“信息技術”助力下的中學物理可視化教學實踐研究

摘 要：隨著電子技術和信息技術的發展為學科教學帶來了新的理念，教師在物理學科教學中，可以利用各種信息技術手段將物理實驗、物理知識、物理規律、思維過程以及學生的學習反饋，形象地、及時地展現出來，形成可視化的教學與物理學科教學有機整合.以得到簡諧運動圖像為目的，可視化地展現簡諧運動圖像，降低學生思維難度，創設真實情境體驗，提高物理課堂教學效率.

關鍵詞：信息技術;可視化;簡諧運動;物理實驗

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）13-0063-03

作者簡介：王馳明（1982-），男，安徽蚌埠人，本科，中學一級教師，研究方向：教育教學、實驗創新.

1 問題的提出

對簡諧運動位移—時間圖像的獲取，人教版高中物理選修3-4中給出的思路是：利用彈簧振子的頻閃照片，頻閃儀每隔0.05s閃光一次，拍攝時底片從下向上勻速運動，底片上留下小球和彈簧一系列的像，相鄰兩像之間相隔是0.05s，沿底片運動方向建立時間軸，振動方向建立位移軸，得到振子在平衡位置附近往復運動的位移—時間圖像.具體參考案例在“做一做”欄目中采用的是數碼相機和計算機繪制小球運動的位移—時間圖像.按照教材提供的思路和參考案例，實際教學應用中發現四個突出問題：

（1）頻閃照相要求拍攝時間間隔較短，當物體高速運動時拍攝圖片模糊無法進行位移的精確測量.

（2）利用頻閃照相記錄彈簧振子的運動過程，后面的運動把前面的運動覆蓋了，導致無法確定具體時刻的位置.

（3）按照教材參考案例的做法，建立一個幻燈片演示文稿，把這些照片插入文稿中的同一張空白幻燈片中，照片按拍攝時間的先后順序一幀一幀地自動向右鋪開，把這些圖片上端對齊，雖然能夠看到振子在不同時刻的位置與時間關系圖線類似于三角函數曲線，但沒有進一步驗證振子位移—時間圖像符合正弦函數規律便給出簡諧運動的概念.這種教學模式讓學生較多地關注抽象的物理知識，缺乏對實驗過程和知識獲取的思維進階過程，以至于很多學生會認為彈簧振子位移—時間圖像是彈簧振子運動的軌跡.

（4）很多老師是先讓學生記住結論再進行圖像的應用，這種做法不符合學生認知規律.

為了解決上述教學難點，本文以“探究彈簧振子的振動圖像”為線索而展開教學，基于“信息技術”輔助教學，利用可視化教學實踐手段，將學生的認知過程和探究過程合理鏈接，實現了物理知識和科學方法，實驗探究和理論探究的有機融合，讓學生在學習物理知識的同時應用物理思想方法，體驗科學探究過程，實際教學中起到很好的教學效果.

2 基于教材方案的創新實驗設計

2.1 設計思路

人教版教材中將彈簧的下端懸掛一個鋼球，上端固定，組成一個振動系統如圖1，用手把鋼球向上托起一段距離然后釋放，用數碼相機拍攝鋼球運動.實際操作過程中發現，頻閃照相要求拍攝時間間隔較短，當物體高速運動時拍攝圖片模糊無法進行位移的精確測量.為了解決這一難點，在原有方案的基礎上做兩點改進：一是用手機慢動作拍攝短視頻，傳入電腦，利用視頻處理軟件將視頻轉化成圖片;二是在彈簧振子的后面放置一個有刻度的背板，小球的位置可以通過后面背板上的刻度確定，如圖2所示.

2.2 用軟件截取不同時刻的照片按時間順序展開得到振動圖像

用手機慢動作拍攝鋼球振動的清晰短視頻，利用視頻播放軟件KMPlayer在幀模式下批量截取視頻圖片.被截取的圖片可以通過“幀模式”直接找到.然后將圖片全部復制粘貼到PPT空白頁面里，導入的圖片會按照時間順序依次分開一定的距離排列開，單擊頂端對齊文件就會交錯地排列開，如圖3所示.

