基于現代信息技術的大學物理形象化教學

覃方麗

(中國石油大學(北京) 理學院，北京 102249)

1 大學物理形象化教學的背景

大學物理理論性強、高度抽象的特點使學生在課堂上理解困難，有些物理圖像超出學生的想象，使學生望而生畏.在課堂上將抽象化的物理知識形象化、直觀化，是大學物理教師努力的方向之一.

日新月異、層出不窮的現代技術，為實現形象化大學物理課堂教學提供了手段.近來，現代信息技術在MOOC(慕課)[1-4]、同伴教學法[5-7]、SPOC[8]等新教學模式中發揮了重大作用[9]，有效提高了大學物理教學效率.但針對大學物理理論性強、高度抽象化的特點，這些新教學模式并未從根本上解決教師教學、學生學習的困難.除了利用這些新教學模式外，物理教學還應充分利用現代信息技術使抽象的物理知識形象化，增加教學過程中的互動性，從而使難以理解的概念變得直觀、易懂，以利于激發學生學習興趣，提高大學物理教學質量.

2 大學物理形象化教學的現代信息技術手段及其實例

實現大學物理形象化教學的現代信息技術手段很多，且其發展日新月異. 以下介紹筆者在大學物理課堂教學中應用手機、數值模擬、現代智能設備等現代信息技術實現形象化教學的幾個實例.

2.1 應用手機演示“拍”和“光的偏振”

手機集成了眾多現代科學技術.目前手機已經普遍應用于課堂教學中，如教學互動、簽到、測試等.近年來眾多物理教師開始重視手機在物理實驗中的作用，開發了許多相關應用[10-12].

應用手機聲音發生器的相關APP可以演示“拍”現象.圖1(a)和圖1(b)分別顯示了應用“Frequency Sound Generator”APP和“多頻振動launch”APP演示“拍”現象的實驗.授課時，教師可發給學生一個頻率未知的正弦波聲信號，讓學生自行應用手機合成“拍”現象，測量教師所給信號的頻率，從而體驗“拍”的應用，加深理解“拍”產生的原理.此外，應用“多頻振動launch”APP中“音符”功能下發出的音樂可以輔助解釋樂器的調音原理(圖2(a))；應用“自動頻率變化”功能可體驗“多普勒效應”(圖2(b)).

圖1 手機APP演示“拍”現象

圖2 應用“多頻振動launch”APP

手機可以應用于“光的偏振”課堂演示.授課時指導學生將偏振眼鏡的一個鏡片置于手機液晶屏前，轉動鏡片，觀察到兩種現象：消光(圖3(a))和不消光.在不消光的手機上再加一幅偏振眼鏡，旋轉鏡片，觀察到消光現象(圖3(b))，且兩個鏡片夾角為90度.此手機發出的光是什么偏振態呢？用四分之一波片和一個偏振片檢驗，學生發現有些手機發出的光為橢圓偏振光.為什么出現橢圓偏振光？教師提出問題，引導學生通過討論得出結論：手機屏幕膜的“雙折射”性質導致了橢圓偏振光的出現.這樣，學生應用手機作為光源，將“光的偏振”現象、偏振態的檢驗、“雙折射”的概念形象地“串”在一起了.

圖3 手機屏幕偏振實驗

2.2 應用數值模擬制作形象化的大學物理教學課件

目前課件中常見的示意圖，往往粗糙、不準確，有時甚至給學生帶來誤解.例如，講解單縫衍射的明紋寬度時，采用如圖4(a)所示的示意圖，學生很難理解計算明紋寬度就是計算其相鄰的兩個暗紋中心的坐標差.數值模擬形成的圖像準確、逼真，學生理解更加容易(圖4(b)).

圖4 單縫衍射條紋

應用數值模擬以及圖像，展示抽象化的物理公式或者結論，能使學生對物理知識的理解比用解析方法更深刻.例如，應用Matlab平臺數值模擬簡諧振動合成(圖5)，學生自行設置參數，實現不同簡諧振動合成的可視化.

圖5 數值模擬軟件形象化簡諧振動合成

2.3 動畫課件實現形象化教學

動畫課件是實現形象化課堂教學的又一重要手段.例如在“光學儀器的分辨本領”教學中，動畫課件實現了一些抽象知識點的形象化.

幾何光學認為物點成像為一個像點.但是，根據圓孔的夫瑯禾費衍射原理，物點經圓孔(如人眼)夫瑯禾費衍射，所成的像是占入射光強能量約84%的艾里斑，艾里斑周圍是明暗相間的同心圓環.艾里斑的半徑r滿足

(1)

式(1)中，f是透鏡焦距，θ是艾里斑的角半徑，λ是入射光波長，D為圓孔的直徑.f、λ不變，增加D，艾里斑會變小；D>>λ時，各級衍射明紋密不可分，顯示為一個亮點，因此得出結論：傳統的幾何光學是波動光學在D>>λ時的極限情形，此結論可用動畫演示.用Matlab數值模擬出D變化時的多張衍射圖，將這些圖用PPT動畫刷制作成動畫課件，演示物點成像的像斑在增加D之后，逐漸變化成一個像點(部分截圖見圖6).

圖6 物點成像從像斑到像點的變化過程截圖

“瑞利判據”也可用動畫演示.將兩個物點的距離改變導致相應的艾里斑變化形成動畫，觀察兩個物點從能被分辨到不能被分辨的過程.動畫中圖7所示的三種典型情況為：兩個艾里斑能被分辨(圖7(a))，恰能被分辨(圖7(b))，不能被分辨(圖7(c))，為這3種情況設置點擊動作并講解，且在恰能分辨處(圖7(b))引導學生觀察，發現一個艾里斑的中心恰與另一個艾里斑的第一級暗紋重合，學生對瑞利判據的理解形象化了.

圖7 兩個像斑能否被分辨動畫截圖

根據瑞利判據，透鏡的最小分辨角δθ等于艾里斑的角半徑，即

(2)

學生觀察f、D不變，波長λ減小導致艾里斑變化的動畫(部分截圖見圖8)，發現波長λ減小了，艾里斑半徑r會變小.根據式(1),艾里斑的角半徑θ相應減小；根據式(2),透鏡的最小分辨角δθ也會減小，δθ減小意味著儀器的分辨率的提高.因此得出結論：可以通過減小波長λ提高儀器的分辨本領.

圖8 不同入射光波長成像效果對比圖

2.4 應用現代智能設備收集和剪輯生活中的物理實例

現代智能設備使得收集和編輯生活中體現物理知識的實例更加容易.應用生動淺顯的生活實例表達抽象的物理概念，可以培養學生對概念本質的直覺認識.例如，行車記錄儀記錄了夜晚迎面行駛而來的汽車車前燈，遠看是一個亮點(圖9(a))，近看是兩個(圖9(b))，這與“光學儀器的分辨本領”有關，可用“愛剪輯”等軟件進行必要剪輯后應用于課堂，用瑞利判據解釋：遠處，兩個車前燈對成像設備鏡頭所成的夾角α小于成像設備的最小分辨角δθ，兩個車前燈不能被分辨；到了近處，α>δθ，兩個車前燈能夠被分辨.

圖9 夜晚車前燈視頻截圖

3 結束語

現代信息技術的進步為大學物理形象化的課堂教學提供了手段，使大學物理課堂教學更加精準和高效，達到教育中“潤物細無聲”的效果.作為大學物理教師，應當緊跟科技發展大潮，積極將其融入課堂教學，激發學生興趣，提高教學質量.