利用信息技術優化物理概念學習

楊勇琴

隨著科學技術的不斷發展，信息技術在教學中被廣泛應用。運用信息技術進行教學成為培養學生的物理觀念和創新精神的“高速公路”。同時，它對發展現代化和信息化的基礎教育來說，也是一條“希望之路”。

物理學科是我國基礎教育階段的重要學科，現在掌握的物理概念是學生今后學習物理知識的基礎。在學習過程中，學生側重于概念的背誦和記憶，認為只要能復述概念就完成了對物理概念的有效學習。既然學生熱衷于對概念的記憶，何不嘗試利用信息技術創設記憶情景來幫助學生形成“理解性”記憶，或者說讓其親歷概念的形成過程，以“知識發現者”的身份追尋科學家解決問題的足跡，在體驗中啟迪智慧，碰撞出思維的火花。

一、物理概念學習現狀

（一）抽象化的物理概念難以在學生腦海中形成形象認識

物理概念教學內容主要分為力學、熱學、光學、電學、原子物理學等幾大板塊。雖然這幾個板塊的內容屬于物理學不同領域內的研究范圍，但每個板塊都有自己獨特的理論體系和研究方法，各自研究的側重點也不盡相同。但是相對于初中物理的知識學習而言，高中物理知識涵蓋范圍則更廣泛，內容也更加豐富，同時也更注重學生對知識的理解和邏輯推理，所以高中物理概念教學中應用的手段也呈現出多樣化、復雜化、綜合化的特點。高中物理概念知識是物理知識學習的基礎，如何讓學生將抽象化的物理概念轉化成形象認識，給從事物理教學的教師們提出了一個新的課題。

（二）物理實驗數據收集、分析、處理過程煩瑣、復雜、易出錯

物理是一門以實驗為基礎的自然學科。物理實驗是指利用各種儀器模擬或者再現物理現象產生的條件，學生通過對物理實驗現象的觀察，對實驗數據的采集、篩選、分析、比較，得到或驗證物理規律、定律或定理。在這個過程中，可以利用實驗教學的直觀性好、操作性強的特點，培養學生動手能力、分析問題能力和邏輯推理能力。新課標要求物理教師不僅要注重知識的傳授，還應該從教材中把知識點提煉出來，用生動形象、清晰易記的方式將其講解清楚，并對關鍵的知識點加以強調。讓學生深刻理解物理學中的各種概念，不僅僅是讓學生掌握知識而已，更是要培養學生的思維能力。同時，新課標要求物理教師要培養學生的實際應用能力，使學生能夠結合實際，應用物理的知識和技術去解決實際問題。

在以往的物理課堂教學中，教師非常注重實驗教學在物理概念教學中的應用。許多物理教師善于根據所需要教授的內容，改進實驗原理，改造實驗器材，并在實驗教學上進行了許多積極有效的探索，取得了一些效果。雖然實驗教學有利于調動學生學習物理的積極性，有助于加強學生對物理概念的理解和學習，但單一的觀察方式（觀察實驗基本靠眼力）、簡單的收集數據方式（收集數據基本靠手速）、落后的數據分析方法（數據分析基本靠筆算），都讓學生在物理概念的學習中產生了畏難、倦怠的情緒。我們可以利用現代化信息技術、新媒體的交互功能、自媒體的簡單易操作的特點來打破以往學習方式的壁壘，優化學習方法，通過直觀立體的觀察方式、靈活多樣的數據處理手段、條理清晰的數據分析，消除學生在物理學習中的畏懼心態，從而充分調動學生學習物理的積極性，同時到達教學相長的目的。

（三）受技術條件限制，無法親歷實驗過程

物理概念是幾代物理學家經過長時間的刻苦研究得到的成果，其正確性、合理性、普適性等方面還要經過后期的檢驗和驗證，所以用一節課或幾節課來把研究的問題、目的、過程講清楚，無論是在時間還是在空間上都顯得很局促，學生在學習過程中也就無法進入沉浸式學習狀態，從而減少了學生的體驗感和獲得感。例如，在講解“牛頓第一定律”的研究過程中，伽利略用“力是改變物體運動狀態的原因”推翻了亞里士多德關于“力是維持物體運動的原因”的觀點。為了證明自己觀點的正確性，伽利略經過精心設計，演示了著名的斜面實驗，開創了一種新的研究方法———理想實驗法，將現實生活中的情景通過合理的推理無限逼近理想狀態。早期，學生在學習這一物理原理時，由于當時的技術手段還不夠發達，無法模擬出符合條件的理想場景，在學習過程中難免遇到阻礙。現在，科技水平已經得到了長足發展，但是在現實中實驗所要求的絕對光滑水平面就目前而言仍然是無法實現的。然而，如果借助現代信息技術通過軟件制作就完全可以在電腦中模擬出所需要的條件。通過實驗的情景再現，便可以讓學生親歷實驗的操作過程，使其獲得很好的體驗感和參與感。

