巧用信息技术 助益实验教学

温州大学数理学院(325035) 陈雨晴 谢倩如 甘力丹 滕 阁 潘星志 罗海军

随着科学技术的不断发展和社会生活水平的提高,信息技术已经成为了越来越多人生活中必不可少的一部分。手机与电脑也从原本的奢侈品逐渐演变成了常见的生活用品,不但给人们的生活带来了极大的便利,也为物理实验教学提供了便利。

《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》中提出:提高物理教学水平,发展学生物理学科核心素养,离不开信息技术与物理教学的融合[1]。我们可以利用信息技术手段的直观性、丰富性、可重复性等特点突破传统的教学过程中器材、技术的限制,巧妙地化抽象为形象,变静态为动态,充分调动学生学习的主动性和求知欲,使教学的目标得以实现。将信息技术应用于物理课堂不但能够吸引学生兴趣,还能使得物理实验教学更直观、更便捷,更有效地帮助学生实现自主学习和主动探究,促进学生全面发展。本文将从多个方面探讨如何有效利用信息技术,助益中学物理实验教学。

1 虚拟仿真--化不可为为可为,助益实验演示

演示实验在教学中具有重要作用,它能够为学生提供真实情境,使他们能够在情境中提出问题、思考问题,在情境中理解与应用物理概念与规律。优秀的演示实验不仅能引起学生的兴趣,调动学生学习的积极性,还有助于学生进行知识迁移,发展学生的综合素质。由于受到实验设备昂贵、运行环境特殊、实验时间过长和安全等因素限制,部分演示实验很难在课堂上开展,从而导致学生对部分物理概念、规律理解不到位。利用相关软件的虚拟仿真功能来模拟实验现象、实验操作或实验过程,可以有效解决上述不足,从而有利于学生科学思维的发展[2]。

手机与电脑中都有大量的虚拟仿真实验软件。恰当运用这些虚拟仿真实验开展教学,能够丰富物理实验教学类型(见表1),化“不可为”为“可为”,既能与传统实验相辅相成,又能在课后给学生提供充足的实践操作机会,提高他们的实践探究能力。

表1 模拟演示

以“太阳系天体运动规律演示和验证”为例,“物理实验室”软件的天体实验模块具有各种天体运动演示的功能。例如,它可以展示太阳系中星球的运动情况。通过依次选择“按照真实轨道发射”太阳与太阳系中各行星搭建出太阳系模型,可以清晰地观察到太阳系各个行星的运动情况与受力情况(如图1)。点击不同星球,如地球,还能看到星球的具体信息。解除轨道锁定后还可以进行各种设想实验,例如可以模拟“如果太阳质量突然减少一半对太阳系行星运动状态的影响”等假想情况。

图1 地球在太阳系中的运动状态

效果分析:人教版高中物理必修2“万有引力与宇宙航行”章节要求学生深入理解万有引力定律,并能用该定律建立模型,解决相关问题。然而,由于这些知识涉及的概念较为抽象,学生在生活中也很少能接触到与之相关的事物,缺乏直接经验积累,难以直观地理解万有引力定律对物体运动的影响。这导致学生学习过程主要侧重于计算,缺乏综合性思考。在教学过程中,利用信息技术建立虚拟模型,能够帮助学生将抽象的概念具体化,形象地建立万有引力与星球运动的关系模型,从而更好地理解天体运动的规律。

以“带电粒子在磁场中的运动”为例,电脑软件“NOBOOK物理实验”提供了演示各类粒子运动情况的功能,例如,在这个软件中我们可以进行“带电粒子以不同角度进入磁场”的实验。在软件界面中,选择“力与运动”类别,在界面中放置矩形磁场工具,并在磁场下边缘同一位置放置具有相同质量、带电量和初速度的带电粒子,粒子的运动方向均指向磁场内部,点击“开始”即可完成实验演示(如图2)。此外,还可以自定义不同的磁场、电场和运动粒子等参数,完成各种电磁学实验。

图2 带电粒子以不同角度射入矩形磁场(左)和圆形磁场(右)

效果分析:带电粒子在电磁场中的运动一直学生是学习上的难点,在传统的物理课堂中,学生大都只能依靠抽象思维对物体的运动情况进行想象与计算。进行模拟实验,学生可以清晰地看到粒子的运动情况。此外,学生还可以根据遇到的问题自行设置各类参数进行不同实验,将实验现象与自己的计算结果进行对比,这种方法有助于学生构建这类运动的物理模型,加深对粒子运动情况的理解,提高实践应用能力。

2 摄像与影像处理--化稍纵即逝为触手可得,助益实验观测

实验法是学生通过科学探究发现并总结出物理规律的重要方法。但许多研究物体运动规律的实验,在物理课堂上展示时,由于物体的运动过程短暂且速度过快,肉眼很难准确捕捉,导致学生无法直观地感受物体的运动过程,难以通过实验现象收集物体运动的信息、探究物体运动背后的规律和特点。利用摄像和影像处理技术能够帮助师生解决这一问题。另外,有些进展变化太过缓慢的实验,短短的一节物理课根本观察不出现象变化,利用信息技术进行影像加速,可以更为有效地观察实验现象。

