福建省寧德市高級中學(xué) 林曉琴

信息化教學(xué)以建構(gòu)主義理論為基礎(chǔ)，明確以學(xué)生為中心，強調(diào)教師利用各種信息資源來支持學(xué)生的學(xué)習(xí)。具體來講，就是要求教師在教學(xué)過程中能夠通過有效地構(gòu)建信息主動獲取學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，讓學(xué)生自發(fā)成為知識信息的加工吸收主體和知識體系的主動建構(gòu)者，教師則重點幫助、促進學(xué)生有效正確獲取知識信息，應(yīng)用所學(xué)進行意義建構(gòu)并解決問題。這種教學(xué)模式更加強調(diào)的是教師在整個教學(xué)過程中組織者和引導(dǎo)者的作用，從根本上實現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，教師將研究、探索、啟發(fā)、討論的參與式理念引入課堂教學(xué)全過程，創(chuàng)設(shè)基于現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的立體化教學(xué)環(huán)境。

一、智能手機及APP 在物理演示實驗課程教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，演示實驗教學(xué)是基本的教學(xué)手段。演示實驗的操作過程以及實驗現(xiàn)象的呈現(xiàn)，能夠幫助學(xué)生更加直觀、形象地理解物理觀念、物理現(xiàn)象的變化規(guī)律，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。然而，傳統(tǒng)的物理演示實驗教學(xué)由于實驗本身特點及條件的限制，實驗的直觀性、探究性和操作性等特點無法都在教學(xué)過程中得到充分體現(xiàn)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)課堂教學(xué)融合信息技術(shù)能更好地實現(xiàn)課本知識可視化，使復(fù)雜概念解釋形象化、關(guān)鍵知識點講解具體化及復(fù)雜過程展示生動化?；ヂ?lián)網(wǎng)平臺上聚集了大量的物理實驗教學(xué)資源，同時智能手機作為一種高度普及且功能強大的信息化工具，它所裝備的高清攝像頭、眾多精巧的傳感器和強大實用APP 等工具，為學(xué)生隨時感知物理現(xiàn)象、探究物理實驗提供便利。簡言之，智能手機及APP 在輔助物理演示實驗教學(xué)中作用顯著，主要涵蓋以下幾方面的優(yōu)勢：一是有助于觀察實驗現(xiàn)象，如放慢實驗過程，隨時定格畫面觀察瞬時發(fā)生的實驗現(xiàn)象等；二是可便捷、準(zhǔn)確實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)測量，學(xué)生通過分析實驗數(shù)據(jù)，得出實驗結(jié)論，鍛煉學(xué)生的處理、分析能力；三是為師生提供了豐富的虛擬仿真實驗資源，為隨時深入物理現(xiàn)象研究創(chuàng)造了條件；四是利用APP 輔助物理演示實驗教學(xué)，在較大程度上提高了學(xué)生的物理學(xué)習(xí)動機、好奇心和興趣。

二、智能手機及APP 在物理演示實驗課程教學(xué)中的應(yīng)用實踐

1.助力演示實驗現(xiàn)象有效觀察。

捷克教育家夸美紐斯在《大教學(xué)論》中寫道：“一切知識都是從感官開始的?！备行哉J(rèn)知是思維得以發(fā)展的起點。在演示實驗中確保讓每一個同學(xué)都能對實驗現(xiàn)象進行有效細(xì)致地觀察是學(xué)生進一步深入思考的前提條件。借助智能手機高新攝像頭、視頻處理APP，及授課助手APP 等確保全體學(xué)生能夠看清實驗現(xiàn)象，獲得直觀的體驗經(jīng)驗，幫助學(xué)生構(gòu)建物理模型，培養(yǎng)物理科學(xué)思維能力。

（1）視頻慢放功能定格物理現(xiàn)象。

有些演示實驗實驗過程短暫，實驗現(xiàn)象轉(zhuǎn)瞬即逝，學(xué)生還沒有觀察到實驗現(xiàn)象，實驗已經(jīng)結(jié)束。學(xué)生無法從實驗中獲得直觀的體驗，更談不上通過實驗啟發(fā)學(xué)生進一步思考。對于這類實驗，我們可以發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)優(yōu)勢，利用視頻處理APP 的視頻慢放功能，放慢實驗過程，讓學(xué)生能捕捉到每一個實驗瞬間。

