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        基于核心素養(yǎng)下的信息技術(shù)與物理課堂融合
        ——以《多普勒效應(yīng)》為例

        2022-11-03 12:40:24朱文瑜
        數(shù)理化解題研究 2022年30期
        關(guān)鍵詞:效應(yīng)信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)

        朱文瑜

        (浙江省杭州第四中學(xué) 310002)

        新課程改革其中重要的一點(diǎn)就是重視對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng).高中物理核心素養(yǎng)可分為四個(gè)方面,分別是“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”.高中物理教學(xué)要認(rèn)識(shí)到核心素養(yǎng)培養(yǎng)的重要意義,采取合適的教學(xué)方法組織活動(dòng).選取以信息技術(shù)融合物理課,在教學(xué)以學(xué)生為主體的前提下,可以利用相關(guān)的技術(shù)構(gòu)建一些吸引學(xué)生興趣的和平時(shí)生活密切相關(guān)的場(chǎng)景,讓學(xué)生主動(dòng)參與,培養(yǎng)學(xué)生的觀察、分析能力,切實(shí)優(yōu)化一些實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程和功能,從而更新一些教學(xué)理念和手段,最終完成培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的目標(biāo).

        然而目前傳統(tǒng)教學(xué)中,針對(duì)《多普勒效應(yīng)》一節(jié),有不少教師并沒有很好的將信息技術(shù)應(yīng)用于課堂,局限于先放個(gè)視頻,舉個(gè)例子,就從頭到尾講到底,究其原因,是既沒有準(zhǔn)備將信息技術(shù)與本節(jié)課融入的理念,也沒有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備.教材上還使用“多人步行”模擬多普勒現(xiàn)象,雖然能夠帶給學(xué)生直觀的感受,但假如學(xué)習(xí)能力普通或抽象能力較弱的學(xué)生僅僅使用教材上的例子,可能依然對(duì)“多人步行”和多普勒現(xiàn)象的相關(guān)聯(lián)系表示難以理解.

        本文以人教版高中物理《多普勒效應(yīng)》教學(xué)為例,闡述通過利用信息技術(shù)融合物理的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)方法,解決以上問題,落實(shí)核心素養(yǎng).

        1 創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境,提出問題

        教師活動(dòng)(以下簡(jiǎn)稱“師”):回憶當(dāng)行駛的火車?guó)Q笛時(shí)或飛馳的賽車靠近看臺(tái)時(shí),你注意過它們發(fā)出的聲音有什么變化嗎?

        學(xué)生活動(dòng)(以下簡(jiǎn)稱“生”):學(xué)生回答聲音有所變化.好像由低到高,從低沉到越來越刺耳.之后集體觀看由教師所放的火車或汽車駛近觀察者的視頻.

        師:看完視頻后,不考慮單純的音量變化,別的方面有無區(qū)別,聲音有無變得尖銳或低沉?音調(diào)變高還是變低,音調(diào)的高或低是由什么因素決定?了解音量、音調(diào)、頻率這三者之間的關(guān)系.學(xué)生回答之后,教師展示音調(diào)頻率對(duì)照表再詳細(xì)解釋其基本概念.

        師:火車進(jìn)站發(fā)出聲音的頻率是固定不變的還是經(jīng)常改變的?在火車邊的路人聽到聲音變化的根本原因是什么?如果是火車?yán)锏某丝停芨惺艿铰曇舻淖兓瘑幔?/p>

        生:火車發(fā)出頻率應(yīng)該沒有變化.不清楚車?yán)锏娜耸欠衲芨杏X到有變化.當(dāng)火車向路人駛來,路人聽到音調(diào)變高.聲音變尖銳—音調(diào)變高—頻率變大.

        師:這些現(xiàn)象就是多普勒效應(yīng).隨后在課件中簡(jiǎn)介多普勒歷史.