利用常见的智能手机或者摄像机可以辅助观察许多实验(见表2)。智能手机普遍具有慢镜头拍摄功能,可以捕捉稍纵即逝的现象,配合影像处理软件逐帧播放可以“放慢”物体运动脚步。画面捕捉能够代替传统打点计时器的作用,减少实验误差,使得实验结论更准确、更便捷[3]。此外,还能利用拍照时的光圈、曝光时间等变量来辅助实验操作。

表2 影像处理

“tracker”软件的运动轨迹捕捉功能可以使得很多实验更加直观、便捷。进行平抛运动实验时,将拍摄设备固定在平抛运动演示仪前,录制2个小球同时进行水平抛出和竖直下落的影像。然后将影像导入至“tracker”软件,逐帧捕捉小球的位置,并利用“tracker”的画图功能自动处理小球位置与时间的关系(如图3所示)。

图3 平抛运动轨迹(左)和平抛运动水平竖直方向位移图像(右)

效果分析:人教版高中物理第5章“抛体运动”要求学生学会通过探究活动了解平抛运动的特点。教师在教学中通常使用演示实验的方式向学生展示抛体运动的规律。但抛体运动观察困难,如“做平抛运动的物体在竖直方向上运动情况与做自由落体运动的物体相同”这一现象难以直接观察到。学生需要通过逻辑计算分析,或者通过观察平抛小球与自由落体小球同时落地来间接得出规律。改进后的实验能够通过直接观察小球在各个时间点的位置和时间位移关系图像,清晰揭示平抛运动的特点。

3 巧用准确测量--化模糊为精确,助益生活小实验

作为与日常生活息息相关的一门学科,教学生活化是一种重要的物理教学方式。采用生活小实验的方式对生活中的物理现象进行分析和解决,不仅能提高学生学习的兴趣,还能培养学生综合实践能力,帮助学生从物理学角度认识自然。但部分实验由于缺乏对照证明,学生在得到结论的同时也会疑惑这样简单的实验能否得出正确的结果,这样简单的装置是否有效。利用手机中丰富的传感器,对实验结果进行再次验证,借助学生对科技产品的信任,能够有效地消除学生的疑惑,增强学生对于应用物理知识解决问题的信心。同时,让学生认识到物理知识和高科技设备同样有用,激励学生在更广阔的情境中勇敢地应用物理知识。

智能手机中集成了多种传感器,包括气压传感器、加速度传感器、声音传感器、光传感器等,作为一种家庭常见设备,智能手机具有便捷易用和广泛普及的优点[3]。学生可以在家庭环境下方便地使用相关软件调用手机传感器进行生活小实验(见表3)。这种方式帮助学生养成实践应用能力,推动学生积极主动地探索生活中的各种问题。

表3 传感器运用

以“电梯加速度测量”为例,将电子秤置于电梯内,利用手机录制电梯上升下降过程中被测试者体重示数的变化情况;运用“剪映”选择视频中的具体时刻,每0.5 s记录一次体重秤示数;根据牛顿第二定律进行加速度计算,绘制加速度变化图像;同时在电梯中固定另一手机,采用“phyphox”的加速度测量功能测量加速度变化,得到相应的图形。如图4所示,对照二者图像可以看出尽管体重秤灵敏度略有不足,但2种实验结果基本吻合。

图4 体重秤小实验计算电梯加速度图像(左)和phyphox测量电梯加速度图像(右)

效果分析:人教版高中物理必修1第4章第6节“超重和失重”要求学生能够理解电梯中的超重失重现象的本质,并培养学生从实际情境中捕捉信息、发现问题和提出问题的能力。利用电子秤、体重秤等生活常见物品根据牛顿第二定律进行物理小实验,无疑有助于加深学生对超重失重过程的理解。利用“phyphox”对小实验结果进行验证,不仅能帮助学生肯定自己的实验成果,还能协助他们排除实验过程中的不合理因素,正确地分析、处理数据以形成合理的结论,进而促进科学探究能力的发展。

以“声音速度测量”为例,如图5所示,准备2部安装有“phyphox”软件的智能手机,并将它们放置在相距一定距离的2个位置。启动声学秒表功能,并设置阈值略高于背景噪音。然后2个实验者分别站在2部手机(手机1和手机2)旁,依次击掌,确保击掌声远大于背景噪声。手机在第1次接收到掌声信号时开始计时,第2次接收到掌声时停止计时,测量出2部手机之间的距离s,通过位移与时间的关系就可以计算声音的速度[4]。

图5 声音速度测量实验示意图(左)和声学秒表(右)

效果分析:声音的速度是一个在生活中广泛使用的物理量,学生在生活中可以通过声音的速度估算闪电的距离、山谷的大小,许多专业设备如海啸预报站也是利用声音传播的速度进行预报的。由于实验难度的限制,学生对声速的认知仅仅停留在表层,很多时候都会下意识忘记声音传播需要时间。利用信息技术,学生可以使用简单的设备完成这项他们习惯性认为难以完成的测量活动。这可以极大地提高学生的成就感,让学生充满热情地投入到生活中各种物理知识的探究中。

4 结束语

如今信息技术的发展日新月异,智能化设备也越发普及。在这个信息化的时代,物理实验变得更加有趣、更加高效,也为我们带来更多的惊喜和收获。深入了解信息技术,并正确地运用它,不但能使得物理课堂教学更加丰富多彩,还能激发学生在物理学习中的积极性,为物理教学质量的提高做出贡献。