應(yīng)用信息技術(shù)破解四類物理實(shí)驗(yàn)難題

游藝輝

摘 要 信息技術(shù)發(fā)展和普及為物理教學(xué)解決一些物理實(shí)驗(yàn)難題提供了新的途徑。文章對(duì)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)存在的，諸如抽象的物理 知識(shí)難以用傳統(tǒng)常規(guī)的手段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、部分演示實(shí)驗(yàn)?zāi)芤?jiàn)效果差無(wú)法給學(xué)生清晰展示、物理實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象變化過(guò)快 不利于觀察、有些物理實(shí)驗(yàn)具有危險(xiǎn)性或條件要求高而無(wú)法進(jìn)行等難題進(jìn)行分析，探究了影像、投影和虛擬等信息技術(shù)解 決這些中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)難題。

關(guān) 鍵 詞 信息技術(shù);物理實(shí)驗(yàn);難題

在物理教學(xué)中加強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的 觀察和科學(xué)探究能力具有重要意義。但是在實(shí)際教 學(xué)中，往往由于學(xué)校設(shè)備不完善或者實(shí)驗(yàn)本身操作難 度大等原因的限制，部分物理實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行操作，進(jìn) 而影響了物理教學(xué)質(zhì)量。^[1]而運(yùn)用信息技術(shù)手段則很 好地解決了這一問(wèn)題。在信息技術(shù)條件支持下，教師 在進(jìn)行中學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，可借助信息技術(shù)創(chuàng) 設(shè)一個(gè)模擬的物理實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行詳 細(xì)的呈現(xiàn)，使得學(xué)生更好地觀察、理解和接受。^[2]

一、中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)難題特點(diǎn)

1. 抽象的物理知識(shí)難以用傳統(tǒng)常規(guī)的手段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

物理抽象概念的表示一直是中學(xué)物理學(xué)習(xí)中的 重難點(diǎn)。在教學(xué)內(nèi)容中經(jīng)常有一些抽象的知識(shí)點(diǎn)，這 些知識(shí)點(diǎn)只有通過(guò)分析、歸納、推理等方式才能得出 相應(yīng)的結(jié)論。學(xué)生大多只能通過(guò)想象力把一些抽象 的知識(shí)點(diǎn)具體化，但對(duì)于抽象思維尚未完全成熟的初 高中生，很難單憑想象力準(zhǔn)確想象天體運(yùn)行規(guī)律、磁 場(chǎng)的相關(guān)知識(shí)等，這些虛幻游離的力、電、磁，往往令 學(xué)生望而生畏。

1. 部分演示實(shí)驗(yàn)?zāi)芤?jiàn)效果差無(wú)法給學(xué)生清晰展示

物理教學(xué)中，有時(shí)必須通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證物理 理論的正確性，這樣既加深了學(xué)生對(duì)物理理論的認(rèn) 知，又掌握了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法。但有的演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 過(guò)于微觀而不易觀察，無(wú)法向全班同學(xué)清晰展示實(shí)驗(yàn) 現(xiàn)象，導(dǎo)致教學(xué)效果大打折扣。

1. 物理實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象變化過(guò)快不利于觀察

在物理實(shí)驗(yàn)中，有些物理實(shí)驗(yàn)是在瞬間完成的， 實(shí)驗(yàn)變化過(guò)程往往沒(méi)辦法直觀展示給學(xué)生看。而一 部分實(shí)驗(yàn)耗時(shí)卻較長(zhǎng)，由于課堂時(shí)間有限，教師往往 采取片段式演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程。這些都不利于學(xué)生對(duì)實(shí) 驗(yàn)過(guò)程的理解及掌握。^[3]

1. 有些物理實(shí)驗(yàn)具有危險(xiǎn)性或條件要求高而無(wú) 法進(jìn)行

中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，并不是所有的實(shí)驗(yàn)都可以在實(shí) 驗(yàn)室完成的。有的實(shí)驗(yàn)具有一定的危險(xiǎn)性，有的對(duì)實(shí) 驗(yàn)條件要求較高，缺乏實(shí)驗(yàn)器材，一時(shí)難以完成，影響 了實(shí)際的教學(xué)效果。

二、應(yīng)用信息技術(shù)解決物理實(shí)驗(yàn)難題的策略

1. 應(yīng)用影像技術(shù)，將實(shí)驗(yàn)中抽象物理知識(shí)變得具 體化

許多物理知識(shí)比較抽象，比如電流，學(xué)生看不到， 若能將這些看不見(jiàn)的電流通過(guò)影像技術(shù)來(lái)模擬，制作 成動(dòng)畫或VR，就能增強(qiáng)學(xué)生的真實(shí)感受，增強(qiáng)學(xué)習(xí) 效果。

