融合信息技術(shù)的“行星的運(yùn)動(dòng)”物理教學(xué)

郭雪鵬

20世紀(jì)90年代以來(lái)，信息技術(shù)與課程整合一直是重要的研究課題，信息化、現(xiàn)代化是教育改革的主旋律。然而，教育教學(xué)質(zhì)量并沒(méi)有得到令人滿意的提升。由此引發(fā)著名的喬布斯之問(wèn)——“為什么計(jì)算機(jī)改變了幾乎所有領(lǐng)域，卻唯獨(dú)對(duì)學(xué)校教育的影響小得令人吃驚？”^[1]究其原因，一是有些教師甚至教育技術(shù)專家對(duì)信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)深度融合缺乏正確認(rèn)知;二是有些教師教育觀念陳舊，將信息技術(shù)視為輔助教學(xué)可有可無(wú)的工具，認(rèn)為沒(méi)有信息技術(shù)，教學(xué)依然能進(jìn)行;三是部分教師不了解為什么要進(jìn)行信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)深度融合，什么是深度融合，如何將信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)深度融合。

一、正確理解信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)深度融合的內(nèi)涵

信息技術(shù)不是可有可無(wú)的課堂教學(xué)輔助工具，將信息技術(shù)融合于學(xué)科教學(xué)是教育發(fā)展和改革的時(shí)代要求。教育信息化、現(xiàn)代化是大勢(shì)所趨。信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)深度融合旨在促進(jìn)自主、合作與探究等新模式教學(xué)，改變長(zhǎng)久以來(lái)的“滿堂灌”教學(xué)模式。傳統(tǒng)模式下，教師是中心，教師在短時(shí)間內(nèi)向?qū)W生單向傳授大量知識(shí)，效果并不理想：學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性喪失，學(xué)生的批判性思維和科學(xué)思維能力沒(méi)有得到有效提升。傳統(tǒng)模式下培養(yǎng)的學(xué)生往往習(xí)慣性將教師和專家及教材視為權(quán)威，不敢提出反對(duì)意見(jiàn)，對(duì)問(wèn)題缺乏獨(dú)立見(jiàn)解，不敢表達(dá)也不會(huì)論證自己的觀點(diǎn)。信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)深度融合就是要改變這種以教師為中心的課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)，建立一種同時(shí)發(fā)揮教師主導(dǎo)作用和體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)主體地位的“主導(dǎo)—主體相結(jié)合”的教學(xué)結(jié)構(gòu)^[2]。信息技術(shù)在學(xué)科教學(xué)深度融合為自主、合作、探究活動(dòng)的開(kāi)展創(chuàng)造了信息化的教學(xué)環(huán)境。教師應(yīng)利用信息技術(shù)創(chuàng)建教學(xué)情境，讓學(xué)生便捷獲取信息和資源進(jìn)行自主探究和協(xié)作學(xué)習(xí)，發(fā)揮其主動(dòng)性、積極性，最終實(shí)現(xiàn)變革傳統(tǒng)課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)的目標(biāo)^[3]。信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)是否實(shí)現(xiàn)了深度融合，關(guān)鍵要看以教師講授為中心的傳統(tǒng)教學(xué)結(jié)構(gòu)是否改變，并被“教師主導(dǎo)—學(xué)生主體相結(jié)合”的新教學(xué)結(jié)構(gòu)代替。

信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)深度融合需要大量、類型豐富的數(shù)字化教學(xué)資源作支撐，助力教師主導(dǎo)作用的發(fā)揮和學(xué)生自主探究與協(xié)作學(xué)習(xí)。教師既可以從互聯(lián)網(wǎng)上獲取各種資源，也可以自行開(kāi)發(fā)或制作教學(xué)資源。以物理學(xué)科為例，常用的教學(xué)軟件有幾何畫(huà)板、仿真物理實(shí)驗(yàn)室、Adobe Flash、Algodoo和MATLAB等。網(wǎng)絡(luò)空間上的資源非常豐富且容易獲取，教師應(yīng)有選擇地收集、分類，并將其融入物理課堂教學(xué)。同時(shí)，教師也要熟練掌握常用軟件，具備開(kāi)發(fā)數(shù)字化教學(xué)資源的能力，不斷提高數(shù)字化教學(xué)能力。

