基于核心素養下的信息技術與物理課堂融合
——以《多普勒效應》為例

朱文瑜

(浙江省杭州第四中學 310002)

新課程改革其中重要的一點就是重視對學生核心素養的培養.高中物理核心素養可分為四個方面，分別是“物理觀念”、“科學思維”、“科學探究”和“科學態度與責任”.高中物理教學要認識到核心素養培養的重要意義，采取合適的教學方法組織活動.選取以信息技術融合物理課，在教學以學生為主體的前提下，可以利用相關的技術構建一些吸引學生興趣的和平時生活密切相關的場景，讓學生主動參與，培養學生的觀察、分析能力，切實優化一些實驗的教學過程和功能，從而更新一些教學理念和手段，最終完成培養學生核心素養的目標.

然而目前傳統教學中，針對《多普勒效應》一節，有不少教師并沒有很好的將信息技術應用于課堂，局限于先放個視頻，舉個例子，就從頭到尾講到底，究其原因，是既沒有準備將信息技術與本節課融入的理念，也沒有相關的實驗設備.教材上還使用“多人步行”模擬多普勒現象，雖然能夠帶給學生直觀的感受，但假如學習能力普通或抽象能力較弱的學生僅僅使用教材上的例子，可能依然對“多人步行”和多普勒現象的相關聯系表示難以理解.

本文以人教版高中物理《多普勒效應》教學為例，闡述通過利用信息技術融合物理的教學和實驗方法，解決以上問題，落實核心素養.

1 創設真實情境，提出問題

教師活動(以下簡稱“師”)：回憶當行駛的火車鳴笛時或飛馳的賽車靠近看臺時，你注意過它們發出的聲音有什么變化嗎？

學生活動(以下簡稱“生”)：學生回答聲音有所變化.好像由低到高，從低沉到越來越刺耳.之后集體觀看由教師所放的火車或汽車駛近觀察者的視頻.

師：看完視頻后，不考慮單純的音量變化，別的方面有無區別，聲音有無變得尖銳或低沉？音調變高還是變低，音調的高或低是由什么因素決定？了解音量、音調、頻率這三者之間的關系.學生回答之后，教師展示音調頻率對照表再詳細解釋其基本概念.

師：火車進站發出聲音的頻率是固定不變的還是經常改變的？在火車邊的路人聽到聲音變化的根本原因是什么？如果是火車里的乘客，能感受到聲音的變化嗎？

生：火車發出頻率應該沒有變化.不清楚車里的人是否能感覺到有變化.當火車向路人駛來，路人聽到音調變高.聲音變尖銳—音調變高—頻率變大.

師：這些現象就是多普勒效應.隨后在課件中簡介多普勒歷史.

設計意圖與信息技術應用：通過觀看火車視頻材料，在學生心中締造出了真實生活中的一段情境，課堂內容變得豐富、生動而又具體，由于這類火車視頻與學生熟悉的生活緊密相關，較易調動學生的興趣，使學生學習更為主動.選用視頻素材時，要進行適當的編輯，排除干擾信息.引導學生多留心關注日常生活現象，鼓勵學生在生活中有意識的培養自己觀察能力，用所學的掌握到的物理知識來審視日常生活中常見的各種物理現象，從而了解基本物理觀念，鍛煉觀察能力和科學思維.

2 運用信息技術，簡單體驗多普勒效應

師：在初步了解完多普勒效應和歷史后，課堂上學生自我參與用手機體驗下.打開手機phyphox應用程序，介紹其“音頻發生器”功能：能發出各種固定不變頻率的聲音.利用音頻軟件發出聲音的頻率是恒定的，手持手機拉遠拉近身體，即可以體驗到不同效果.這里使用默認設置頻率440Hz，如圖1 .這里頻率范圍建議設置在200-2500Hz之間，假如設置過低的固定頻率，則會造成實驗效果不顯著，也易受環境雜音干擾.假如設置頻率較高，而音量又不低，則造成人耳聽覺不適.

圖1

生：在教師示范實驗后，手持手機在自己身邊做從遠到近的動作，體驗各種不同效果.也可讓學生1人手持手機在課堂里運動，其他同學感受聲音的變化.

設計意圖與信息技術應用：優化了實驗器具，又讓學生自行體驗實驗，調動了學生的主觀能動性.因手機屏幕較小，為方便學生集體觀摩，建議將手機屏幕共享到教室電腦直至大屏幕.

3 現場集體感受軟件模擬實驗

師：每個人感受完剛才手機實驗后，也可以集體感受使用計算機軟件來模擬多普勒效應的效果.教師用教室計算機打開之前安裝好的Audition音頻軟件.開始先制作生成固定聲源，新建采樣率為44100Hz，單聲道，16位的波形文件，之后點擊菜單欄 “生成”—“音調，然后在基礎頻率選項中任意輸入聲源頻率數值，在額外特性中輸入1，即可生成輸出頻率的正弦音頻信號.試聽可聽到原始聲音效果.使用鼠標滾輪可對聲波圖形放大，可見正弦波形.然后在軟件中依次點擊菜單欄窗口—“工作區”—“最大化波形編輯”，“效果”—“立體聲聲像—“多普勒效應”.

在這里軌跡類型選直線，遠距離起始200米，如圖2所示，點擊試聽體驗，嘗試改變其遠距離起始和速率數據，再點擊試聽，體驗不同效果.

圖2

學生活動：觀看并現場體驗多普勒效應.

