基于信息技術(shù)的情境化物理教學(xué)研究

【摘要】以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維為出發(fā)點(diǎn)，采用基于問題導(dǎo)向的教學(xué)模式，通過實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)雙縫干涉的物理情境，利用GeoGebra軟件構(gòu)建物理模型，經(jīng)過科學(xué)推理得出光的雙縫干涉的表達(dá)式，并對觀察到的干涉實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)論證.

【關(guān)鍵詞】信息技術(shù)；高中物理；課堂教學(xué)

1 引言

“科學(xué)思維”是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成，學(xué)生在課堂上基于物理情境中的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)構(gòu)建物理模型，并對其進(jìn)行抽象和概括的過程就體現(xiàn)了“科學(xué)思維”過程.本文通過“光的雙縫干涉”一課為例，介紹如何在課堂中以“科學(xué)思維”生成為主線利用信息技術(shù)等手段完成創(chuàng)設(shè)情境、構(gòu)建模型、科學(xué)推理、科學(xué)論證的“科學(xué)思維”過程.

2 光的雙縫干涉的情境創(chuàng)設(shè)

2.1 活動(dòng)1 分組實(shí)驗(yàn)探究雙縫干涉的規(guī)律

光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)容易操作，教師為學(xué)生提供激光筆和雙狹縫，通過設(shè)置任務(wù)讓學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)完成探究過程，并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如表1所示.

對于任務(wù)4和任務(wù)5，因?yàn)闂l紋間距過窄，學(xué)生很難用肉眼觀察并做出定性判斷.

2.2 用光傳感器進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)

基于以上實(shí)驗(yàn)中遇到的問題，選擇采用DISLab光傳感器進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn).光傳感器將光強(qiáng)的強(qiáng)弱分布以圖像形式呈現(xiàn)，縱坐標(biāo)表示光強(qiáng).可以觀察到相鄰光強(qiáng)最值間的距離是等寬的，即相鄰亮條紋中心間距等寬.用縫寬為0.20mm和0.25mm的雙縫分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，圖像如圖1和圖2所示.可以明顯看到縫寬變寬后，相鄰亮條紋中心間距變窄了.

設(shè)縫寬為d、屏到縫距離為l、波長為λ、相鄰條紋中心間距為Δx.改變實(shí)驗(yàn)器材后教師再次對光雙縫干涉的特點(diǎn)和規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，如表2所示.

至此通過創(chuàng)設(shè)情境學(xué)生總結(jié)出雙縫干涉圖樣的特點(diǎn)，并得到Δx隨d、l、λ變化的定性規(guī)律，接下來教師引導(dǎo)學(xué)生深入探討這幾個(gè)物理量之間的定量關(guān)系.

3 建構(gòu)物理模型

3.1 通過模型解釋明暗相間條紋的產(chǎn)生原因

“類比”是“科學(xué)思維”的一種，教師引導(dǎo)學(xué)生將光的干涉類比于機(jī)械波的干涉來解釋明暗條紋的產(chǎn)生原因，課堂上教師可以借助表格讓學(xué)生比較機(jī)械波干涉與光波干涉的異同點(diǎn)，具體如表3所示.

利用GeoGebra軟件建立物理模型模擬光的雙縫干涉，如圖3所示.

教師通過模型使學(xué)生理解光的雙縫干涉發(fā)生在三維空間內(nèi)，屏上任意一點(diǎn)若為振動(dòng)加強(qiáng)點(diǎn)，則此處光強(qiáng)最強(qiáng)，表現(xiàn)為最亮，若為振動(dòng)減弱點(diǎn)，則此處光強(qiáng)最弱，表現(xiàn)為最暗，其余的位置光強(qiáng)介于最強(qiáng)和最弱之間，最終在光屏上呈現(xiàn)明暗相間的條紋.學(xué)生可以在“光屏”上選擇不同的點(diǎn)進(jìn)行觀察，加深對模型的理解.

