基于深度學(xué)習(xí)的高中物理信息技術(shù)融合的探討

楊大湖

摘? ?要：以平拋運(yùn)動(dòng)為例，通過實(shí)驗(yàn)探究和信息技術(shù)軟件手段，讓學(xué)生由淺入深多角度理解平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，提升學(xué)生科學(xué)探究和解決實(shí)際問題的素養(yǎng)，最終實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞：信息技術(shù)融合；平拋運(yùn)動(dòng)；Vernier Video Physics

1? 問題背景

深度學(xué)習(xí)是指學(xué)生在教師引領(lǐng)下圍繞著相關(guān)的學(xué)習(xí)主題，積極地參與、體驗(yàn)，獲得有發(fā)展意義的學(xué)習(xí)過程。深度學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)知識(shí)與能力、方法、思維的統(tǒng)一，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主動(dòng)參與、積極建構(gòu)，是形成學(xué)生核心素養(yǎng)的基本途徑[ 1 ]。

本文以“平拋運(yùn)動(dòng)”為例，通過科學(xué)探究的方式，以信息技術(shù)為手段，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建平拋運(yùn)動(dòng)模型和培養(yǎng)科學(xué)探究的素養(yǎng)，感受科學(xué)方法，最后通過解決真實(shí)問題情境促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的達(dá)成。

2? 教學(xué)過程

2.1? 利用長(zhǎng)曝光軟件Spectre相機(jī)處理平拋運(yùn)動(dòng)

在本節(jié)課之前，對(duì)于勻速直線運(yùn)動(dòng)、勻變速直線運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)類型學(xué)生已經(jīng)很了解，也已經(jīng)掌握了運(yùn)動(dòng)的合成與分解的分析方法，本節(jié)課的難點(diǎn)是要讓學(xué)生理解為何要將平拋運(yùn)動(dòng)分解成水平和豎直方向的分運(yùn)動(dòng)，通過手機(jī)軟件對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，學(xué)習(xí)更容易接受，運(yùn)用多種手段整合處理問題，是促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的有效途徑。

在課堂引入環(huán)節(jié)，用手機(jī)上的APP軟件Spectre相機(jī)拍攝發(fā)光小球在黑暗中的運(yùn)動(dòng)路徑，快速得到發(fā)光小球的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖1所示。引導(dǎo)學(xué)生從受力情況分析斜拋運(yùn)動(dòng)與平拋運(yùn)動(dòng)的相同點(diǎn)是拋出之后忽略空氣阻力都只受到重力的作用，不同點(diǎn)在于拋出時(shí)的初速度方向不同，由此通過對(duì)比得到平拋運(yùn)動(dòng)的定義。

不同于斜拋運(yùn)動(dòng)在生活中處處可見，要想在實(shí)際生活中呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的平拋運(yùn)動(dòng)其實(shí)是不容易的，通過手機(jī)軟件對(duì)發(fā)光小球的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行捕捉，如圖1所示，學(xué)生首先能夠十分感性地看出斜拋與平拋運(yùn)動(dòng)在軌跡上的不同，其次通過引導(dǎo)學(xué)生從受力和物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件來(lái)分析兩者的異同，讓平拋運(yùn)動(dòng)的定義得出水到渠成，有利于學(xué)生構(gòu)建平拋運(yùn)動(dòng)的物理模型，促進(jìn)科學(xué)思維的提升。

2.2? 慢鏡頭探究平拋運(yùn)動(dòng)分運(yùn)動(dòng)規(guī)律

得出了平拋運(yùn)動(dòng)定義之后，如何引導(dǎo)學(xué)生從運(yùn)動(dòng)的合成與分解的角度分析平拋運(yùn)動(dòng)是個(gè)難點(diǎn)。回顧牛頓運(yùn)動(dòng)定律解決問題時(shí)，常常把力分解到水平和豎直方向上，接著引導(dǎo)學(xué)生通過受力分析與運(yùn)動(dòng)分析得出只有重力作用在豎直方向上，并且豎直方向的初速度為零，運(yùn)動(dòng)類型應(yīng)該是自由落體運(yùn)動(dòng)；而水平方向不受力，存在初速度，運(yùn)動(dòng)類型應(yīng)該是勻速直線運(yùn)動(dòng)。如何通過實(shí)驗(yàn)來(lái)更好地呈現(xiàn)平拋運(yùn)動(dòng)在水平和豎直方向分運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)呢？通過手機(jī)慢鏡頭錄制平拋運(yùn)動(dòng)演示儀的小球運(yùn)動(dòng)情況，如圖2所示，先讓平拋運(yùn)動(dòng)的小球與自由落體運(yùn)動(dòng)的小球運(yùn)動(dòng)做對(duì)比，再讓平拋運(yùn)動(dòng)的小球與水平方向上的勻速直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行對(duì)比，探究平拋運(yùn)動(dòng)的分運(yùn)動(dòng)性質(zhì)類型。

