识理解深度,理性建构思维模型,进而真正达到提质提“素”的目的。

1 高中物理教学常用的信息技术

信息技术环境下的教与学,需要一些基础信息技术和数字媒体的支撑,从而进一步助力课堂实现学生自主学习、教师拓展延伸和师生间的交流互动。目前,在高中物理课堂中常用的信息技术有以下几类:

1.1 师生互动类

互动类技术能够促进师生互动和生生交流,增强课堂的生命力。现如今较为常见的是各类电子白板、在线作业、在线论坛等[2]。其中,希沃电子白板具有较高的优越性和广泛的受众面。它是一款针对教学场景设计的互动软件,是集多种教学工具为一体的新生代教学媒体。除常规的课件管理、分享、互动授课、拍照投屏等功能以外,在物理学科中也有独特的优越性,如“课件库”能够为物理教师提供不同版本的参考课件、演示实验视频、仿真实验等作为备课参考;在物理课堂需要绘制坐标图像和展示公式时,其“图形”“公式编辑”等功能大有用途;而其软件中内置各类得分竞赛对抗功能也能够极大地调动学生的积极性,增强课堂互动性。互动软件能够让物理教学的表现形式更加多样化,焕发课堂生机,增大课堂容量,拉近师、生、课堂的交互距离,物理课堂的效率与质量也大幅提升。

1.2 应用软件类

应用软件类指的是能够辅助实验和演示的几何画板、Tracker、GeoGebra等外部应用软件,具有易安装、可视性高等特点。其中,Tracker是一款免费用于视频跟踪分析和建模的物理工具软件,能够实现对于研究对象的手动或者自动追踪、轨迹显示和数学分析,方便对物理现象进行快速探究,可有效解决物理实验对于实验环境以及实验设施的依赖问题。该软件易上手、操作门槛不高,在高中物理课堂中,这款软件常用于“平抛运动”“自由落体运动”“单摆”等课题的小球运动轨迹特点研究,能够将看不见摸不着的轨迹追踪定量,帮助学生直观探寻物理规律,辅助实验的观察和教学。GeoGebra软件则是一款结合几何、代数与微积分的动态几何教学软件,它可以为用户提供画点、向量、直线、线段、多边形等多种作图功能,同时也具有可编辑、可实时改变属性的函数功能。物理教学离不开各类图像的演示,因此该软件也能够发挥极大的教学功能。

1.3 传感器类

传感器在物理课堂上扮演着“信息采集工”的角色, 能够极大促进实验精确度和可视性,发挥着类似于人类“五官”的作用, 在物理实验中, 能够将可感知的力、热、声、光等物理量, 实时转换成易测量的电学量, 并能实现数据的放大、传输或实现控制输出[3]。与电流表、弹簧秤等传统实验器材相比,新式的电流传感器、力传感器等体现出巨大的优越性,具有精确性高、性能可靠、计算功能强大等明显优势。如今,在新版的物理教材中已经有越来越多传感器的身影,它有助于实现教学的便捷性、数据的直观性,能帮助学生感受科技的魅力,增强学生的综合素质和创新思维。

上述各类信息技术手段的运用,能够从物理教学视角帮助学生在形、光、声、色、数据等多个维度产生丰富感知,化抽象为具体。而如何科学地将信息技术手段融合物理教学,则需要教师深入剖析教学知识内容、明确学情、创设融合情境,在课堂不同阶段适时、适度、适当地融合。

2 融合途径

2.1 创设引入情境,激趣激疑并行

“有好的开头便已是成功的一半”,课堂引入是教学的关键节点,在该阶段融入信息技术手段营造教学情境,能够有效增加学生对课堂的兴趣浓度,激发学习积极性。利用多媒体播放趣味视频、利用互动类软件组织游戏和比赛、利用仿真软件开展演示实验,都能够激发学生的多重感官,引发学生学习兴趣和探知热情,让学生在引入阶段的各类情境中生发疑问,产生指向问题解决的主观能动性。

2.2 攻破重难点,提升思维能力

高中物理课堂上往往具有许多抽象费解的概念、规律,是学生较难突破的学习重点与难点,如果教师一味口头讲解,学生难以深入理解,易形成思维“负债”。在课堂重难点部分融入信息化技术手段能够模拟抽象现象,将口头表述形象化、可视化,帮助学生有效建构科学思维。比如:光的各类干涉衍射现象、带电粒子在磁场中的运动、超失重、曲线运动的过程理解等高中物理典型问题,教师都可以利用信息化手段展示动画和图像,并结合细致讲解深化学生对重难点知识的认知,各类技术手段的融入是促进学生思维能力提升的“金钥匙”。