3.2 通過模型探究Δx與d、l、λ之間的定量關(guān)系

在光的雙縫干涉3D模型中移動(dòng)鼠標(biāo)將視角轉(zhuǎn)換為俯視圖，在GeoGebra軟件中構(gòu)建俯視圖下的模型如圖4所示.其中雙縫S1S2之間的距離d可以通過滑動(dòng)條自行調(diào)節(jié).S1S2中垂線與屏交點(diǎn)為P0，令屏上任意一點(diǎn)P1到P0的距離為x，P1可以在屏上自由滑動(dòng).令雙縫到屏的距離為l，S1和S2到屏上任意一點(diǎn)P1的距離分別為r1、r2.以P1為圓心，r1為半徑作圓與r2的交點(diǎn)記為M，路程差r2-r1=S2M，過S1作S1N垂直于r2，交r2于N.令α=∠P1OP0，β=∠S2S1N.

課堂上教師讓學(xué)生分別調(diào)節(jié)d、x參量，讓學(xué)生觀察MN兩點(diǎn)間的距離和α、β的數(shù)值如何變化，同時(shí)提出問題：在活動(dòng)1的實(shí)驗(yàn)中d、l、x的大小關(guān)系.

4 科學(xué)推理與科學(xué)論證

4.1 通過模型輔助科學(xué)推理

學(xué)生在活動(dòng)1中的實(shí)驗(yàn)過程中體會(huì)到雙縫間的距離為0.20mm或0.25mm，這一尺寸相對于雙縫到屏的距離很小，相鄰兩條紋間的距離同樣也很小.通過在GeoGebra軟件中調(diào)節(jié)滑動(dòng)條改變d，發(fā)現(xiàn)隨著雙縫間距離d相對于l越來越小，一方面MN兩點(diǎn)間距離逐漸減小，另一方面α和β也逐漸接近，因此在真實(shí)實(shí)驗(yàn)情境下，當(dāng)d相對于l足夠小時(shí)，可以將M和N看成一個(gè)點(diǎn)，并認(rèn)為α和β相等.

學(xué)生繼續(xù)嘗試調(diào)節(jié)P1到P0的距離x，發(fā)現(xiàn)在x減小的過程中，α和β都逐漸減小，若屏到縫的距離l遠(yuǎn)大于x時(shí)，滿足tanα=sinα.滿足以上近似后，由幾何關(guān)系得到xl=tanα、Δrd=sinα.

聯(lián)立可得Δr=dxl，并推導(dǎo)出相鄰條紋中央間距公式Δx=λld.

4.2 創(chuàng)設(shè)情境開展科學(xué)論證

“科學(xué)論證”是“科學(xué)思維”的重要組成，設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)創(chuàng)設(shè)情境開展科學(xué)論證.教師組織設(shè)置活動(dòng)2讓學(xué)生通過雙縫干涉儀觀察白光的雙縫干涉彩色條紋圖樣，總結(jié)特點(diǎn)并用雙縫干涉公式加以解釋.設(shè)置活動(dòng)3，利用光傳感器測量紅光和綠光的波長，將波長與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值進(jìn)行對比.

5 結(jié)語

基于TPACK（Technological Pedagogical Content Knowledge）理論，使用軟硬件創(chuàng)設(shè)情境輔助教學(xué)，能使教學(xué)效果更加明顯.首先使用GeoGebra軟件輔助推導(dǎo)使數(shù)學(xué)中的近似處理過程動(dòng)態(tài)直觀化并易于學(xué)生理解，再設(shè)置者活動(dòng)讓學(xué)生在課堂中使用光傳感器觀察光強(qiáng)分布，以上教學(xué)環(huán)節(jié)加深了課堂中技術(shù)知識、教學(xué)法知識和課堂內(nèi)容知識的充分整合.

【基金項(xiàng)目：遼寧省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2024年度一般課題《基于TPACK框架的情境化教學(xué)模式研究》；課題編號：JG24CB067】

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