李韻琦 榮識廣

(湖南科技大學物理與電子科學學院 湖南 湘潭 411201)

1 引言

《普通高中物理課程標準(2017年版)》中指出:高中物理課程應當引導學生經(jīng)歷科學探究過程,體會科學研究方法,增強創(chuàng)新意識和實踐能力,形成科學態(tài)度、科學世界觀和正確價值觀[1].然而,在傳統(tǒng)教學課堂上,教師很容易將所謂的“正確答案”直接灌輸給學生,忽視了學生對物理知識概念建構、檢驗、應用的發(fā)展過程.趙凱華教授曾表示:教師容易將原始物理問題分解或抽象為某種數(shù)學模型后再傳授給學生,而習慣這樣解題方式的學生對于原始物理問題往往會束手無策.這反映了一個普遍的教學情況:教師通常會將現(xiàn)成的物理模型直接傳授給學生,忽視了培養(yǎng)學生建構物理模型的能力.

為了進一步提高課堂教學的效率,亞利桑那州立大學理論物理學家David Hestenes創(chuàng)立的一種教學模式——建模教學能給予我們很多啟發(fā)[2].此外,在現(xiàn)代信息技術快速發(fā)展的今天,多媒體軟件的應用也為建模教學提供了更廣闊的平臺,進一步放大建模教學的優(yōu)勢.

本文將以平拋運動為例,展示Algodoo軟件輔助下的建模教學在高中物理課程中的研究,并探討多媒體軟件輔助下的建模教學模式策略.

2 Algodoo輔助下的建模教學過程及策略

根據(jù)Halloun的建模步驟為基礎,能將建模教學的步驟分為5個過程,分別為選擇模型、建立模型、驗證模型、修正模型和模型應用[3].

2.1 模型選擇

模型選擇是體現(xiàn)學生心理圖式的過程,在遇到新的問題情景時學生會傾向選擇已知的模型進行解釋,在這個過程中教師要引導學生復習前置學習內容,檢驗學生對已建構模型的適用范圍、應用等是否熟知.接下來可以通過實例或實驗引起學生的認知沖突,引發(fā)認知需要,為接下來的模型建立做好鋪墊.

2.2 模型建立

建立模型不是一蹴而就的,學生需要反復建立、驗證、修正這樣的過程,不斷地修正自身的心智模型,才能使其更加貼合接近真實世界的概念模型[4-5].在這個過程中教師應輔助學生找到一般問題中的特征、本質和規(guī)律,通過提取歸納和總結的思維過程,簡化問題模型,并構建相應的物理模型.

此外,這個過程可以在Algodoo平臺上使用問題驅動導向的方式,設置有導向和明確教學目標的階段性任務,引導學生有目的、有計劃地在平臺上建構目標模型.設置的問題應遵循化繁為簡、循序漸進的原則,將復雜問題簡化為多個簡單模型,將一個問題分為多個小問題進行解決.

2.3 模型驗證及修正

在模型驗證中,可以使用Algodoo這個“白板”,讓學生的心智模型在自由度更高的信息平臺上展示.通過教師進行組織、學生小組合作交流,讓學生們能大膽猜想、天馬行空,在Algodoo上進行模擬并得到驗證,以此增加學生查漏補缺的效率,不斷驗證及修正自身模型.在這個過程中,學生應當了解到所建立模型的局限性及適用范圍.

2.4 模型應用

通過Algodoo能模擬物體運動的功能及簡約的動畫風格,能在一定程度上簡化復雜情景模型,學生能在Algodoo上模擬真實情景后,直觀地觀察到運動過程及運動特征,在此過程中學生能體會將實際問題中的對象轉化為物理模型的思維方法.

3 Algodoo軟件輔助下的建模教學應用

3.1 學情及教學目標分析

在學習本節(jié)平拋運動課程之前,學生已學習了曲線運動、合運動與分運動等知識概念.有研究也表明高中生已具備物理抽象思維能力,但處于形象思維轉變?yōu)槌橄笏季S的階段,還未發(fā)展成熟,這個階段的學生仍然還要依靠具體可觀察的事物才能更好地對問題進行分析.

根據(jù)課程標準對物理模型明確劃分的水平層次,學生在學習平拋運動的課程后應能描述平拋運動過程,知道平拋運動的運動特征,在情景中能運用平拋運動模型解決問題.

3.2 教學設計

(1)引入情景

師生活動:在課堂開始時,教師可以演示或放映一段生活中常見的平拋運動的例子,例如將粉筆水平拋出、演示足球平行飛出的視頻等等.通過情景引出所要解決的問題,即平拋運動的概念及特點.鞏固自由落體運動與勻速運動模型,分析在此問題情景中應選擇哪種模型解決,回想每種模型的適用范圍及局限性.

設計意圖:此階段處于根據(jù)情景問題選擇模型的環(huán)節(jié),學生通過之前的課程學習過自由落體運動和勻速直線運動,因此學生可能會選擇自由落體運動模型和勻速直線運動模型去解釋該問題情景,會發(fā)現(xiàn)無法完全適用于情景,從而引起認知沖突.

(2)新課講授

師生活動:讓學生通過Algodoo軟件設計場景并論證以下幾個問題.

1)小球在各方向上有什么樣的運動特點?

在Algodoo上建立理想環(huán)境下(無空氣阻力、摩檫力,設立質點模型等)的平拋運動模型,觀察其運動過程及特點,應用軟件內部自帶的圖表功能驗證自身的猜想,可以分別設置Y軸為位置(x)和位置(y)、速度(x)和速度(y)(圖1)、加速度(x)和加速度(y),得到平拋運動中的物體在不同方向上的運動特征.