例如，在《自由落體運動》一節(jié)中，探究物體下落的快慢是否跟重量有關(guān)。先設(shè)置簡單小實驗引導(dǎo)學(xué)生得出空氣阻力是影響物體下落快慢的因素，再利用“牛頓管”實驗探究在沒有空氣阻力情況下輕重不同物體的運動。由于物體下落速度很快，尤其是金屬片和羽毛是否同時落到管底，同學(xué)們很難清楚地觀察到。借助愛剪輯APP 視頻慢放功能播放金屬片和羽毛下落瞬間。極速的瞬間經(jīng)過技術(shù)的放慢大大提高了實驗現(xiàn)象的可視性。直觀清晰的實驗現(xiàn)象使學(xué)生對落體運動有了直觀的感性認(rèn)識，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建自由落體模型也就變得水到渠成。

又如，在《動量定理》一節(jié)中，設(shè)置這樣的實驗：一只雞蛋，讓它從同樣的高度自由下落，第一次落在海綿墊上，完好無損；第二次落在堅硬的石板上，雞蛋碎了。提出問題：雞蛋兩次下落出現(xiàn)相反的結(jié)果，落在海綿墊上與落在石板上到底是什么物理量不同？為了幫助學(xué)生找到其中的區(qū)別，可以利用手機高清攝像功能拍攝雞蛋兩次下落過程，再利用剪輯軟件將兩次下落過程中雞蛋與石板、海綿墊接觸過程慢放處理，學(xué)生通過對比兩段慢放視頻很容易看出雞蛋與石板、海綿墊接觸的時間不同，雞蛋與石板接觸時間短，與海綿墊接觸時間長。這時教師再引入動量定理，學(xué)生就能輕松地利用動量定理解釋落在海綿墊上的雞蛋因接觸時間長，受到的海綿墊沖擊力小，因而能完好無損。

（2）高清拍攝和交互投屏功能放大物理現(xiàn)象。

有的演示實驗器材較小，實驗現(xiàn)象不明顯，教師在講臺上做實驗，學(xué)生受座位的限制，不能看到準(zhǔn)確的現(xiàn)象，也就難以進一步探究并理解物理規(guī)律。利用手機的高清攝像與希沃白板交互投屏功能直播實驗全過程，放大器材和現(xiàn)象，讓全體同學(xué)都能觀察到實驗的每一個細(xì)節(jié)。例如，在教授物理儀器儀表的使用和觀察儀表讀數(shù)時，先在手機上下載希沃授課助手，利用希沃授課助手APP 連接手機與希沃白板，再開啟手機攝像直播，通過同屏放大多角度展示教師的操作過程，近距離觀察儀表示數(shù)變化，方便學(xué)生模仿及讀數(shù)。又如，在《楞次定律》一節(jié)中，為了讓學(xué)生更好地理解楞次定律中“阻礙”二字的含義，演示實驗裝置，一絕緣底座上端的橫梁相連著兩個輕質(zhì)鋁環(huán)，其中一個閉合，另一個開口，整個裝置處于靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)用磁性較強的磁鐵任一極靠近閉合鋁環(huán)時，可以觀察到鋁環(huán)向后退，而靠近開口鋁環(huán)時，鋁環(huán)不動，進而直觀形象地說明“阻礙”二字的含義。但實驗中由于環(huán)小，環(huán)的移動幅度不大，只限前兩排中間同學(xué)可以觀察到現(xiàn)象，實驗的目的大打折扣。利用希沃授課助手APP 投屏功能，把手機當(dāng)作高清攝像頭，在大屏幕上實時直播實驗過程，實驗中細(xì)小的現(xiàn)象也能盡收眼底。通過交互投屏，學(xué)生整體在實驗中的參與感和體驗感得到了提高，對物理定律的理解也進一步加深了。

