用“數字化學習”進行學科深度融合

張燕紅 畢文慧

數字化生活、數字化學習，這是在信息技術課程中落實學科間深度融合的重要領域。在這個領域可以相對單純地利用技術去研究、解決實際問題，而不必過多顧及技術的操作要點、技術的原理探究等，讓科學的深度融合丟掉很多包袱。在這樣的數字化學習進程中，我們需要參考STEAM的理念，時刻關注科學精神、技術技能、工程思想、藝術審美、數學思維的運用。我們用“物理引擎（Algodoo）”數字實驗室軟件，探究物理問題，觀察物理現象，發現物理規律，開展數字化學習，供大家參考討論。

數字化學習準備：科學實驗是發現真知的最奇妙的道路

1.明確數字化學習的意義

數字實驗室，雖然不能代替真實的實驗室，但是它可以讓實驗更容易、更快捷，并且能夠完成很多現實中不容易完成的實驗，它是探究問題的好工具。數字實驗室有很多種，如可以探究數學的“幾何畫板”，探索物理的“物理引擎（Algodoo）”，研究地理的“谷歌地球”，還有與真實實驗室通過傳感器相連的數字實驗設備等。

2.物理學科的問題選擇

物理中有很多有趣的實驗，如浮力、摩擦力、光的反射與折射等。你對哪個實驗有疑惑，就可以通過Algodoo軟件來設計自己的探究項目，在探究中觀察實驗現象，總結實驗規律，并提高自己利用數字實驗室的技能。

3.數字化學習軟件推薦

Algodoo軟件能夠自動化、智能化地完成運動、光、機械等多方面的實驗設計，甚至可以自由繪制元件、自行設計實驗。例如，教師可以結合物理學習中的力學、光學等進行問題研究，使學生體驗數字化實驗的美麗，培育其數字化學習的素養。

數字化學習項目指導：探究光的傳播規律

1.學科問題的引出

你知道“光年”這個詞匯嗎？這個單位是表示時間的還是距離的呢？

光的現象非常有趣，大到“月相”那樣的宇宙現象，小到“光合作用”這樣的微觀現象，光可以說是我們人類最核心的需求之一。因此，光學研究是一個永恒的使命。

隨著學習的深入，我們會對光的現象與規律有更多的疑惑，如光真是沿直線傳播的嗎？光真是由各種光合成的嗎？現在就讓我們用數字實驗來一步步尋找答案吧。

2.學科探究的過程

在實驗之前，我們不妨先制定一個探究方案，包括實驗內容、實驗的數字器材和實驗結論等。當然，因為現在是初學數字化實驗，也可以先針對實驗進行嘗試，先體驗技術再設計更合理的實驗方案，進行更豐富的研究。學生探究過程與教師技術指導如下。

（1）光直線傳播的條件

①建立檔案。啟動Algodoo軟件，新建一個背景是暗色的檔案，并保存。

②制作光源。使用鐳射筆工具，創建一個光源。并探索如何移動、旋轉光源，如何調整光的顏色、粗細等參數。

③觀察光在玻璃透鏡內外的傳播路徑。使用方框工具，繪制一個方塊，觀察光的傳播現象；右擊設置一個材質為玻璃的透鏡，觀察光的傳播路徑與發生的現象，并討論原因；制作更大的玻璃塊，觀察光在玻璃內部的傳播路徑。嘗試旋轉一下玻璃，讓光不是垂直射入玻璃，你能觀察到光的傳播路徑有什么變化？

④觀察光在液體內外的傳播路徑。選中玻璃透鏡逐一刪除，并旋轉光源；使用畫筆在底部繪制一個器皿；在器皿上方制作一個較大的方塊，執行右鍵菜單中的“液化所選物件”；執行控制條上的播放按鈕，播放動畫效果；觀察光線在液體內外的傳播路徑。

⑤右擊液體，改變其光的折射率，觀察光傳播路徑的變化；液體中再次混入其他液體，觀察光傳播路徑的變化。

參考以上技術，制定自己的實驗方案，研究光在相同、不同的傳播介質中的傳播路徑有何變化，由此可以驗證、總結出光的哪些傳播規律？

（2）探究光色散的奧秘

牛頓是第一個做光的色散實驗的人，他發現了光譜，否定了那些憑經驗認為白光是沒有顏色的光組成的人的觀點。這也告訴了我們一個道理，經驗主義在科學實驗面前是多么的蒼白無力。

白光為什么能夠色散出各色的光呢？參考以下的實驗，讓我們邊觀察，邊思考，共同討論、探索。

①觀察單色光通過三棱鏡的現象。制作一個單色光源，如紅色；使用多邊形工具，用Shift鍵配合，繪制一個三邊是直線的封閉圖塊；使用材質功能，更換為玻璃材質；觀察光折射后的現象。選中光源，執行右鍵菜單的“復制”，移動對齊兩個光源，更換其中一個光源為另外的單色光，觀察哪些單色光折射后是在紅光上面，哪些是在紅色下面（如圖1）。

由以上對比實驗，可以總結出，在相同的情況下，不同的單色光的折射角有什么差異？

②觀察白光通過三棱鏡的現象。更換光源為白光，觀察色散現象；使用圓形、矩形等透鏡，觀察散射現象的不同程度（如下頁圖2）。

經過上面的實驗，討論不同透鏡的折射功能有何不同？思考：為什么要用三棱鏡進行實驗？

3.要擅于利用教程和幫助學習技術

在技術學習與作品創作中，我們遇到問題，除去討論、搜索之外，更要善于使用幫助，幫助往往是最好的教程。一般的教程或幫助是單獨提供相關文檔或菜單功能，而Algodoo這款軟件提供的教程是在操作界面上直接指示操作的位置與功能，并進行相應的解說。

①跟著幫助中的教程學習，探究摩擦力或浮力實驗。啟動Algodoo軟件，單擊“？”，選擇“物體滑動的摩擦”，然后就可以通過“下一步”按鈕，直觀地、一步一步地學習相關的技術，設計對比實驗，探究摩擦力的有關問題。

②調用范例程序學習技術，探究超重與失重現象。啟動Algodoo軟件，執行“檔案”“讀取場景”，調用“elevator”（電梯）范例程序（如下頁圖3），通過指標用箭頭鍵控制電梯，觀察超重、失重現象。參考有關技術，學生們以小組為單位，設計自己的實驗，研究超重與失重。

數字化學習交流總結：學科學習與技術技能共同成長

本次學習，學生主要以物理引擎（Algodoo）軟件設計自己的實驗，進行學科問題的探究。教師鼓勵學生運用物理知識去仿真設計體現自己思維創新的實驗。模仿是技術學習的基礎，但是更高的層次應是運用技術、知識去創新，去創造，這樣才能發展自己的創新思維。在交流中，教師建議學生們大膽秀出自己的設計，即使是一個很小的物理元件或者部分的機械構造，都會展現他們創新思維的成長與技術技能的進步。

在交流時希望大家關注以下兩個角度。第一，用了什么方法進行實驗探究，如在實驗中對比現象，在實驗中分析數據，在實驗中質疑反正，在現實中創新嘗試等。第二，采用了哪些技術，如何運用技術去設計實驗，探究問題，如使用了不同的“材質”變化對比浮力的大小，使用了“復制”“液化”技術獲得等體積的排水量等。

總之，數字化學習既要遵循科學性，又要發揮技術的高效、直觀、快捷等優勢，只有這樣才能讓我們的學習更有效益。另外，筆者還建議大家去了解、探索更多的其他學科的仿真實驗的軟件，通過實驗心得的展示、分享，促進學科學習與技術技能共同成長。