        設(shè)計(jì)意圖與信息技術(shù)應(yīng)用:通過觀看火車視頻材料,在學(xué)生心中締造出了真實(shí)生活中的一段情境,課堂內(nèi)容變得豐富、生動(dòng)而又具體,由于這類火車視頻與學(xué)生熟悉的生活緊密相關(guān),較易調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣,使學(xué)生學(xué)習(xí)更為主動(dòng).選用視頻素材時(shí),要進(jìn)行適當(dāng)?shù)木庉嫞懦蓴_信息.引導(dǎo)學(xué)生多留心關(guān)注日常生活現(xiàn)象,鼓勵(lì)學(xué)生在生活中有意識(shí)的培養(yǎng)自己觀察能力,用所學(xué)的掌握到的物理知識(shí)來審視日常生活中常見的各種物理現(xiàn)象,從而了解基本物理觀念,鍛煉觀察能力和科學(xué)思維.

        2 運(yùn)用信息技術(shù),簡(jiǎn)單體驗(yàn)多普勒效應(yīng)

        師:在初步了解完多普勒效應(yīng)和歷史后,課堂上學(xué)生自我參與用手機(jī)體驗(yàn)下.打開手機(jī)phyphox應(yīng)用程序,介紹其“音頻發(fā)生器”功能:能發(fā)出各種固定不變頻率的聲音.利用音頻軟件發(fā)出聲音的頻率是恒定的,手持手機(jī)拉遠(yuǎn)拉近身體,即可以體驗(yàn)到不同效果.這里使用默認(rèn)設(shè)置頻率440Hz,如圖1 .這里頻率范圍建議設(shè)置在200-2500Hz之間,假如設(shè)置過低的固定頻率,則會(huì)造成實(shí)驗(yàn)效果不顯著,也易受環(huán)境雜音干擾.假如設(shè)置頻率較高,而音量又不低,則造成人耳聽覺不適.

        圖1

        生:在教師示范實(shí)驗(yàn)后,手持手機(jī)在自己身邊做從遠(yuǎn)到近的動(dòng)作,體驗(yàn)各種不同效果.也可讓學(xué)生1人手持手機(jī)在課堂里運(yùn)動(dòng),其他同學(xué)感受聲音的變化.

        設(shè)計(jì)意圖與信息技術(shù)應(yīng)用:優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)器具,又讓學(xué)生自行體驗(yàn)實(shí)驗(yàn),調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主觀能動(dòng)性.因手機(jī)屏幕較小,為方便學(xué)生集體觀摩,建議將手機(jī)屏幕共享到教室電腦直至大屏幕.

        3 現(xiàn)場(chǎng)集體感受軟件模擬實(shí)驗(yàn)

        師:每個(gè)人感受完剛才手機(jī)實(shí)驗(yàn)后,也可以集體感受使用計(jì)算機(jī)軟件來模擬多普勒效應(yīng)的效果.教師用教室計(jì)算機(jī)打開之前安裝好的Audition音頻軟件.開始先制作生成固定聲源,新建采樣率為44100Hz,單聲道,16位的波形文件,之后點(diǎn)擊菜單欄 “生成”—“音調(diào),然后在基礎(chǔ)頻率選項(xiàng)中任意輸入聲源頻率數(shù)值,在額外特性中輸入1,即可生成輸出頻率的正弦音頻信號(hào).試聽可聽到原始聲音效果.使用鼠標(biāo)滾輪可對(duì)聲波圖形放大,可見正弦波形.然后在軟件中依次點(diǎn)擊菜單欄窗口—“工作區(qū)”—“最大化波形編輯”,“效果”—“立體聲聲像—“多普勒效應(yīng)”.

        在這里軌跡類型選直線,遠(yuǎn)距離起始200米,如圖2所示,點(diǎn)擊試聽體驗(yàn),嘗試改變其遠(yuǎn)距離起始和速率數(shù)據(jù),再點(diǎn)擊試聽,體驗(yàn)不同效果.

        圖2

        學(xué)生活動(dòng):觀看并現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)多普勒效應(yīng).

        設(shè)計(jì)意圖與信息技術(shù)應(yīng)用:運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)軟件模擬多普勒效應(yīng),學(xué)生集體聽到音調(diào)從低到高再?gòu)母叩降?,由于是?jì)算機(jī)軟件控制各種因素,完全可以自主控制聲音變化的高低快慢.再一次加深學(xué)生實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)的感受,順帶觀看聲波波形,有助于知識(shí)的理解.

        4 回顧知識(shí),分組討論歸納基本規(guī)律.