通過逐幀播放，可以十分清晰地看到每時(shí)每刻平拋運(yùn)動(dòng)的小球與對(duì)照組的小球的位置是保持一致的，最后兩個(gè)小球同時(shí)撞到一起，說(shuō)明了小球在豎直方向上的運(yùn)動(dòng)類型是自由落體運(yùn)動(dòng)，水平方向上的運(yùn)動(dòng)類型是勻速直線運(yùn)動(dòng)。

2.3? 利用Vernier Video Physics定量處理平拋運(yùn)動(dòng)

在上述環(huán)節(jié)中，通過定性的對(duì)比分析得到了平拋運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但是由于阻力的存在，最終會(huì)有一些系統(tǒng)誤差呈現(xiàn)出來(lái)，如何才能更為精確地對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)的水平和豎直方向進(jìn)行準(zhǔn)確的定量分析，進(jìn)一步驗(yàn)證之前的結(jié)論呢？用手機(jī)拍攝平拋運(yùn)動(dòng)小球的運(yùn)動(dòng)過程，可以利用Vernier Video Physics追蹤小球的運(yùn)動(dòng)軌跡。通過描點(diǎn)追蹤，如圖3所示，當(dāng)間隔相等的時(shí)間段描點(diǎn)時(shí)，可以幾乎完美地看到小球在豎直方向的比例關(guān)系為1：3：5：7。從該圖可進(jìn)一步驗(yàn)證之前通過與豎直方向的自由落體和水平方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)對(duì)比得到的實(shí)驗(yàn)規(guī)律的正確性，還可以利用在相等時(shí)間間隔內(nèi)的位移之差Δs=aT2進(jìn)一步定量計(jì)算出小球在豎直方向的加速度的大小，進(jìn)而與當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葘?duì)比進(jìn)行誤差分析。

Vernier Video Physics的優(yōu)勢(shì)之處就在于可以利用物理圖像的方式對(duì)于物理量進(jìn)行分析和處理，最后從圖像里探索物理規(guī)律，這樣的處理方式可視化程度更高，也更容易方便學(xué)生理解與接受。

以小球從水平導(dǎo)軌末端為坐標(biāo)起點(diǎn)建立坐標(biāo)系來(lái)分析運(yùn)動(dòng)流程。將圖中長(zhǎng)度與現(xiàn)實(shí)長(zhǎng)度的尺度換算之后，可以快速得到運(yùn)動(dòng)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)擬合圖，水平方向的“位移—時(shí)間”圖像（x-t圖像）、和水平方向的“速度—時(shí)間”圖像（vx-t圖像），如圖4、5所示。

根據(jù)以上圖像，引導(dǎo)學(xué)生思考下面幾個(gè)問題：

思考1：根據(jù)圖像，平拋運(yùn)動(dòng)水平方向有何運(yùn)動(dòng)規(guī)律？

思考2：根據(jù)圖像，能否算出小球水平拋出時(shí)的初速度大小？

通過觀察圖像，首先可以定性得到平拋運(yùn)動(dòng)水平方向的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)為勻速直線運(yùn)動(dòng)，還可以通過讀取數(shù)據(jù)得到平拋運(yùn)動(dòng)的水平方向的初速度大小，這樣就很好地將學(xué)生對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)高度從定性分析的層次提高到了定量分析的認(rèn)知層次。

進(jìn)一步分析平拋運(yùn)動(dòng)在豎直方向的圖像如圖6和圖7所示，根據(jù)圖7的vy-t圖像可以估算出重力加速度的值略小于自由落體運(yùn)動(dòng)的加速度9.8 m/s2，可以引導(dǎo)學(xué)生分析為什么測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)偏小，多次重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是否可以規(guī)避這個(gè)誤差。最后通過總結(jié)誤差分析，原因主要為空氣阻力的作用，為系統(tǒng)誤差，以此培養(yǎng)學(xué)生尊重客觀事實(shí)的科學(xué)態(tài)度。

2.4? 解決真實(shí)問題，通過模型的建構(gòu)促觀念提升

物理觀念能否達(dá)成，需要通過是否能夠利用其解釋生活中的自然現(xiàn)象和真實(shí)問題進(jìn)行檢驗(yàn)。在教學(xué)過程中，通過真實(shí)物理問題的創(chuàng)設(shè)，將對(duì)物理知識(shí)的理解和物理方法的應(yīng)用滲透到解決真實(shí)問題的過程中，深化物理思想，內(nèi)化物理觀念。