例如，教師在進(jìn)行“滑動(dòng)變阻器”演示實(shí)驗(yàn)教學(xué) 中，滑動(dòng)變阻器中的電流具有一定的抽象性，學(xué)生因 為看不到，在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中需要在頭腦中進(jìn)行想象， 并依據(jù)想象的結(jié)果，建立與其相對(duì)應(yīng)的模型。這一過(guò) 程，對(duì)于缺乏想象力的學(xué)生來(lái)說(shuō)，存在較大的難度。 教師在具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中，就可以充分利用Flash 腳本中的相關(guān)函數(shù)、影片等，制作出相應(yīng)的模擬動(dòng)畫， 并將電流流動(dòng)過(guò)的滑動(dòng)變阻器設(shè)置為紅色。在這一 過(guò)程中，學(xué)生就可以形象、直觀地感受電流，進(jìn)而更好 地了解演示實(shí)驗(yàn)。又如，“萬(wàn)有引力定律”是中學(xué)物理 的重點(diǎn)知識(shí)，但由于其抽象性，無(wú)形之中增加了學(xué)生 學(xué)習(xí)的難度。在國(guó)外很早就開(kāi)始關(guān)注虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

在物理學(xué)科中的應(yīng)用，主要表現(xiàn)為物理虛擬實(shí)驗(yàn)。國(guó) 內(nèi)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)雖然起步較晚，但這幾年越來(lái)越受 到重視。國(guó)內(nèi)有學(xué)者開(kāi)發(fā)出“三體運(yùn)動(dòng)”VR教學(xué)軟 件，模擬出“萬(wàn)有引力定律”章節(jié)中的實(shí)驗(yàn)，對(duì)“三體運(yùn) 動(dòng)”進(jìn)行直觀的表現(xiàn)，創(chuàng)設(shè)一個(gè)沉浸式的、交互性的虛 擬教學(xué)環(huán)境。^[4]

1. 應(yīng)用投影儀技術(shù)，將能見(jiàn)效果差的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行細(xì) 節(jié)放大處理

在物理教學(xué)中，由于一些演示器材形狀較小，如 電動(dòng)機(jī)小模型，刻度尺測(cè)量實(shí)驗(yàn)或者有些實(shí)驗(yàn)不能豎 立起來(lái)演示，如電場(chǎng)線演示板等，雖然這些實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單 易行，但由于其可見(jiàn)度低，如果在教師在講臺(tái)上做實(shí) 驗(yàn)，很多學(xué)生由于距離教師比較遠(yuǎn)，很難觀察清楚。 這個(gè)時(shí)候教師可以利用多媒體設(shè)備，對(duì)實(shí)物進(jìn)行投 影，將演示過(guò)程及結(jié)果放大處理，使原本只有近觀才 能看清的現(xiàn)象，放大到全體學(xué)生都可以看清，使學(xué)生 原本覺(jué)得抽象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和抽象的物理概念通過(guò)投 影儀的放大變得清晰可見(jiàn)，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果大大 提升。

例如，磁感線的方向可通過(guò)小磁針的指向來(lái)確 定，那么學(xué)生如何能夠清楚地看見(jiàn)空間磁場(chǎng)的方向 呢？這是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)難題。課本中的二位 剖面圖對(duì)于空間想象力差的學(xué)生來(lái)說(shuō)，學(xué)習(xí)起來(lái)尤為 困難。可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生感受磁場(chǎng)的方向，往往視 覺(jué)效果欠佳。這時(shí)候可以通過(guò)投影儀將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象放 大，當(dāng)教師把內(nèi)含小磁針的白色板子放在投影儀下面 的平板上時(shí)，電子白板屏幕上出現(xiàn)小磁針排列出來(lái)的 圖像，此時(shí)小磁針的指向不規(guī)則、不明顯。當(dāng)教師把 U型磁鐵放在板子上并用拳頭敲擊白色板子時(shí)，通過(guò) 電子白板屏幕可以很清楚地看到U形磁體周圍小磁 針的指向發(fā)生明顯地變化，出現(xiàn)類似課本中磁感線的 一條條曲線，而且有一定的規(guī)則。當(dāng)教師改變U形磁 體的放置后再次敲擊板子，在電子白板屏幕上清晰地 看到小磁針排列方式的改變，但小磁針還是有規(guī)則地 指向。通過(guò)這樣放大的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，讓學(xué)生更清晰地看 到磁場(chǎng)方向，更好地理解了磁感線及其方向。^[5]

