現(xiàn)代信息技術(shù)與高中物理教學(xué)的融合
--以GeoGebra軟件為例

四川省成都市航天中學(xué)校(610101) 張海軍 四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院(610101) 施 倩

0 前言

人類的進步與發(fā)展離不開工具和手段的進步,時代的車輪不斷滾動向前,應(yīng)用于物理教學(xué)的技術(shù)日益更新,現(xiàn)代物理課堂中各種信息化軟件、工具和儀器延伸著學(xué)生的器官感知范圍和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度,也讓課堂變得更為有趣、具象、優(yōu)質(zhì)。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017 年版2020年修訂)》(以下簡稱“新課標(biāo)”)中的“實施建議”部分明確指出,高中物理學(xué)科要“積極探索信息技術(shù)與物理教育教學(xué)的深度融合”,即通過多樣化的基于網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)方式,利用現(xiàn)代化信息技術(shù),引導(dǎo)學(xué)生理解物理學(xué)本質(zhì)、形成科學(xué)思維習(xí)慣、增強科學(xué)探究能力和解決實際問題的能力,不斷拓寬物理學(xué)習(xí)的路徑[1]。現(xiàn)代各類信息技術(shù)手段的融合,有助于打破傳統(tǒng)物理課堂“粉筆+黑板”的枯燥抽象,打造學(xué)生物理知識學(xué)習(xí)的多元化途徑,聲畫顯示、動態(tài)演示、仿真模擬等一系列功能的課堂呈現(xiàn),能夠幫助學(xué)生增加知識理解深度,理性建構(gòu)思維模型,進而真正達到提質(zhì)提“素”的目的。

1 高中物理教學(xué)常用的信息技術(shù)

信息技術(shù)環(huán)境下的教與學(xué),需要一些基礎(chǔ)信息技術(shù)和數(shù)字媒體的支撐,從而進一步助力課堂實現(xiàn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、教師拓展延伸和師生間的交流互動。目前,在高中物理課堂中常用的信息技術(shù)有以下幾類:

1.1 師生互動類

互動類技術(shù)能夠促進師生互動和生生交流,增強課堂的生命力。現(xiàn)如今較為常見的是各類電子白板、在線作業(yè)、在線論壇等[2]。其中,希沃電子白板具有較高的優(yōu)越性和廣泛的受眾面。它是一款針對教學(xué)場景設(shè)計的互動軟件,是集多種教學(xué)工具為一體的新生代教學(xué)媒體。除常規(guī)的課件管理、分享、互動授課、拍照投屏等功能以外,在物理學(xué)科中也有獨特的優(yōu)越性,如“課件庫”能夠為物理教師提供不同版本的參考課件、演示實驗視頻、仿真實驗等作為備課參考;在物理課堂需要繪制坐標(biāo)圖像和展示公式時,其“圖形”“公式編輯”等功能大有用途;而其軟件中內(nèi)置各類得分競賽對抗功能也能夠極大地調(diào)動學(xué)生的積極性,增強課堂互動性。互動軟件能夠讓物理教學(xué)的表現(xiàn)形式更加多樣化,煥發(fā)課堂生機,增大課堂容量,拉近師、生、課堂的交互距離,物理課堂的效率與質(zhì)量也大幅提升。

1.2 應(yīng)用軟件類

應(yīng)用軟件類指的是能夠輔助實驗和演示的幾何畫板、Tracker、GeoGebra等外部應(yīng)用軟件,具有易安裝、可視性高等特點。其中,Tracker是一款免費用于視頻跟蹤分析和建模的物理工具軟件,能夠?qū)崿F(xiàn)對于研究對象的手動或者自動追蹤、軌跡顯示和數(shù)學(xué)分析,方便對物理現(xiàn)象進行快速探究,可有效解決物理實驗對于實驗環(huán)境以及實驗設(shè)施的依賴問題。該軟件易上手、操作門檻不高,在高中物理課堂中,這款軟件常用于“平拋運動”“自由落體運動”“單擺”等課題的小球運動軌跡特點研究,能夠?qū)⒖床灰娒恢能壽E追蹤定量,幫助學(xué)生直觀探尋物理規(guī)律,輔助實驗的觀察和教學(xué)。GeoGebra軟件則是一款結(jié)合幾何、代數(shù)與微積分的動態(tài)幾何教學(xué)軟件,它可以為用戶提供畫點、向量、直線、線段、多邊形等多種作圖功能,同時也具有可編輯、可實時改變屬性的函數(shù)功能。物理教學(xué)離不開各類圖像的演示,因此該軟件也能夠發(fā)揮極大的教學(xué)功能。