設計意圖與信息技術應用：運用計算機技術軟件模擬多普勒效應，學生集體聽到音調從低到高再從高到底，由于是計算機軟件控制各種因素，完全可以自主控制聲音變化的高低快慢.再一次加深學生實驗體驗的感受，順帶觀看聲波波形，有助于知識的理解.

4 回顧知識，分組討論歸納基本規律.

師：體驗完模擬實驗后，回顧前面機械波所學知識，單位時間內發出波的個數叫聲源頻率，觀察者在單位時間內接受到波的個數是指接收到的頻率.聲源的頻率是保持不變的.播放模擬動畫后如圖3，試結合教材“排隊數人”自主學習，分組討論總結歸納多普勒效應的規律.

圖3

生：觀看模擬動畫，自主學習后分組討論模擬“排隊數人”問題來類比聲源頻率與接收頻率的關系.學習討論后，歸納簡單規律：觀察者與聲源與相對位置如果發生變化，會導致觀察者收到頻率發生變化.

設計意圖與信息技術應用：之前是體驗實驗，現在是探究現象背后的原理.通過模擬動畫的觀看和教材例子的結合研究，增加具體動畫演示，減輕抽象想象難度，學生先自主學習，后小組合作攻克難點.通過現象了解背后的原理，鍛煉了學生推理歸納規律的能力和科學思維.

5 分組實驗驗證之前的規律.

師：分組合作實驗，探究學生歸納出的規律究竟是否正確，需要科學的數字量化驗證.首先教師使用2臺手機示范演示，A手機作為聲源播放，A手機中打開phyphox軟件中的“音頻發生器”，頻率設置為2000赫茲.B手機作為觀察接收者不動，打開phyphox軟件中的“多普勒效應”，基準頻率同樣設置為2000赫茲.A手機從遠方靠近B手機后離開之后，B手機可得圖4所示.觀察其波峰和波谷，可以看出接收到的頻率是先增加，再下降.

圖4

手機運動結束后，點擊右上角導出統計的數據，生成文件，將數據傳輸到教室計算機(網絡傳輸或數據線均可).計算機打開接收到的EXCEL文件查看數據，頂部分別是時間、頻率、速度，查看原始數據如圖5，1秒前的幾項是由于打開軟件的先后時間差，屬于無效數值.頻率那一項是指觀察者B手機接收到的頻率，時間是指A運動靠近B，再遠離B的過程時間.依據圖5此表格數據，也可以清楚的看見頻率隨著時間而增加，而增加之后又迅速下降，對照表格數據和手機B上的波形圖可相互驗證，從而加深理解多普勒效應.

圖5

生：教師示范實驗后，學生分組實驗，2人為一組使用2個手機，如下圖6所示：女生和男生兩人分別手持手機作為聲源和觀察接收者.女生手持一個手機移動，男生手持另一手機保持不動，則聲源和觀察接收者產生了相對運動.女生將手機聲源從左側移動經過男生手機后到右側，隨著女生和男生的相對靠近，男生手機顯示頻率越來越高，女生手機經過男生手機后又相對遠離，頻率降低.之后，讓女生保持不動，讓男生向女生靠近后遠離，使用同類方法和步驟重復多次，驗證剛才得出的規律.之后將下表填下完整.

圖6

設計意圖與信息技術應用：通過學生小組合作，分組實驗，使學生完全享受在沉浸式體驗實驗和探究，不覺得學習是一種負擔，興趣和主動性完全被激發.教師傳授完知識方法，引導發揮學生的創新思維，開動智慧親自動手解決問題，進一步鍛煉了科學思維和動手探究能力.最后得出結果再與之前提出的規律相互驗證，整體過程科學態度嚴謹，邏輯過程嚴密.實驗完成后表格填寫，又一次加深對知識的理解，培養了核心素養中的科學思維和科學探究.

6 了解多普勒效應的簡單應用

師：布置任務，組織學生網絡搜索多普勒效應的應用并要求展示.

生：學生使用手機通過網頁查詢，自行拓展其應用的相關知識.依據自己查詢到的信息，綜合處理和組織后在課堂上講解具體用在哪些方面.比如在高速公路上用于交通測速和在醫學上用于超聲檢測等等.

設計意圖與信息技術應用：學生通過網絡查詢本節課相關知識的應用，就能意識到當代社會科學、日常生活與他們在學校里所學到的物理知識是有緊密相關.在理解科學、技術、社會、環境的關系基礎上形成對科學和技術應有的正確態度以及責任感.

7 總結評價和練習

師：使用課前教師制作生成的問卷星調查問卷，發送鏈接共享.

生：在線完成調查問卷和習題.

設計意圖與信息技術應用：通過問卷星程序制作問卷下發給學生，問卷里含有相關調查信息和課后習題，可以及時鞏固課后學習評價，有助于加深知識理解，通過問卷調查后直接生成快捷的數據統計，有助于教師了解本節課學習效果以及合作交流情況.其中91.3%的學生評價對本節課興趣濃厚，具體見以下表格.

對本節課興趣互動情況信息技術的幫助合作情況學習氛圍完成學習目標較好以上91.3%95.65%93.48%75.22%95.65%100%

綜上所述，本文闡述了物理課與信息技術有機融合中，對傳統的實驗操作方法及工具設備進行了優化創新，無論是便捷度還是教學效果都有顯著提高.本文按照先提出物理問題、體驗分析，到小結規律，驗證規律最后到拓展知識、學習評價的主線，運用信息技術作為輔助手段融合教學理念和方法，完成了課程教學任務，并且發揮學生的學習主體，學會在日常生活中培養科學的觀念和態度，運用科學思維去探究解決問題，進一步落實了核心素養.