1. 應(yīng)用視頻暫停技術(shù)，將物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行定格 分析

應(yīng)用信息技術(shù)，可以在教師演示物理實(shí)驗(yàn)的過(guò)程 中，暫停，慢鏡頭、加速、回放等對(duì)視頻加以處理，指導(dǎo) 學(xué)生細(xì)致地觀察實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，從而發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律。如在 講機(jī)械波的成因時(shí)，形成機(jī)械波的各質(zhì)點(diǎn)都在做上下 運(yùn)動(dòng)，但好多學(xué)生在這之前都認(rèn)為各質(zhì)點(diǎn)隨波遷移才 能形成機(jī)械波。傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)在實(shí)際操作時(shí)由于時(shí) 間短而不能觀察清楚，視頻實(shí)驗(yàn)的慢放可以很好地彌 補(bǔ)這一不足。教師借助視頻演示實(shí)驗(yàn)慢放功能，讓學(xué) 生觀察系在繩上的紅色物體（代表繩上某一質(zhì)點(diǎn)）的 運(yùn)動(dòng)情況，學(xué)生可非常明顯看出紅色物體做上下運(yùn) 動(dòng)，與原有經(jīng)驗(yàn)產(chǎn)生強(qiáng)烈沖突，激起內(nèi)心急于要了解 繩波成因的沖動(dòng)。

1. 應(yīng)用虛擬平臺(tái)技術(shù)，將具有危險(xiǎn)性或條件要求 高的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬化處理

對(duì)于具有危險(xiǎn)性或條件要求高的實(shí)驗(yàn)，可以應(yīng)用 信息技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件。 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室相對(duì)于真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)點(diǎn)是，教師和 學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需求，利用軟件虛擬平臺(tái)選擇相 應(yīng)的實(shí)驗(yàn)器材及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，然后利用這些虛擬器材完 成實(shí)驗(yàn)。在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，不但可以進(jìn)行一些真實(shí) 實(shí)驗(yàn)中比較危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)，而且對(duì)于有些器材在真實(shí)實(shí) 驗(yàn)室中不具備的 、比較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，也可以輕松完成 實(shí)驗(yàn)，給學(xué)生一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)。這樣，可以避免實(shí)驗(yàn) 中存在的危險(xiǎn)，保證了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生的安全。如托 里拆利實(shí)驗(yàn)里面的水銀有毒，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，必須十 分小心，但即使操作小心謹(jǐn)慎，往往還是會(huì)出現(xiàn)水銀 灑落的事情。如果用實(shí)驗(yàn)虛擬平臺(tái)進(jìn)行模擬，就可以 讓學(xué)生觀察到形象逼真的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，達(dá)到了教學(xué)預(yù)期 目的。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是：可以利用虛 擬平臺(tái)讓學(xué)生虛擬實(shí)驗(yàn)操作，等學(xué)生熟悉了實(shí)驗(yàn)操 作，然后再進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)，這樣就可以避免學(xué)生因?yàn)?操作不當(dāng)損壞器材。

參考文獻(xiàn)：

[1]蒿仲余.信息技術(shù)在高中物理教學(xué)中的運(yùn)用西部 素質(zhì)教育 .2019（16）：112-113.

[2]董友生.信息技術(shù)與高中物理教學(xué)深度融合的策略探 究教育現(xiàn)代化

[3]林莉.大數(shù)據(jù)背景下高中物理教學(xué)的實(shí)踐探索當(dāng) 代教研論叢.2019（5）：8-9.

[4]李昊霖，鄭鋒士，蔡蘇. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)探究“三體運(yùn)動(dòng)” —虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高中物理萬(wàn)有引力定律學(xué)習(xí)中的應(yīng)用 中小學(xué)信息技術(shù)教育.2018（10）：74-76.

[5]廖凌宏. 反饋在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用—以“用磁 感線描述磁場(chǎng)”教學(xué)片斷為例福建基礎(chǔ)教育研究2017 （4）：117-118.

（責(zé)任編輯：周志平） 縱火案。柯南讓三位嫌 疑人說(shuō)出案發(fā)當(dāng)晚上11點(diǎn)左右他們各自在做什么，三