1.3 傳感器類

傳感器在物理課堂上扮演著“信息采集工”的角色, 能夠極大促進實驗精確度和可視性,發(fā)揮著類似于人類“五官”的作用, 在物理實驗中, 能夠?qū)⒖筛兄牧Α帷⒙暋⒐獾任锢砹? 實時轉(zhuǎn)換成易測量的電學(xué)量, 并能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的放大、傳輸或?qū)崿F(xiàn)控制輸出[3]。與電流表、彈簧秤等傳統(tǒng)實驗器材相比,新式的電流傳感器、力傳感器等體現(xiàn)出巨大的優(yōu)越性,具有精確性高、性能可靠、計算功能強大等明顯優(yōu)勢。如今,在新版的物理教材中已經(jīng)有越來越多傳感器的身影,它有助于實現(xiàn)教學(xué)的便捷性、數(shù)據(jù)的直觀性,能幫助學(xué)生感受科技的魅力,增強學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新思維。

上述各類信息技術(shù)手段的運用,能夠從物理教學(xué)視角幫助學(xué)生在形、光、聲、色、數(shù)據(jù)等多個維度產(chǎn)生豐富感知,化抽象為具體。而如何科學(xué)地將信息技術(shù)手段融合物理教學(xué),則需要教師深入剖析教學(xué)知識內(nèi)容、明確學(xué)情、創(chuàng)設(shè)融合情境,在課堂不同階段適時、適度、適當(dāng)?shù)厝诤稀?/p>

2 融合途徑

2.1 創(chuàng)設(shè)引入情境,激趣激疑并行

“有好的開頭便已是成功的一半”,課堂引入是教學(xué)的關(guān)鍵節(jié)點,在該階段融入信息技術(shù)手段營造教學(xué)情境,能夠有效增加學(xué)生對課堂的興趣濃度,激發(fā)學(xué)習(xí)積極性。利用多媒體播放趣味視頻、利用互動類軟件組織游戲和比賽、利用仿真軟件開展演示實驗,都能夠激發(fā)學(xué)生的多重感官,引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和探知熱情,讓學(xué)生在引入階段的各類情境中生發(fā)疑問,產(chǎn)生指向問題解決的主觀能動性。

2.2 攻破重難點,提升思維能力

高中物理課堂上往往具有許多抽象費解的概念、規(guī)律,是學(xué)生較難突破的學(xué)習(xí)重點與難點,如果教師一味口頭講解,學(xué)生難以深入理解,易形成思維“負債”。在課堂重難點部分融入信息化技術(shù)手段能夠模擬抽象現(xiàn)象,將口頭表述形象化、可視化,幫助學(xué)生有效建構(gòu)科學(xué)思維。比如:光的各類干涉衍射現(xiàn)象、帶電粒子在磁場中的運動、超失重、曲線運動的過程理解等高中物理典型問題,教師都可以利用信息化手段展示動畫和圖像,并結(jié)合細致講解深化學(xué)生對重難點知識的認知,各類技術(shù)手段的融入是促進學(xué)生思維能力提升的“金鑰匙”。

2.3 彌補傳統(tǒng)實驗不足,知識多維深化

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科,但傳統(tǒng)物理教學(xué)往往會受到儀器設(shè)備、教學(xué)時間等各類因素影響,以信息技術(shù)手段輔助課本上的探究類和測量類教學(xué)實驗,能夠增加實驗的可視性、測量準(zhǔn)確度,從而大幅度提高實驗效果。如:學(xué)生在觀察教師進行“平拋運動”演示實驗時往往因物體運動時間過快,物體豎直和水平方向的運動特點難以同時捕捉等問題限制了對實驗現(xiàn)象的準(zhǔn)確分析,此時教師即可將實驗演示視頻錄制下來并導(dǎo)入Tracker軟件中進行小球的軌跡追蹤,進而以生成的圖像和數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系式幫助學(xué)生加深對實驗的認識理解。

當(dāng)然,各類信息技術(shù)手段更多的是輔助教學(xué),切不可完全替代物理實驗,學(xué)生仍然需要在常規(guī)實驗過程中鍛煉觀察分析、測量讀數(shù)、歸納綜合等能力,培養(yǎng)科學(xué)探究精神。