2.助力演示實驗數(shù)據(jù)便捷測量。

伽利略說過：“一切推理都必須從觀察與實驗中得來?！蔽锢硪?guī)律就是在無數(shù)次實驗基礎(chǔ)上分析歸納總結(jié)出來的。探究物理規(guī)律的演示實驗中，多數(shù)需要測量物理量，傳統(tǒng)的測量方法耗時，難以在有限的課堂時間內(nèi)完成，也就無法即時呈現(xiàn)實驗結(jié)論。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，大量教學(xué)類APP 應(yīng)運而生。手機物理工坊APP 就是一款功能強大的物理實驗應(yīng)用。它利用手機內(nèi)置多種傳感器，快速進行實驗數(shù)據(jù)采集并將采集到的數(shù)據(jù)通過圖表呈現(xiàn)，實現(xiàn)物理量關(guān)系的可視化，從而優(yōu)化實驗效果，增強探究的有效性。

（1）利用加速度傳感器快速采集實驗數(shù)據(jù)。

為了探究超重與失重現(xiàn)象產(chǎn)生的條件，設(shè)置學(xué)生分組實驗：測力計下掛一鉤碼，讓其在豎直方向上做變速運動。學(xué)生認(rèn)真觀察測力計示數(shù)的變化，并結(jié)合鉤碼所做的運動，在教師引導(dǎo)下分析產(chǎn)生超重和失重的條件。但是測力計的示數(shù)在運動過程中不易觀察，也就很難得出實驗結(jié)論。通過改進實驗，用DIS 拉力傳感器替換測力計進行數(shù)據(jù)采集，鉤碼所受拉力變化容易測得但是依然無法直觀建立拉力變化與鉤碼加速度變化間的關(guān)系。如果能通過實驗同時顯示運動物體所受拉力及加速度的變化圖像，那么就能更加直觀形象地探究出物體處于超重和失重的條件。我們可以將手機替代鉤碼作為測量工具。具體操作如下：打開手機物理工坊軟件，開啟“加速度計”功能，通過DIS 拉力傳感器提著手機一起在豎直方向分別向上及向下完成加速、勻速、減速運動。手機加速度傳感器記錄鉤碼加速度的變化情況，拉力傳感器記錄拉力變化情況，然后將加速度及拉力變化情況以圖像的形式直觀地展現(xiàn)在屏幕上，引導(dǎo)學(xué)生對比分析兩圖像，從中找出物理規(guī)律，自主總結(jié)相關(guān)結(jié)論。通過合作探究學(xué)生親歷了數(shù)據(jù)的采集，物理規(guī)律的形成過程，感受了用圖像解決物理問題的方法，培養(yǎng)了觀察、比較、歸納、總結(jié)等能力。

（2）利用角速度傳感器便捷測量實驗數(shù)據(jù)。

在探究單擺運動周期與擺長的關(guān)系實驗時，由于課堂時間有限，利用秒表測量單擺周期耗時長，筆者利用手機物理工坊APP 中的單擺功能可以便捷測量單擺周期。具體操作如下：將細(xì)錫線和手機組成單擺，固定懸點，點擊手機物理工坊AAP 中單擺功能，設(shè)置延遲啟動時間及實驗時長。測量擺長并記錄，點擊開始按鈕，讓手機在豎直面內(nèi)做小角度擺動（近似簡諧運動），同時盡量確保手機在擺動過程中自身不旋轉(zhuǎn)。直到預(yù)設(shè)時間結(jié)束即可讀取周期，并記錄在列表中。改變擺長重復(fù)上述實驗過程。最終將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel 表格，通過線性擬合得到擺長與周期的定量關(guān)系，即周期的平方與擺長成正比。利用手機傳感器測量單擺周期大大地縮短了實驗探究的時間，同時提高了探究效果。教師為學(xué)生創(chuàng)設(shè)探究環(huán)境，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，主動參與規(guī)律探究過程，比起直接給出結(jié)論更能培養(yǎng)學(xué)生的探索精神。