二、應(yīng)用幾何畫(huà)板探究八大行星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

幾何畫(huà)板最初是一款數(shù)學(xué)軟件，現(xiàn)在眾多物理教師也將其應(yīng)用于物理教學(xué)^[4]。筆者將結(jié)合課例，探討信息技術(shù)與高中物理課堂教學(xué)深度融合的路徑。八大行星繞太陽(yáng)近似做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，行星軌道半徑r越大，角速度ω、線速度v、加速度a越小，周期T越大。高一學(xué)生初次學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容時(shí)，難以掌握行星圓周運(yùn)動(dòng)的這些物理量與半徑的關(guān)系，不少學(xué)生無(wú)法利用萬(wàn)有引力定律進(jìn)行數(shù)學(xué)推理得到結(jié)論。高一學(xué)生普遍抽象思維能力和邏輯推理能力不強(qiáng)，解決問(wèn)題多靠形象思維。如果學(xué)生頭腦中沒(méi)有建立生動(dòng)形象的圖景，思維就存在障礙，不能調(diào)用已有的知識(shí)解決問(wèn)題。為此，筆者查閱行星軌道半徑參數(shù)，依據(jù)萬(wàn)有引力定律計(jì)算得到各行星圓周運(yùn)動(dòng)的線速度比值，利用幾何畫(huà)板軟件模擬行星的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（如圖1），引導(dǎo)學(xué)生觀察、思考。

人們可以依據(jù)各行星到太陽(yáng)距離的實(shí)際數(shù)據(jù)，計(jì)算行星到太陽(yáng)距離與地球到太陽(yáng)距離的比值，按照比例確定各行星的軌跡半徑。如果操作者用鼠標(biāo)選中并移動(dòng)課件中“R”點(diǎn)可以改變地球到太陽(yáng)距離，各行星到太陽(yáng)的距離將同步改變。筆者用網(wǎng)絡(luò)上找到的高清圖片表示各行星，生動(dòng)逼真，能吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生探究的好奇心，體現(xiàn)多媒體教學(xué)資源開(kāi)發(fā)的藝術(shù)性。用戶單擊圖中按鈕，行星即繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，再次單擊，運(yùn)動(dòng)停止。這樣的課件具有交互功能，便于學(xué)生自主操作和探究。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為新知識(shí)的學(xué)習(xí)應(yīng)與學(xué)習(xí)者已學(xué)的知識(shí)相互聯(lián)系，教師應(yīng)在學(xué)生原有知識(shí)基礎(chǔ)上加以擴(kuò)充、深化、改造，完成學(xué)習(xí)者知識(shí)結(jié)構(gòu)的更新。依據(jù)建構(gòu)主義理論，筆者設(shè)計(jì)了如下教學(xué)過(guò)程。（以下為主要片段）

教師：請(qǐng)大家觀察各行星運(yùn)動(dòng)快慢，思考線速度和半徑有何關(guān)系。（教師演示課件）

學(xué)生1：行星軌道半徑越大，運(yùn)動(dòng)得越慢。

教師：“運(yùn)動(dòng)得越慢”是指哪個(gè)物理量？

學(xué)生1：線速度。軌道半徑越大，線速度v越小。

教師：軌道半徑r越大，周期T如何變化？

學(xué)生2：周期T越長(zhǎng)。（學(xué)生通過(guò)課件演示直接觀察得到結(jié)論）

教師：能從理論上解釋為何半徑越大周期越長(zhǎng)嗎？

（學(xué)生2無(wú)法遷移所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題）

教師：行星的軌道半徑r和周期T有何定量關(guān)系？前面哪一節(jié)學(xué)習(xí)過(guò)？

學(xué)生（全體）：r³/T²是一個(gè)定值。

教師：根據(jù)開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)的第三定律可知，行星軌道半徑越大運(yùn)動(dòng)周期越長(zhǎng)。