3 現(xiàn)代信息技術(shù)與物理教學(xué)的融合

以GeoGebra軟件為例,將其應(yīng)用在高中物理必修2第5章第1節(jié)“認識曲線運動”的速度方向探究過程中,相應(yīng)的教學(xué)片段如下。

師:在鏈球比賽中,被高速掄動的鏈球做曲線運動,但是看過比賽的同學(xué)都知道,不免有運動員會把鏈球甩在周圍高高的保護網(wǎng)上的情況,這樣就非常的危險(播放一段運動員將鏈球打在保護網(wǎng)上的視頻)。

師:到底運動員應(yīng)該在什么區(qū)域松手,才能夠使得鏈球順利飛出呢?這需要考慮什么因素呢?請大家看鏈球運動的場地圖(如圖1),讓我們共同來探究。

圖1 鏈球運動場地圖

生:(猜想)是不是要看鏈球飛出去的方向呀?

師:很好,我們剛剛提到鏈球運動是一種曲線運動,我們該如何確定它飛出去的方向呢?

生:先確定曲線運動的速度方向。

師;很好,我們可以先從理論分析的視角來進行推導(dǎo)。請大家回顧必修1中“速度”的相關(guān)知識。

生:瞬時速度的方向就是在極短時間內(nèi)所對應(yīng)的位移的方向。

師:現(xiàn)在,我們采用GeoGebra軟件,畫出一段曲線運動的軌跡(如圖2),若質(zhì)點在一段時間內(nèi)從A點運動到B點,則質(zhì)點的平均速度方向如何?

圖2 GeoGebra軟件界面1

生:過AB兩點的割線方向。

師:接下來移動B點,當(dāng)B點越來越靠近A點時,過AB兩點的割線方向在不斷地變化,斜率是不是也在變化呀!

生:是!可以看到斜率數(shù)值在改變,一開始是0.84,現(xiàn)在在慢慢變小。

師:我們再看,當(dāng)B點非常接近A點時,這條割線的斜率和過A點的切線斜率怎么樣呢?(如圖3)

圖3 GeoGebra軟件界面2

生:相同了。

師:也就是說,當(dāng)B點與A點之間的距離無限接近0時,質(zhì)點在A點的速度方向沿過A點的切線方向。這里展現(xiàn)的就是由軌跡的割線向著切線逐漸逼近的過程,是一個平均速度向著瞬時速度逼近的過程,這說明了什么呢?

生:曲線運動某點的速度方向應(yīng)該就是沿著它的切線方向的。

師:很棒,這里也充分體現(xiàn)了極限思想。那么通過公式推導(dǎo),我們能夠解決剛剛的問題了嗎?請大家現(xiàn)在在圖紙上嘗試確定出鏈球運動的松手區(qū)域吧!

生:我們得出的區(qū)域是這樣的。(學(xué)生展示,如圖4所示)。

圖4 鏈球運動正確的松手區(qū)域

師:很棒,完全正確。由此可見,鏈球運動的松手區(qū)域是很小的,運動員在高速旋轉(zhuǎn)時能夠抓住最恰當(dāng)?shù)臅r機松手其實是個很大的技術(shù)活兒,每一位運動健兒都值得我們的尊敬!

從以上的案例可以看出,利用方便快捷的GeoGebra軟件顯示曲線運動割線向著切線方向不斷逼近的動態(tài)演示以及進行的理論分析,增加了教學(xué)的豐富性和層次性,將極限思想可視化呈現(xiàn),使得知識更易于理解和掌握,利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

4 結(jié)語

綜上,隨著新課程改革的不斷深入,信息技術(shù)早已不再局限于演示的媒體或工具,而已經(jīng)成為當(dāng)代教師的一種不可或缺的教育教學(xué)基本素養(yǎng)。利用信息技術(shù)營造出一種新型的教學(xué)環(huán)境,打造出一種既能發(fā)揮教師主導(dǎo)作用又能充分體現(xiàn)學(xué)生主體地位的教與學(xué)的方式,讓學(xué)生的個人潛能得以激發(fā),有助于學(xué)生的個性發(fā)展和全面發(fā)展。將現(xiàn)代信息技術(shù)與物理教學(xué)進行碰撞融合,定可讓時代孕育的成果惠及每一名學(xué)生,讓學(xué)生在春風(fēng)化雨般的教學(xué)環(huán)境中茁壯成長。