3.助力虛擬仿真實驗的即時演示。

虛擬仿真實驗是有效利用現(xiàn)代信息技術(shù)，通過開發(fā)仿真實驗軟件，打造最富真實感的虛擬實驗環(huán)境，實現(xiàn)現(xiàn)實環(huán)境條件下不具備或難以完成的教學(xué)實驗。隨著智能手機的發(fā)展，仿真實驗APP 越發(fā)豐富，如NB物理實驗、物理實驗室等，是教師的實驗教學(xué)的重要輔助工具。

（1）虛擬仿真實驗可以突破客觀條件限制，展示理想實驗結(jié)果。

理想實驗是人們?yōu)榱搜芯磕骋晃锢硪?guī)律設(shè)想的而現(xiàn)實中又無法完成的實驗。理想實驗法是一種科學(xué)的推理法，它是在實驗基礎(chǔ)上經(jīng)過抽象概括、邏輯推導(dǎo)得出規(guī)律的一種研究方法，愛因斯坦稱贊它標(biāo)志著物理學(xué)的開端。理想實驗在現(xiàn)實實驗中無法完成，但我們卻可以通過虛擬仿真技術(shù)來實現(xiàn)。

例如，在“牛頓第一定律”教學(xué)中，為了說明運動和力的關(guān)系時，引入著名的伽利略理想斜面實驗。理想斜面實驗因為摩擦力無法消除，在現(xiàn)實實驗中無法完成，教師可以借助仿真實驗為學(xué)生建立直觀的感性認(rèn)識，繼而再合理外推得出實驗結(jié)論。利用希沃白板自帶仿真斜面實驗進行即時演示。設(shè)置實驗參數(shù)，使小球與斜面軌道間的摩擦力為零。首先讓小球在沒有摩擦力情況下沿一個斜面從靜止?jié)L下，小球?qū)L上另一斜面，上升到原來的高度。接著減小第二個斜面的傾角，小球在這個斜面要達到原來的高度就要通過更長的距離。繼續(xù)使第二個斜面的傾角越來越小，可以看到小球滾得越來越遠(yuǎn)。這時適時的提出問題：如果把第二個斜面改成水平面，小球會怎樣運動？同學(xué)們根據(jù)仿真實驗演示，可推理出小球?qū)恢毖刂矫娉掷m(xù)運動下去。仿真實驗幫助學(xué)生建立感性認(rèn)識，突破思維難點，為學(xué)生自主推理出物理規(guī)律創(chuàng)造條件。

（2）虛擬仿真實驗可以有效實現(xiàn)微觀物理過程的即時演示，展示微觀物理現(xiàn)象。

教師可以利用仿真實驗APP 為學(xué)生建立微觀物理情境。靜電場的特點就是看不見，摸不著。在靜電場的教學(xué)中，適當(dāng)?shù)亟柚抡鎸嶒灴梢杂行У赝黄茖W(xué)生學(xué)習(xí)的難點。例如，在探究靜電場中帶電粒子的受力、運動軌跡時，就可以利用物理實驗室APP 對靜電場中正負(fù)電荷及等量同種、等量異種電荷的電場線進行描繪，還可以定性的展示靜電場隨場源電荷變化而變化，并對放入其中的試探電荷，觀察其運動軌跡，同時還可以實時反饋試探電荷動能和速度變化。

三、結(jié)語

本文從智能手機及APP 助力演示實驗現(xiàn)象有效觀察、演示實驗數(shù)據(jù)便捷測量、虛擬仿真實驗即時演示三個方向分類進行探討，以學(xué)生為學(xué)習(xí)的主角，引導(dǎo)學(xué)生參與物理實驗視頻錄制、數(shù)據(jù)觀測、合作分析探究，有效增強他們在學(xué)習(xí)中的自身成就感，把知識點闡述、理解得更加明確清晰。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，基于手機APP 的高中物理演示實驗教學(xué)的應(yīng)用研究將不斷深入，對突破物理演示實驗的難點問題將帶來強大幫助，更加有效提升物理實驗課堂教學(xué)效果。