圖1 平拋運動的各方向速度-時間圖像

水平方向上

x=v0tvx=v0ax=0

(1)

豎直方向上

(2)

結論:做平拋運動的物體在水平方向上做一定初速度的勻速直線運動,在豎直方向上做初速度為零的勻加速直線運動,其加速度恒為重力加速度g,即做自由落體運動.

2)平拋運動過程中豎直方向上的運動與水平方向上運動相互影響嗎?

首先,放置一個小球,將小球A鏡像復制后得到同等的另一小球B.接著,將兩球放置在同等高度,小球B獲得任意大小的初速度,開始自由下落,觀察現(xiàn)象.最后,保持其他的條件不變,改變小球B的初速度,觀察現(xiàn)象.對比多次這樣的實驗現(xiàn)象,可以得到結論,即當小球從同一高度下落時,不論小球在水平方向上的速度大小如何,小球在y方向上的速度變化快慢相同,并且經(jīng)過相同時間落地.

同樣地,驗證平拋運動水平方向上的運動特征時,可以把兩個小球放置在同一水平初始位置,然后在小球上施加同等大小的水平初速度.此外,可將兩小球分別設置不同的碰撞層,如將小球A設置為A層,將小球B設置為B層,以此可以達到小球在落地后重合并一起運動的現(xiàn)象,讓運動特征更加明顯突出(圖2).得到結論為不論小球在豎直方向上的速度變化,小球的水平位置變化始終一致.

圖2 驗證平拋運動水平方向上運動特征

結論:平拋運動過程中小球在豎直方向與水平方向的運動相互獨立,互不干擾.這被稱之為運動獨立性原理.

3)平拋運動的軌跡是怎樣的?

設置一個擁有水平初速度的小球,打開圖表,將X坐標設置為位置(x),將Y坐標設置為位置(y).點擊開始后,得到平拋運動的軌跡圖形,如圖3所示.

圖3 平拋運動的軌跡圖

學生可以大膽猜想該軌跡為拋物線.通過公式推導能進一步得到位置x與位置y的關系式即

(3)

可以將圖像上顯示的各點坐標代入關系式進行驗證,最終得到結論:平拋運動軌跡是一條拋物線.

設計意圖:通過對平拋運動的數(shù)學公式、圖形和圖表等表征形式的發(fā)現(xiàn)探索,使學生建立出立體的平拋運動的模型,在不同的物理情景中能識別出平拋運動的不同表征方式,將平拋運動的知識真正內化為自身的知識結構.

(3)鞏固提升

師生活動:

1)學生進行小組討論如何用語言描述平拋運動的過程及特征.

2)演示小錘擊打彈性金屬片的實體實驗,分析在實體實驗中可能會受到哪些次要因素的影響,分析該實驗的誤差.

3)在Algodoo上模擬設計實驗,了解現(xiàn)實條件下可能產(chǎn)生的誤差原因后,嘗試提出可行的實體實驗方案得到平拋運動的特征.

設計意圖:首先,通過小組之間的討論驗證模型并進行調整,也初步評估了學生對知識的掌握程度.其次,自主的教學方式調動了學生的自主能動性,使得課堂充滿趣味性.最后,此環(huán)節(jié)經(jīng)歷了從理想實驗環(huán)境到實體實驗的過渡環(huán)節(jié),使學生了解了對實驗結果產(chǎn)生影響的現(xiàn)實因素,學會分清主次,強調主要矛盾的科學思維.

(4)知識應用

師生活動：運用Algodoo模擬攻克難題.

【例1】A、B兩小球從相同高度同時水平拋出,經(jīng)過時間t在空中相遇.若兩球的拋出速度都變?yōu)樵瓉淼?倍,則兩球從拋出到相遇經(jīng)過的時間為多少?(2017年江蘇高考物理試卷第2題)

解析:設置兩個同等的小球在同一水平高度,兩小球分別獲得5 m/s、-8 m/s的速度,打開兩小球的圖表,將X坐標設置為時間,將Y坐標設置為力(x),得到兩小球發(fā)生碰撞的時刻,即曲線發(fā)生變化的時刻,記錄小球在0.62 s時發(fā)生碰撞(圖4).再使兩小球分別獲得10 m/s、-16 m/s的速度,即將兩個小球的速度大小分別變?yōu)樵瓉淼?倍,記錄小球在接近0.31時刻發(fā)生碰撞.可以證明小球速度變?yōu)樵瓉淼?倍,拋出后相遇的時間也為原來的2倍.通過分析總結再一次加強對平拋運動中運動獨立性原理的運用及理解.

圖4 兩小球發(fā)生碰撞的時間

設計意圖：通過Algodoo軟件的輔助讓學生突破重難點,掌握在問題情景中應用物理模型的思維和方法,在實際問題情景中能建立物理模型解決主要問題.

4 總結

近年來隨著科技的不斷發(fā)展,物理課堂中包括Algodoo軟件在內的多媒體軟件的應用逐漸普及化,打造信息化的先進課堂成為了教育改革的趨勢.雖然本文探討了在多媒體軟件輔助下的建模教學策略及教學設計,但對于現(xiàn)代化建模教學尚存的諸多問題還缺乏研究解決.例如:師生對Algodoo軟件運用的熟練度不足,自主探索學習的教學方式過分依賴于教師的專業(yè)能力及學生群體的基礎能力,現(xiàn)代化的建模教學離系統(tǒng)化、規(guī)范化還有很長一段距離等等,這些方面的不足還需要引起足夠重視.相信在師生的共同努力下,多媒體軟件輔助下的物理建模教學必將得到普及,并向系統(tǒng)化、規(guī)范化方向發(fā)展,促進教學質量的進一步提高.