        師:體驗(yàn)完模擬實(shí)驗(yàn)后,回顧前面機(jī)械波所學(xué)知識(shí),單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出波的個(gè)數(shù)叫聲源頻率,觀察者在單位時(shí)間內(nèi)接受到波的個(gè)數(shù)是指接收到的頻率.聲源的頻率是保持不變的.播放模擬動(dòng)畫后如圖3,試結(jié)合教材“排隊(duì)數(shù)人”自主學(xué)習(xí),分組討論總結(jié)歸納多普勒效應(yīng)的規(guī)律.

        圖3

        生:觀看模擬動(dòng)畫,自主學(xué)習(xí)后分組討論模擬“排隊(duì)數(shù)人”問題來類比聲源頻率與接收頻率的關(guān)系.學(xué)習(xí)討論后,歸納簡(jiǎn)單規(guī)律:觀察者與聲源與相對(duì)位置如果發(fā)生變化,會(huì)導(dǎo)致觀察者收到頻率發(fā)生變化.

        設(shè)計(jì)意圖與信息技術(shù)應(yīng)用:之前是體驗(yàn)實(shí)驗(yàn),現(xiàn)在是探究現(xiàn)象背后的原理.通過模擬動(dòng)畫的觀看和教材例子的結(jié)合研究,增加具體動(dòng)畫演示,減輕抽象想象難度,學(xué)生先自主學(xué)習(xí),后小組合作攻克難點(diǎn).通過現(xiàn)象了解背后的原理,鍛煉了學(xué)生推理歸納規(guī)律的能力和科學(xué)思維.

        5 分組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之前的規(guī)律.

        師:分組合作實(shí)驗(yàn),探究學(xué)生歸納出的規(guī)律究竟是否正確,需要科學(xué)的數(shù)字量化驗(yàn)證.首先教師使用2臺(tái)手機(jī)示范演示,A手機(jī)作為聲源播放,A手機(jī)中打開phyphox軟件中的“音頻發(fā)生器”,頻率設(shè)置為2000赫茲.B手機(jī)作為觀察接收者不動(dòng),打開phyphox軟件中的“多普勒效應(yīng)”,基準(zhǔn)頻率同樣設(shè)置為2000赫茲.A手機(jī)從遠(yuǎn)方靠近B手機(jī)后離開之后,B手機(jī)可得圖4所示.觀察其波峰和波谷,可以看出接收到的頻率是先增加,再下降.

        圖4

        手機(jī)運(yùn)動(dòng)結(jié)束后,點(diǎn)擊右上角導(dǎo)出統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù),生成文件,將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇淌矣?jì)算機(jī)(網(wǎng)絡(luò)傳輸或數(shù)據(jù)線均可).計(jì)算機(jī)打開接收到的EXCEL文件查看數(shù)據(jù),頂部分別是時(shí)間、頻率、速度,查看原始數(shù)據(jù)如圖5,1秒前的幾項(xiàng)是由于打開軟件的先后時(shí)間差,屬于無效數(shù)值.頻率那一項(xiàng)是指觀察者B手機(jī)接收到的頻率,時(shí)間是指A運(yùn)動(dòng)靠近B,再遠(yuǎn)離B的過程時(shí)間.依據(jù)圖5此表格數(shù)據(jù),也可以清楚的看見頻率隨著時(shí)間而增加,而增加之后又迅速下降,對(duì)照表格數(shù)據(jù)和手機(jī)B上的波形圖可相互驗(yàn)證,從而加深理解多普勒效應(yīng).

        圖5

        生:教師示范實(shí)驗(yàn)后,學(xué)生分組實(shí)驗(yàn),2人為一組使用2個(gè)手機(jī),如下圖6所示:女生和男生兩人分別手持手機(jī)作為聲源和觀察接收者.女生手持一個(gè)手機(jī)移動(dòng),男生手持另一手機(jī)保持不動(dòng),則聲源和觀察接收者產(chǎn)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng).女生將手機(jī)聲源從左側(cè)移動(dòng)經(jīng)過男生手機(jī)后到右側(cè),隨著女生和男生的相對(duì)靠近,男生手機(jī)顯示頻率越來越高,女生手機(jī)經(jīng)過男生手機(jī)后又相對(duì)遠(yuǎn)離,頻率降低.之后,讓女生保持不動(dòng),讓男生向女生靠近后遠(yuǎn)離,使用同類方法和步驟重復(fù)多次,驗(yàn)證剛才得出的規(guī)律.之后將下表填下完整.