教師：角速度ω與半徑有何關(guān)系？如何分析？

（停留20秒，留給學(xué)生時(shí)間思考）

學(xué)生3：半徑r越大，角速度越小。因?yàn)榘霃?em>r大，根據(jù)開(kāi)普勒第三定律可得其周期T越大。根據(jù)ω=??????可知，周期越長(zhǎng)，角速度越小。

教師：分析得很不錯(cuò)！推理很?chē)?yán)謹(jǐn)。如何理解軌道半徑r越大線速度v越小？根據(jù)v=ωr可以判斷出結(jié)果嗎？

學(xué)生4：無(wú)法判斷。r越大，角速度ω越小，無(wú)法判斷二者乘積與r的關(guān)系。

教師：能定量求解線速度與半徑的關(guān)系嗎？行星做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，向心力由什么力提供？向心力與線速度、軌道半徑有何關(guān)系？

學(xué)生：太陽(yáng)對(duì)行星的萬(wàn)有引力提供向心力，向心力F_n=m。

教師：請(qǐng)根據(jù)萬(wàn)有引力提供向心力，求解線速度的表達(dá)式，并分析線速度和行星軌道半徑的關(guān)系，推導(dǎo)加速度、角速度和周期與軌道半徑的定量關(guān)系。

筆者用幾何畫(huà)板創(chuàng)設(shè)模擬情境引入生動(dòng)逼真的教學(xué)內(nèi)容，引發(fā)學(xué)生的好奇心。借助技術(shù)工具，筆者模擬行星的運(yùn)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生得到行星線速度、周期和軌道半徑的關(guān)系。筆者通過(guò)啟發(fā)式教學(xué)，通過(guò)問(wèn)題鏈對(duì)學(xué)生進(jìn)行啟發(fā)、提示，引導(dǎo)學(xué)生推理分析，使其觀察結(jié)果建立在嚴(yán)密的邏輯推理上，新內(nèi)容的學(xué)習(xí)建立在所學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)上，進(jìn)而發(fā)展其科學(xué)思維和數(shù)理推理能力。

三、信息技術(shù)輔助探究行星沖日問(wèn)題

人教版《物理》必修第2冊(cè)72頁(yè)第6題：太陽(yáng)系各行星幾乎在同一平面內(nèi)沿同一方向繞太陽(yáng)做圓周運(yùn)動(dòng)。當(dāng)?shù)厍蚯『眠\(yùn)行到某地外行星和太陽(yáng)之間，且三者幾乎排成一條直線的現(xiàn)象，天文學(xué)稱為“行星沖日”。已知地球及各地外行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道半徑（見(jiàn)表1），根據(jù)題中信息，試計(jì)算木星相鄰兩次沖日的時(shí)間間隔，哪顆地外行星相鄰兩次沖日的時(shí)間間隔最短？

審題是解決問(wèn)題的第一步，學(xué)生通過(guò)讀題、分析題目條件，理解題目情境，建構(gòu)物理模型。對(duì)于純文本題型，學(xué)生審題后應(yīng)能用示意圖重構(gòu)題目情境，在示意圖上標(biāo)出關(guān)鍵狀態(tài)、物理量、受力、速度、加速度等信息。不少學(xué)生不會(huì)解題，原因之一是沒(méi)有讀懂題目，不能用圖畫(huà)表征題目情境，頭腦中沒(méi)有建立情境畫(huà)面，不能建立動(dòng)態(tài)的情境畫(huà)面，難以模擬物體的運(yùn)動(dòng)情境動(dòng)畫(huà)。對(duì)于此題，學(xué)生解題的困難之一是想象行星的運(yùn)動(dòng)圖景，在頭腦中想象各行星的運(yùn)動(dòng)及位置關(guān)系。

為引導(dǎo)學(xué)生解題，筆者在信息技術(shù)支持下開(kāi)展了如下教學(xué)。

教師：請(qǐng)畫(huà)出第一次木星沖日時(shí)，木星、地球和太陽(yáng)的位置關(guān)系。

絕大多數(shù)學(xué)生能畫(huà)出木星沖日時(shí)三者位置關(guān)系。

教師：第一次木星沖日，木星和地球繞太陽(yáng)做圓周運(yùn)動(dòng)，哪顆行星轉(zhuǎn)動(dòng)得快，哪顆行星轉(zhuǎn)動(dòng)得慢？請(qǐng)想象不同行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)畫(huà)面。