（四）缺少把物理現象轉化為物理模型的能力

物理現象實際上是由一個或多個的物理模型形成的，學生能否建立科學、合理的物理模型是實際問題能否得到解決的關鍵環節。物理模型種類眾多，形態各異。同一個模型從不同的角度來看，叫法不一，其研究的側重點也不盡相同。不同的模型可能物理對象不同，但是其本質可歸結為同一類。比如：兩個彈性球碰撞、兩個剛性球用彈簧連接的運動、兩個帶同種電荷球的相互作用過程，表面上看來研究對象不同，受力情況也不同，但3種運動的本質都是碰撞問題，如果不考慮機械能的損失，還可以歸結為彈性碰撞。大多數物理模型有個共同的特點，那就是在運動過程或者相互作用過程中，許多物理量都是動態變化的、復雜抽象的、難以理解的。例如：人船模型中人在運動的船上運動時，至少涉及3種速度———人的速度、船的速度和人相對于船的速度，同時這三種速度又隨時間在不斷變化。又如：帶電粒子以相同的速率從不同角度射入有界磁場時，其運動軌跡是一個圓，但此圓圓心會隨射入方向而發生改變，導致軌跡圓在不斷旋轉。那么有沒有更好的方法體現圓的這種旋轉規律呢？再如：傳送帶模型中滑塊在不同轉速下受力情況不同，會導致滑塊運動情況發生變化等。如果用Flash軟件或3D動畫模擬出這些場景，能將運動過程的細節完美演繹出來，通過形象思維啟發抽象思維，更好地加深學生對模塊的理解和掌握。

（五）缺乏對問題解決的自我表達和評價

社會文明的蓬勃發展和信息資源的廣泛傳播，使人們評價事件的方式及表達自己觀點的途徑越來越多元化。隨著網絡傳播影響力的日益加深，自媒體的蓬勃發展，校園早已不是網絡信息傳播的絕緣體。學生接觸到越來越多的新鮮事物，接觸得多，自然想得就多，學生思維變得更加活躍，也善于發現問題，并具備了一些解決問題的能力，特別是有些學生喜歡模仿網絡視頻中的內容，搞一些小發明、小制作。傳統的學習評價注重結果，方式單一，無法全面、客觀評價學生在研究過程中能力提升的情況，容易打消學生探索未知世界的積極性，削弱他們表達觀點的信心。

二、信息技術下物理概念學習的策略

（一）模擬真實情境，體驗探究過程

實驗探究是發現物理規律最重要的方式，也是加深概念理解的重要途徑。只用簡單的理論探討的方式往往難以突破問題難點，若設置恰當的真實情境，則能讓學生參與進去，在體驗中感受物理概念的魅力。

例如：對“自由落體”的學習可以從兩個維度展開：一是用牛頓管實驗讓學生認識什么是自由落體；二是用打點計時器定量分析自由落體的加速度。牛頓管長約1 m，物體在里面下落的時間約為0.5 s，要用肉眼分辨出兩個物體是否同時下落難度很大。大部分教師會將NASA全球最大真空實驗室錄制的自由落體視頻播放給學生觀看，場面雖然宏大、震撼，但學生普遍缺乏參與感。現在的智能手機都有視頻編輯功能，在課堂上現場用手機錄制牛頓管實驗，打開錄制的視頻，點擊編輯，可通過變速調節改變視頻播放速度，然后導出后分享到微信中，并利用教室多媒體投影到屏幕上，就能清楚地看到牛頓管中兩個物體同時落地的畫面。

用打點計時器測量自由落體的加速度用時長、誤差大。一款名為“手機物理工坊”的App軟件利用手機自帶的各種傳感器，在線測量力、光、聲等物理量。其中，實時測量的加速度直接在手機界面形成a-t圖像，同時測量的數據也可用Excel的格式導出，以便做進一步分析。

（二）創設問題情境，開展合作學習

我們遇到的問題是基于生產、生活中的真實情景而產生的。物理源于生活，最后要回歸生活。以信息技術為媒介創設問題情境，可以引導學生自主學習和合作學習，挖掘問題背后的物理實質。學生不僅能完成物理概念的主動構建，還能學會如何依靠團隊合作來解決問題，從而培養終身學習的能力。