        圖6

        設(shè)計(jì)意圖與信息技術(shù)應(yīng)用:通過學(xué)生小組合作,分組實(shí)驗(yàn),使學(xué)生完全享受在沉浸式體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)和探究,不覺得學(xué)習(xí)是一種負(fù)擔(dān),興趣和主動(dòng)性完全被激發(fā).教師傳授完知識(shí)方法,引導(dǎo)發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新思維,開動(dòng)智慧親自動(dòng)手解決問題,進(jìn)一步鍛煉了科學(xué)思維和動(dòng)手探究能力.最后得出結(jié)果再與之前提出的規(guī)律相互驗(yàn)證,整體過程科學(xué)態(tài)度嚴(yán)謹(jǐn),邏輯過程嚴(yán)密.實(shí)驗(yàn)完成后表格填寫,又一次加深對(duì)知識(shí)的理解,培養(yǎng)了核心素養(yǎng)中的科學(xué)思維和科學(xué)探究.

        6 了解多普勒效應(yīng)的簡(jiǎn)單應(yīng)用

        師:布置任務(wù),組織學(xué)生網(wǎng)絡(luò)搜索多普勒效應(yīng)的應(yīng)用并要求展示.

        生:學(xué)生使用手機(jī)通過網(wǎng)頁(yè)查詢,自行拓展其應(yīng)用的相關(guān)知識(shí).依據(jù)自己查詢到的信息,綜合處理和組織后在課堂上講解具體用在哪些方面.比如在高速公路上用于交通測(cè)速和在醫(yī)學(xué)上用于超聲檢測(cè)等等.

        設(shè)計(jì)意圖與信息技術(shù)應(yīng)用:學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)查詢本節(jié)課相關(guān)知識(shí)的應(yīng)用,就能意識(shí)到當(dāng)代社會(huì)科學(xué)、日常生活與他們?cè)趯W(xué)校里所學(xué)到的物理知識(shí)是有緊密相關(guān).在理解科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境的關(guān)系基礎(chǔ)上形成對(duì)科學(xué)和技術(shù)應(yīng)有的正確態(tài)度以及責(zé)任感.

        7 總結(jié)評(píng)價(jià)和練習(xí)

        師:使用課前教師制作生成的問卷星調(diào)查問卷,發(fā)送鏈接共享.

        生:在線完成調(diào)查問卷和習(xí)題.

        設(shè)計(jì)意圖與信息技術(shù)應(yīng)用:通過問卷星程序制作問卷下發(fā)給學(xué)生,問卷里含有相關(guān)調(diào)查信息和課后習(xí)題,可以及時(shí)鞏固課后學(xué)習(xí)評(píng)價(jià),有助于加深知識(shí)理解,通過問卷調(diào)查后直接生成快捷的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),有助于教師了解本節(jié)課學(xué)習(xí)效果以及合作交流情況.其中91.3%的學(xué)生評(píng)價(jià)對(duì)本節(jié)課興趣濃厚,具體見以下表格.

        對(duì)本節(jié)課興趣互動(dòng)情況信息技術(shù)的幫助合作情況學(xué)習(xí)氛圍完成學(xué)習(xí)目標(biāo)較好以上91.3%95.65%93.48%75.22%95.65%100%

        綜上所述,本文闡述了物理課與信息技術(shù)有機(jī)融合中,對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)操作方法及工具設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化創(chuàng)新,無論是便捷度還是教學(xué)效果都有顯著提高.本文按照先提出物理問題、體驗(yàn)分析,到小結(jié)規(guī)律,驗(yàn)證規(guī)律最后到拓展知識(shí)、學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)的主線,運(yùn)用信息技術(shù)作為輔助手段融合教學(xué)理念和方法,完成了課程教學(xué)任務(wù),并且發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主體,學(xué)會(huì)在日常生活中培養(yǎng)科學(xué)的觀念和態(tài)度,運(yùn)用科學(xué)思維去探究解決問題,進(jìn)一步落實(shí)了核心素養(yǎng).

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