文 迅,周 勛,周 艷,張祥贊
貴州師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院,貴陽 550025
物理課堂的交互是指物理教師與學(xué)生之間的交互、學(xué)生與學(xué)生之間的交互、師生與教學(xué)資源之間的交互以及師生與教學(xué)設(shè)備之間的交互。高質(zhì)量的交互過程有助于教學(xué)目標(biāo)的達成。長期以來,教材、教輔資料、投影儀等設(shè)備被認為是實現(xiàn)課堂教學(xué)可視化的主要工具,但其弊端是信息流通單向、使用途徑單一,無法滿足交互式可視化教學(xué)的要求。而手機軟件性能優(yōu)良、攜帶方便,是交互式可視化物理教學(xué)的得力助手。以手機軟件Star Chart(星圖)為例,給出開展交互式可視化物理教學(xué)的思路方法,供開展交互式可視化教學(xué)的物理教師參考。
Star Chart能通過先進的全球定位系統(tǒng)以及物理信息系統(tǒng),為用戶展示一個虛擬的宇宙空間,實時地模擬地球上可觀測的各種行星和天體。它可以模擬3D太陽系,包括太陽、行星等,其主要功能和操作方式如表1所示。在該軟件的基礎(chǔ)功能上挖掘出了三個交互可視化的物理教學(xué)方法。
表1 Star Chart軟件主要教學(xué)功能介紹
下面以人教版必修二第七章第1節(jié)“行星的運動”為例,進行案例分析。
從信息技術(shù)的視角來看,可視化就是通過計算機軟件將事物及其發(fā)展變化的形式和過程,用仿真化、形象化的方式表現(xiàn)出來[1]。
Star Chart不僅能展現(xiàn)天體的高清圖片和各種參數(shù),還可以模擬天體的運動,實現(xiàn)物理課堂的可視化教學(xué)。了解常見的天文現(xiàn)象是學(xué)習(xí)行星運動的基礎(chǔ),把天體的形狀和運動過程可視化,學(xué)生才能畫出天體運行的示意圖。
案例1:“天文現(xiàn)象”教學(xué)片段
師:你知道生活中有哪些常見的天文現(xiàn)象嗎?
生:日食,月食。
師:出現(xiàn)日食和月食現(xiàn)象的原因是什么?
生:光沿直線傳播。
師:接下來老師利用Star Chart模擬日食和月食現(xiàn)象。
師:操作軟件。
步驟:
①啟動軟件;
②點擊時間機器,把時間設(shè)置為2020年6月21日(出現(xiàn)日食的日期);
③點擊功能菜單,在下拉菜單“模式”中選擇“3D 探索模式”,如圖 1(a)所示;
④點擊“3D探索模式”,適當(dāng)滑動界面,界面中會出現(xiàn)太陽、地球、月球的3D影像,如圖1(b)所示;
⑤兩只手指同時接觸屏幕捏放改變界面大小,找到日食現(xiàn)象的最佳觀察視角,如圖1(c)所示;
圖1 Star Chart軟件模擬“日食”過程圖
⑥點擊時間機器,調(diào)節(jié)時間向未來流逝,可觀察日食現(xiàn)象的整個過程。
模擬月食現(xiàn)象時,時間設(shè)置為月食出現(xiàn)的日期2022年5月16日。步驟④改為:點擊“3D探索模式”后,自動跳回主畫面,界面呈現(xiàn)太陽、地球和月球的3D影像,在“天體搜索”中輸入“月球”,點擊屏幕上的“3D探索”圖標(biāo)進入(若看不見太陽的3D影像,可直接在“天體搜索”中輸入“太陽”)。其余步驟不變。
案例1中,教師通過軟件模擬再現(xiàn)天文現(xiàn)象,為課堂提供了豐富的可視化素材,滿足了學(xué)生對宇宙的探究欲。因此,在課堂中使用該軟件,不僅有利于學(xué)生理解天文現(xiàn)象的本質(zhì),還能提高學(xué)生的積極性和課堂的趣味性。
運動是視覺最容易強烈感知的現(xiàn)象[2]。傳統(tǒng)教學(xué)更多的是展示靜態(tài)的示意圖,學(xué)生難以想象天體的空間運動狀態(tài),不利于培養(yǎng)其空間想象能力。而Star Chart軟件為學(xué)生提供可視化的、動態(tài)的虛擬宇宙空間,學(xué)生可以從不同尺度和角度了解天體的運動狀態(tài),從而有效培養(yǎng)學(xué)生的三維空間思維。
案例2:“日心說”教學(xué)片段
師:日食、月食現(xiàn)象不僅證明了地球不是靜止不動的,還揭露了太陽、地球、月球的相對運動關(guān)系。另外,日食現(xiàn)象反駁了托勒密的“地心說”,支持了哥白尼的“日心說”。哥白尼提出行星和地球繞太陽做勻速圓周運動、只有月亮環(huán)繞地球運行的觀點?,F(xiàn)在,請同學(xué)們使用軟件,觀察各行星的運動方向和運動軌跡。
生:操作軟件。
步驟:
①啟動軟件;
②點擊功能菜單;
③點擊下拉菜單的“模式”,選擇“3D探索模式”;
④點擊“3D探索模式”,主界面出現(xiàn)地球的3D影像,在“天體搜索”中輸入“太陽”,點擊“3D探索”圖標(biāo),太陽的3D影像出現(xiàn)在屏幕正中央,如圖 2(a)所示;
⑤用兩根手指從屏幕邊緣向屏幕中央滑動,擴大觀察尺度,觀察各大行星的軌道形狀,如圖 2(b)所示;