2.3 弥补传统实验不足,知识多维深化

物理是一门以实验为基础的学科,但传统物理教学往往会受到仪器设备、教学时间等各类因素影响,以信息技术手段辅助课本上的探究类和测量类教学实验,能够增加实验的可视性、测量准确度,从而大幅度提高实验效果。如:学生在观察教师进行“平抛运动”演示实验时往往因物体运动时间过快,物体竖直和水平方向的运动特点难以同时捕捉等问题限制了对实验现象的准确分析,此时教师即可将实验演示视频录制下来并导入Tracker软件中进行小球的轨迹追踪,进而以生成的图像和数学函数关系式帮助学生加深对实验的认识理解。

当然,各类信息技术手段更多的是辅助教学,切不可完全替代物理实验,学生仍然需要在常规实验过程中锻炼观察分析、测量读数、归纳综合等能力,培养科学探究精神。

3 现代信息技术与物理教学的融合

以GeoGebra软件为例,将其应用在高中物理必修2第5章第1节“认识曲线运动”的速度方向探究过程中,相应的教学片段如下。

师:在链球比赛中,被高速抡动的链球做曲线运动,但是看过比赛的同学都知道,不免有运动员会把链球甩在周围高高的保护网上的情况,这样就非常的危险(播放一段运动员将链球打在保护网上的视频)。

师:到底运动员应该在什么区域松手,才能够使得链球顺利飞出呢?这需要考虑什么因素呢?请大家看链球运动的场地图(如图1),让我们共同来探究。

图1 链球运动场地图

生:(猜想)是不是要看链球飞出去的方向呀?

师:很好,我们刚刚提到链球运动是一种曲线运动,我们该如何确定它飞出去的方向呢?

生:先确定曲线运动的速度方向。

师;很好,我们可以先从理论分析的视角来进行推导。请大家回顾必修1中“速度”的相关知识。

生:瞬时速度的方向就是在极短时间内所对应的位移的方向。

师:现在,我们采用GeoGebra软件,画出一段曲线运动的轨迹(如图2),若质点在一段时间内从A点运动到B点,则质点的平均速度方向如何?

图2 GeoGebra软件界面1

生:过AB两点的割线方向。

师:接下来移动B点,当B点越来越靠近A点时,过AB两点的割线方向在不断地变化,斜率是不是也在变化呀!

生:是!可以看到斜率数值在改变,一开始是0.84,现在在慢慢变小。

师:我们再看,当B点非常接近A点时,这条割线的斜率和过A点的切线斜率怎么样呢?(如图3)

图3 GeoGebra软件界面2

生:相同了。

师:也就是说,当B点与A点之间的距离无限接近0时,质点在A点的速度方向沿过A点的切线方向。这里展现的就是由轨迹的割线向着切线逐渐逼近的过程,是一个平均速度向着瞬时速度逼近的过程,这说明了什么呢?

生:曲线运动某点的速度方向应该就是沿着它的切线方向的。

师:很棒,这里也充分体现了极限思想。那么通过公式推导,我们能够解决刚刚的问题了吗?请大家现在在图纸上尝试确定出链球运动的松手区域吧!

生:我们得出的区域是这样的。(学生展示,如图4所示)。

图4 链球运动正确的松手区域

师:很棒,完全正确。由此可见,链球运动的松手区域是很小的,运动员在高速旋转时能够抓住最恰当的时机松手其实是个很大的技术活儿,每一位运动健儿都值得我们的尊敬!

从以上的案例可以看出,利用方便快捷的GeoGebra软件显示曲线运动割线向着切线方向不断逼近的动态演示以及进行的理论分析,增加了教学的丰富性和层次性,将极限思想可视化呈现,使得知识更易于理解和掌握,利于培养学生的科学思维。

4 结语

综上,随着新课程改革的不断深入,信息技术早已不再局限于演示的媒体或工具,而已经成为当代教师的一种不可或缺的教育教学基本素养。利用信息技术营造出一种新型的教学环境,打造出一种既能发挥教师主导作用又能充分体现学生主体地位的教与学的方式,让学生的个人潜能得以激发,有助于学生的个性发展和全面发展。将现代信息技术与物理教学进行碰撞融合,定可让时代孕育的成果惠及每一名学生,让学生在春风化雨般的教学环境中茁壮成长。