很多學(xué)生顯露茫然的表情，不能判斷木星和地球轉(zhuǎn)動(dòng)快慢，無(wú)法建立木星和地球繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)情境。教師打開(kāi)制作的幾何畫(huà)板課件，模擬木星沖日。學(xué)生觀看課件，尋找運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

教師 ：木星和地球繞太陽(yáng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的角速度相等嗎？為什么？

學(xué)生：木星的角速度小于地球的角速度。木星軌道半徑大，根據(jù)開(kāi)普勒第三定律可知，木星繞日運(yùn)動(dòng)的周期大，運(yùn)動(dòng)角速度較小。

教師：第二次木星沖日，地球和木星轉(zhuǎn)過(guò)的圓心角相等嗎？有何關(guān)系？

學(xué)生1：地球轉(zhuǎn)過(guò)的圓心角大。

教師：地球和木星轉(zhuǎn)過(guò)的圓心角有何定量關(guān)系？

學(xué)生1無(wú)法解答該問(wèn)題。教師再次演示模擬動(dòng)畫(huà)（如圖2）。再次觀看后，不少學(xué)生觀察出地球轉(zhuǎn)過(guò)的圓心角與木星轉(zhuǎn)過(guò)的圓心角之差為2π，但仍有部分學(xué)生無(wú)法理解該定量關(guān)系。教師安排如下學(xué)生分組做模擬實(shí)驗(yàn)。

分組實(shí)驗(yàn)：學(xué)生兩人一組，用紙揉成兩個(gè)大小不同的紙球，分別代表木星和地球;在白紙上畫(huà)半徑不同的兩個(gè)同心圓，圓心表示太陽(yáng)，大圓、小圓分別表示木星和地球繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道。學(xué)生A手持“木星”，學(xué)生B手持“地球”。初始時(shí)，“木星”“地球”和“太陽(yáng)”三者共線，且“木星”和“地球”位于“太陽(yáng)”的同側(cè)。學(xué)生B手持“地球”繞“太陽(yáng)”運(yùn)動(dòng)較快，學(xué)生A手持“木星”繞“太陽(yáng)”運(yùn)動(dòng)較慢，當(dāng)“木星”與“地球”再次位于“太陽(yáng)”同側(cè)且三者共線時(shí)，停止運(yùn)動(dòng)。

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)后，教師請(qǐng)兩名學(xué)生在黑板上模擬木星和地球的運(yùn)動(dòng)，演示木星沖日現(xiàn)象，在黑板上記錄下兩次沖日時(shí)地球和木星的位置關(guān)系。

設(shè)計(jì)意圖：教師組織學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生協(xié)作學(xué)習(xí)意識(shí)和合作學(xué)習(xí)能力。兩名學(xué)生只有多次磨合，彼此協(xié)作才能取得較好的演示效果。學(xué)生在模擬活動(dòng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程可體會(huì)、感悟行星運(yùn)動(dòng)快慢，總結(jié)兩次沖日間隔地球和木星轉(zhuǎn)過(guò)的圓心角關(guān)系。

教師：通過(guò)實(shí)驗(yàn)，兩次木星沖日間隔，大家發(fā)現(xiàn)地球和木星轉(zhuǎn)過(guò)的圓心角有何關(guān)系？

學(xué)生2：ω_地t-ω_木t=2π。

教師：題目中沒(méi)有說(shuō)明地球和木星的角速度，地球公轉(zhuǎn)周期T_地=1年作為已知量。如何表示上述關(guān)系？

學(xué)生2：t=2π。根據(jù)開(kāi)普勒第三定律有?????????????????，解出木星公轉(zhuǎn)周期。

教師：請(qǐng)按照上述思路推導(dǎo)木星沖日的時(shí)間間隔表達(dá)式。

學(xué)生推理得到木星沖日時(shí)間間隔表達(dá)式，并根據(jù)表達(dá)式分析發(fā)現(xiàn)，行星運(yùn)動(dòng)周期越大，兩次沖日時(shí)間間隔越短，海王星的軌道半徑大，周期最大，海王星兩次沖日的時(shí)間間隔最短。