⑥向屏幕下方滑動,改變觀察角度,當(dāng)界面不再改變時,表示從南極上空俯瞰太陽系,如圖2(c)所示;
圖2 學(xué)生操作軟件的部分過程圖
⑦點擊時間機器,加快時間流逝,觀察行星運動方向和軌跡。
案例2中,學(xué)生通過軟件改變觀察尺度的大小,了解太陽系的組成,認識各大行星距離太陽的遠近和次序,從而建構(gòu)太陽系的空間結(jié)構(gòu)。
調(diào)節(jié)時間機器向前或往后流逝,滑動屏幕,從多種角度觀察各大行星繞日運動的方向和軌跡,從而發(fā)現(xiàn)它們圍繞太陽運動而不是圍繞地球運動的現(xiàn)象。這些可視化操作有利于學(xué)生理解哥白尼提出的“日心說”,為學(xué)習(xí)開普勒運動定律打下基礎(chǔ)。
物理新課標(biāo)提出:“通過多樣化的教學(xué)方式,利用現(xiàn)代信息技術(shù),引導(dǎo)學(xué)生理解物理學(xué)的本質(zhì),增強科學(xué)探究能力和解決實際問題的能力”[3]。這就要求學(xué)生運用恰當(dāng)?shù)姆绞?,表達自己的見解、分享自己的探究過程和成果。該軟件支持信息分享,學(xué)生可將收集到的天體信息分享到QQ、微信等通信平臺。
案例3:“開普勒第一定律”教學(xué)片段
師:我們學(xué)習(xí)了哥白尼的“日心說”,你同意哥白尼提出的行星圍繞太陽運動的軌道是完美圓周的觀點嗎?現(xiàn)在,請同學(xué)們利用軟件,將收集到的證據(jù)截圖分享到班級微信群中,老師會隨機選擇一個同學(xué)的證據(jù),放到幻燈片上,并請他具體說明。
生:(展示證據(jù))圖3是Star Chart模擬的水星公轉(zhuǎn)軌道??梢钥闯觯菄@太陽運動的軌道不是完美圓周,而是橢圓。圖中數(shù)據(jù)顯示,2022年9月23日水星和太陽相距53.1百萬千米,而其他時間并不是這個值,這充分反駁了哥白尼提出的軌道是完美圓周的觀點。因此,可以得出結(jié)論:行星繞太陽運動的軌道是橢圓,太陽處在橢圓的一個焦點上。
圖3 “開普勒第一定律”教學(xué)片段交流圖
需要特別提醒的是,針對“分享菜單”存在缺陷的軟件版本,可以借助手機的“截屏”功能或“屏幕錄制”功能分享。
案例3中,學(xué)生學(xué)習(xí)完哥白尼的“日心說”相關(guān)知識后,通過人機交互、師生交互、生生交互的學(xué)習(xí)方式,將自己收集到的反駁“日心說”中行星圍繞太陽運動的軌道是完美圓周的觀點的證據(jù)分享到班級微信群中和全班同學(xué)交流。同時,分享交流也能鍛煉學(xué)生的信息收集、歸納和分析能力。
教育部發(fā)布的《關(guān)于實施全國中小學(xué)教師信息技術(shù)應(yīng)用能力提升工程2.0的意見》明確指出:“信息技術(shù)應(yīng)用能力是新時代高素質(zhì)教師的核心素養(yǎng)”[4]。新時代的教育不僅僅要求教師具備扎實的知識結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),還要求教師具備信息技術(shù)知識和應(yīng)用能力。學(xué)校可以通過觀摩學(xué)習(xí)、個人研修、參加集體培訓(xùn)等方式切實促進教師更新理念、提升信息化素養(yǎng)、增強資源整合與開發(fā)的意識等,提升教師隊伍的信息技術(shù)應(yīng)用能力。
教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容,選擇適當(dāng)?shù)氖謾C軟件,開發(fā)其教學(xué)功能,使其成為物理教學(xué)資源。例如,在進行“宇宙航行”教學(xué)時,教師可選擇專門模擬人造衛(wèi)星的天文軟件,呈現(xiàn)各種人造衛(wèi)星圍繞地球運行的實時畫面,并提問學(xué)生人造衛(wèi)星的運行軌道有什么共同特點。
在課堂教學(xué)中,并不是所有的教學(xué)環(huán)節(jié)都要用到手機軟件,不能盲目地追求手機軟件的應(yīng)用,背離教學(xué)的初心。因此,只在需要的環(huán)節(jié)才使用手機軟件進行教學(xué)演示或科學(xué)探究。教師在教學(xué)過程中,要安排好課堂的教學(xué)邏輯,將軟件的應(yīng)用步驟條理化。手機軟件的應(yīng)用要符合課堂教學(xué)的現(xiàn)實環(huán)境,符合學(xué)生的認知邏輯,顧及學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗。
在實際教學(xué)中,教師往往傾向于結(jié)論式的教學(xué)方式,忽略知識的探究過程,不能對學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果和學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的學(xué)習(xí)障礙進行及時反饋。因此,教師應(yīng)該重視學(xué)生遇到的疑惑。