問題如圖8，為新加坡標(biāo)志性景點(diǎn)魚尾獅公園內(nèi)的魚尾獅雕塑，坐立在水波上的魚尾獅，其設(shè)計(jì)概念是將現(xiàn)實(shí)和傳說(shuō)合二為一：獅頭代表傳說(shuō)中的“獅城”，塑像的魚尾造型，浮泳于層層海浪間，既代表新加坡從漁港變成商港的特性，同時(shí)也象征著當(dāng)年飄洋過海，南來(lái)謀生求存，刻苦耐勞的祖祖輩輩們。

已知魚尾獅雕塑噴泉口距離海面高8 m，能否利用一把刻度尺估測(cè)從魚尾獅口中剛噴出的水流的速度大小？

以新加坡的知名景點(diǎn)魚尾獅為問題情境，讓學(xué)生經(jīng)歷信息提取、抽象、建模、推理的過程，提升應(yīng)用物理模型解決問題的能力，只有通過真實(shí)問題的解決才能評(píng)測(cè)學(xué)生是否對(duì)于本節(jié)課的內(nèi)容實(shí)現(xiàn)了深度學(xué)習(xí)。同時(shí)福建先民下南洋謀生存的歷史背景也容易激發(fā)學(xué)生對(duì)于閩南文化中拼搏奮斗精神的文化認(rèn)同，提升學(xué)生的民族自豪感。

2.5? 基于真實(shí)的情境 促進(jìn)深度學(xué)習(xí)

傳統(tǒng)教學(xué)中著重強(qiáng)調(diào)用化曲為直的思想來(lái)分解拋體運(yùn)動(dòng)這一類曲線運(yùn)動(dòng)，但是怎么分解，為什么要沿著水平和豎直這兩個(gè)方向進(jìn)行分解，學(xué)生往往是缺乏直觀體驗(yàn)的，這不利于學(xué)生思維的進(jìn)階達(dá)成。而通過Vernier Video Physics這種手機(jī)上就能使用的軟件APP，可以在課堂上快速對(duì)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行捕捉，進(jìn)而形成圖像，在對(duì)圖像的分析處理過程中，培養(yǎng)了學(xué)生讀圖、識(shí)圖和用圖的能力，在增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)的同時(shí)也將分析過程很好地實(shí)現(xiàn)了可視化，讓學(xué)生從感性的定性認(rèn)識(shí)逐步走向理性的定量分析，通過解決具體真實(shí)的問題促進(jìn)學(xué)生對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)模型的構(gòu)建。學(xué)生的觀察能力、邏輯分析能力以及尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)的科學(xué)態(tài)度在對(duì)圖像的處理分析過程中得到了培養(yǎng)，在聚焦問題的解決過程中促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的達(dá)成。

隨著信息技術(shù)手段的不斷迭代發(fā)展，智能手機(jī)上所搭載的傳感器越來(lái)越豐富，智能手機(jī)上的傳感器所能協(xié)助處理的情境也越來(lái)越多，例如Phyphox這款軟件就能夠利用手機(jī)上固有的傳感器完成30多種物理情境問題中的測(cè)量工作。智能手機(jī)的強(qiáng)大功能很好地拓展了一線教師的授課方式和授課的手段。與DIS數(shù)字實(shí)驗(yàn)需要在電腦上先按照運(yùn)行軟件，然后針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)類型更換不同的傳感器進(jìn)行信息采集不同，手機(jī)很好地展示了獨(dú)屬于它的優(yōu)勢(shì)，也就是便攜性與普遍性。即使在一些實(shí)驗(yàn)條件有限的地區(qū)也可以很好地利用智能手機(jī)軟件進(jìn)行一定的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新和信息技術(shù)融合，讓學(xué)生體驗(yàn)新型的實(shí)驗(yàn)方式，為實(shí)現(xiàn)教育的現(xiàn)代化添磚加瓦。

3? 結(jié)束語(yǔ)

通過小球平拋的真實(shí)情境，以實(shí)驗(yàn)探究為主線，通過信息技術(shù)融合的方式突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)，以問題解決為導(dǎo)向，既讓學(xué)生體驗(yàn)了知識(shí)的形成過程，又提升了學(xué)生的核心素養(yǎng)。現(xiàn)代社會(huì)是信息社會(huì)，今后的課堂中信息技術(shù)與課堂教學(xué)的融合將是大勢(shì)所趨，在課堂教學(xué)中怎樣去實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)對(duì)教學(xué)的輔助作用從而達(dá)成深度學(xué)習(xí)是值得考慮的問題。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 郭華. 深度學(xué)習(xí)及其意義[J]. 課程·教材·教法， 2016 （11）： 25-32.