教師：能提出一個(gè)新問(wèn)題并進(jìn)行解答嗎？

（學(xué)生沉默不語(yǔ)，無(wú)法提出新的問(wèn)題。）

教師：兩次木星沖日時(shí)，木星距離地球最近。（教師加強(qiáng)“最近”兩個(gè)字的語(yǔ)氣）能提出一個(gè)類似問(wèn)題嗎？

學(xué)生：可以詢問(wèn)第一次木星沖日到下一次木星和地球距離最遠(yuǎn)時(shí)經(jīng)過(guò)的時(shí)間間隔。

教師：這是一個(gè)不錯(cuò)的問(wèn)題。請(qǐng)大家畫(huà)圖分析，下一次木星和地球距離最遠(yuǎn)時(shí)兩行星轉(zhuǎn)過(guò)的圓心角的關(guān)系。

學(xué)生：地球比木星轉(zhuǎn)過(guò)的圓心角多1個(gè)π。

部分學(xué)生很快看出結(jié)果，教師保持沉默，繼續(xù)讓學(xué)生畫(huà)圖分析，留給學(xué)生時(shí)間思索、解決問(wèn)題。教師使用幾何畫(huà)板（課件）演示從第一次木星沖日到下一次木星和地球距離最遠(yuǎn)的模擬動(dòng)畫(huà)，引導(dǎo)學(xué)生觀看動(dòng)畫(huà)演示，探究木星和地球轉(zhuǎn)過(guò)的圓心角關(guān)系。學(xué)生通過(guò)動(dòng)畫(huà)知曉，地球和木星距離最遠(yuǎn)時(shí)，二者轉(zhuǎn)過(guò)的圓心角相差π，根據(jù)圓心角關(guān)系求解時(shí)間。2分鐘后，教師請(qǐng)2名學(xué)生將寫(xiě)在紙上的求解過(guò)程和結(jié)果上交，用交互式電子白板的投屏功能進(jìn)行投影，分析作答情況。

教師借助幾何畫(huà)板進(jìn)行動(dòng)畫(huà)模擬解決了教學(xué)中的難點(diǎn)問(wèn)題。很多工具既支持教師課堂講授演示使用，又支持學(xué)生在課內(nèi)外自主探究。仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)為學(xué)生提供自主探究的技術(shù)支撐，促進(jìn)了教與學(xué)方式的改進(jìn)。此課例的教學(xué)既體現(xiàn)了教師的課堂引導(dǎo)作用，又彰顯了學(xué)生的學(xué)習(xí)主體性，學(xué)生在學(xué)習(xí)中不僅聆聽(tīng)教師講解，還在教師提示下積極思索，解決問(wèn)題。

21世紀(jì)，教師要培養(yǎng)的是具有創(chuàng)造能力的創(chuàng)新型人才，而信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)深度融合是實(shí)現(xiàn)教育教學(xué)目標(biāo)的重要途徑。信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)深度融合是提高教師教育教學(xué)能力、促進(jìn)教師專業(yè)發(fā)展的重要時(shí)代機(jī)遇。教師是教育改革的踐行者，應(yīng)積極投身于新一輪課程改革，積極探索信息技術(shù)與各學(xué)科教學(xué)深度融合的教學(xué)方法和路徑，探索有效支持“主導(dǎo)—主體相結(jié)合”教學(xué)結(jié)構(gòu)的帶有教師個(gè)人烙印的新型教學(xué)方法。

注：本文系安徽省阜陽(yáng)市2021年教育科學(xué)規(guī)劃課題“信息技術(shù)與高中物理教學(xué)深度融合的資源開(kāi)發(fā)、路徑與教學(xué)的實(shí)踐研究”（課題批準(zhǔn)號(hào)：FJK21032）的研究成果。

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（作者系安徽省臨泉第一中學(xué)物理教師）

責(zé)任編輯：祝元志