通過截取排列的照片可以讓學生定性地猜測彈簧振子的位移隨時間變化的規律可能是什么樣的.這種處理方法是小球每隔相同時間所處位置的實物圖片依次排列出來的結果，體現出振子在不同時刻所處位置，容易理解位移—時間圖像的物理意義是描繪振子不同時刻所處的位置，而不是振子運動的軌跡.同時也解決了彈簧振子的運動過程，后面的運動把前面的運動覆蓋，導致無法確定具體時刻的位置問題，對學生來說更為形象、真實，有利于學生掌握.

2.3 利用照片記錄位移，結合Excel定量探究彈簧振子位移隨時間變化的規律

從圖3可以看出，小球運動的位移與時間的關系很像正弦函數關系.對彈簧振子的位移與時間的關系做深入研究，用視頻播放軟件在幀模式下每隔1/30s截取視頻圖片中找到位移為零的圖片，并從這張圖片開始，每兩張圖片讀取一個位置，記錄在表1第二列.利用記錄的第一列和第二列數據作出位移—時間圖像如圖4所示.此過程讓學生分組實驗參與描點的過程性體驗，通過對簡諧運動圖像的繪制，激發興趣、猜想結果，培養認真、嚴謹的科學思維，經歷真實的情境體驗和實驗探究過程.

在Excel表格中設置正弦函數，在第三列第三行輸入函數：6*SIN（2*3.14*A2/0.64），依次下拉就會出現如圖5所示的曲線系列.從對比圖形中明顯看出通過實驗數據作出的位移—時間圖像與正弦函數圖像在誤差允許范圍內完全重合，學生認識彈簧振子振動的圖像是一條正弦曲線.有效地突破了該節課的教學難點.

3 利用計算機和傳感器描繪水平彈簧振子簡諧運動的圖像

如圖6所示，以位移傳感器的發射模塊作為彈簧振子，平放固定在滑塊上并可做水平振動.接收模塊固定在氣墊導軌的一端連接數據采集器，兩個模塊處于同一水平面且基本正對.接收模塊上的小盒通過數據采集器與計算機相連.打開DISLab6.9軟件，進入“通用軟件”，打開位移傳感器發射模塊的電源開關、氣源，滑塊靜止時點擊“調零”按鈕，選擇采樣時間間隔為0.02s，開始讀數，使滑塊A開始水平振動，彈簧振子振動的數據通過數據采集器傳入計算機中，點擊“繪圖”橫軸為時間t，縱軸為S1，確定后自動擬合出滑塊的位移—時間圖像如圖7所示.

通過真實的實驗情境，讓學生經歷實驗探究過程，得到彈簧振子的位移—時間圖像，知道簡諧運動的位移—時間圖像確實是一條正弦曲線，形成正確的物理觀念.

4 結束語

關于“可視化教學”的研究，早在2009年墨爾本大學教授約翰·哈蒂撰寫的《可見的學習——最大程度地促進學習》一書一經面世，就引起了教育界的廣泛熱議，也在實際應用中開啟了教與學的新模式.他提出“讓教與學可視化“的教學理論，由認知教育組織（Cognition Education Group）牽頭，探討可視化學習，在全球竭力倡導“可視化學習”理念.

物理實驗可視化教學通過對實驗內容和現象的可視化表達，有效精煉出知識的核心內容，實現隱形知識的顯性化，使學生將模糊不清的思想轉化成為清晰的外在形態，降低了實驗學習的復雜度和認知難度，促進了學生認知結構和認知水平的提高，從而實現了知識的系統化、結構化.因此，將“信息技術”用于物理實驗助力可視化教學是教學的智慧所在，也是教育者的思想、方法、技能、手段的智慧體現.

本文以“探索彈簧振子的振動圖像”為線索展開，將學生的認知過程和實驗探究過程合理鏈接，實現了物理知識和科學方法、實驗探究和理論探究的有機融合.讓學生在學習物理知識的同時應用物理思想方法，體驗科學探究的一般過程.

參考文獻：

[1]王馳明，王芳.基于教材實驗方案的改進與創新——胡克定律的實驗研究[J].物理教師，2019，40（01）：62-64.

[2]鄧穎.利用智能手機和電腦軟件探究簡諧運動規律的案例賞析[J].物理通報，2019（03）：83-86.

[3]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.普通高中課程標準實驗教科書物理（選修3-4）[M].北京：人民教育出版社，2010.

（收稿日期：2021-02-22）