再如：在人教版物理八年級上冊“大氣壓強”學習中，教材建議學生拿著自制氣壓計從樓下到樓上（或從山下或山上）觀察玻璃管內水柱高度變化的情況，并給出解釋。關于這個知識點可以利用的教學資源有很多，以中央電化教育館（NCET）為例，在虛擬實驗教學服務系統中就有四類：第一類為實拍視頻；第二類為在仿真實驗室制作的演示視頻；第三類為用3D技術制作的課件；第四類為用VR技術制作的課件。對學生來說，如果能帶著問題去體驗生活，通過團隊合作來解決問題，收獲肯定是不一樣的。隨著國家對城鎮化建設的不斷推進，大部分城鎮都有帶電梯的高層建筑，其高度足以滿足此實驗的條件。學生按說明制作好氣壓計后，各小組用手機記錄氣壓計內水柱高度隨電梯上行和下落時的變化情況，并互相觀摩視頻，討論裝置的優缺點和錄制過程中碰到的問題，以及這些問題（例如：怎樣讓水柱高度變化更明顯？從幾樓開始實驗效果最佳？怎樣克服電梯里人員嘈雜問題？等）是怎樣解決的。

（三）挖掘輔助功能，發展高階思維

一個完整物理概念的形成需要一個發展過程，同樣，創新能力、問題解決能力和批判性思維能力的培養也不是一蹴而就的。教師要打破“一支粉筆教下去，一本教案講過來”的思維方式，著眼于學生的終身發展，依托豐富的信息資源，利用各類教學工具為學生的全面發展助力、賦能。

比如，帶電粒子在勻強磁場中的運動軌跡有3種常見情況：第一種，在磁場中，向垂直于磁場的各個方向發射速度大小相同的帶電粒子，其軌跡為繞發射點旋轉的動態圓；第二種，以大小不同，方向相同的速度垂直射入同一勻強磁場，其軌跡為半徑放大的動態圓；第三種，一束互相平行的帶電粒子射入勻強磁場中，其軌跡為沿與平行線垂直方向平移的動態圓。在教室多媒體系統中，學科工具欄里有幾何和尺規兩種工具。利用它們可以在白板上做出各種圖形。每個圖形都有一個定位點，繞著該點可以實現圖形的平移、旋轉和縮放等功能，與帶電粒子在磁場中的3種常見運動軌跡動態圓相對應，定位動態移動效果一目了然。依托信息技術手段創造性地改進了學生對這類難點的學習，完成了知識模塊的構建，激發了學生的學習興趣，學生從被動的“我學會”變為主動的“我會學”。

（四）搭建互動平臺，評價多元化

物理概念和規律是物理語言體系的基礎，對物理概念學習的評價不僅體現在是否會“做”上，還體現是否會“說”。傳統的評價注重對考試成績（也就是“做”）的評價。評價方式主要采用師問生答、紙質作業、單元測試等手段。單一的評價方式禁錮了學生表達自我的意識。許多教師借助發達的社交媒體平臺為學生交流互動構建評價激勵機制，鼓勵學生去探索、實踐。在內驅力的作用下，可以實現學生想說、敢說、會說，從而提升自我對話、自我定位與自我評價的能力。

例如：越來越多的教師借助微信公眾號、訂閱號的傳播影響力，成立了自己的工作室，轉發一些生活中涉及物理現象的視頻，介紹物理科學前沿動態，進行物理知識的科普，上傳學生拍攝制作的家庭小實驗等。學生在制作視頻中會用物理知識詳細地講述實驗的原理。教師可在留言欄里對操作的實用性和優缺點作專業性點評和進行鼓勵；在展示階段性自主學習成果的同時，還可把自己在實踐中獲得的喜悅、成就感分享給其他同學。在這個過程中采取了激勵性評價模式，尊重了學生的個體差異，淡化了學生之間的橫向比較，突出了自身的縱向比較，為學生個性化成長提供了空間。為取得更好的學習效果，許多合作小組建立自己的微信群、QQ群，交流各自在學習物理概念，應用物理知識解決實際問題中的感受和經驗，形成了一個“課內+課外”“過程+結果”“師生+生生”的多元化評價體系。

三、結語

總之，信息技術的普及、教學設備的改善給教育、教學改革提供了有力的支撐，優化了教師課堂教學的手段，也為優化學生的學習方法找到了一個新的途徑，同時使學生擺脫了對概念類知識學習的畏懼心理，加深了對物理類概念學習的理解。信息技術能讓物理知識的學習變得有趣、高效，學生愿學、樂學，教師會教、善教，實現教學相長。