《多普勒效應》的微課程設計與實現

潘娜娜+李麗

摘 要：為了提高學生對生活中物理現象的觀察和科學探究能力，訓練學生的科學計算能力并輔助物理課程的教學以改善教學效果，本文以多普勒效應為例，依據提出問題、分析問題、內容學習、解決問題、可視化問題、問題拓展與資源拓展的設計思路介紹了這一知識點在微課程中的實現過程。

關鍵詞：多普勒效應 微課 設計 實現

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（c）-0191-02

多普勒效應是物理學中一個重要的內容，描述的是波源、觀察者相對于介質運動時，觀察者接收到的頻率與波源發出的頻率存在差異的現象，定性來說，只要波源與觀察者相互靠近，那么觀察者接收到的頻率高于波源頻率，反之，則低于波源頻率[1]。這種現象適用于所有類型的波并普遍存在我們的生活之中，而這種效應也被廣泛地應用于交通、通信、醫學、天文學等領域。

但是，筆者在教學過程中發現，歷屆學生在學習這一內容時經常存在理解困難導致掌握的效果不佳，部分學生一個學期學完了卻還不知道究竟什么是多普勒效應。因此，為了改善教學效果，提高教學效率，培養學生理論聯系實際的能力，幫助他們更好地理解生活中的多普勒效應并提高學生對生活中物理現象的觀察及科學探究能力，我們特別針對該問題設計了一個微課程，設計的思路如圖1所示，即包括提出問題、分析問題、內容學習、解決問題、可視化問題、問題拓展與資源拓展等七個部分。

第一步：提出問題。>問題的提出是微課程設計成敗的關鍵，好的微課程設計應當能夠快速吸引學生的學習興趣。筆者在該微課程設計的過程中，選取了熱點新聞即馬來西亞航班MH370失聯作為微課的引入。2014年3月8日，馬來西亞航空公司證實一架載有239人原定由吉隆坡飛往北京的波音777飛機與管制中心失去聯系。就在各國根據飛機原定航向投入大量搜救力量并期待乘客安全歸來的時候，3月24日馬來西亞總理卻宣布，國際海事組織認為馬航失聯航班MH370在飛行的過程中發生轉向并已在南印度洋墜毀。緊接著拋出問題“國際海事組織如何判定MH370最終的航向”激發學生的好奇心。筆者發現，通過這種與時事聯系的方式引入，可以有效地激發學生的學習興趣，使他們愿意并期待繼續了解與學習相關的內容。

第二步：分析問題——>繼續發問“我們如何實時監控飛機的位置與高度并獲取飛機的航向呢”，這里需要進行一些簡單的拓展向學生介紹一次雷達與二次雷達的工作原理，并在之后點題：國際海事組織在判定最終航向中利用了多普勒效應。此時，學生就會很迫切地希望詳細了解究竟什么是多普勒效應，而國際海事組織又是如何根據多普勒效應去尋找失聯飛機的。

第三步：內容學習。>物理知識的教學不應當僅僅局限于知識的本身，否則學生將變成背公式的機器。筆者認為，我們更應當教授他們人類在探索與認識這些知識背后所蘊藏的內容，因此該微課程的制作過程也充分重視了這一點，即將物理學史融入到物理的教學過程[2]。該部分首先介紹克里斯琴·約翰·多普勒發現多普勒效應的故事，給出多普勒效應的定性結果。接著以機械波為例，插入《生活大爆炸》第一季第六集的視頻片段讓學生通過里面的人物謝耳朵的肢體與聲音對多普勒效應產生感性認識，然后通過變量控制，定量分析波源和觀測者沿著兩者的連線時波源運動與觀測者運動時該效應產生的原因，并在此過程中注重物理思想的訓練與培養。

第四步：解決問題。>將機械波多普勒效應推廣到電磁波的多普勒效應，在此過程中為了繼續貫穿物理學史的教育，筆者認為可以根據微課程的制作需要插入克里斯琴·約翰·多普勒對恒星顏色認知、美國物理學家伍德闖紅燈、愛因斯坦相對論等內容的簡要介紹。最后，利用電磁波的多普勒效應，回歸馬航MH370航班的航向判定問題，引導學生自己通過多普勒效應的學習給出解釋，這一過程中注意對學生科學方法與科學思維的引導和訓練。

第五步：可視化問題。>伴隨MATLAB、Mathematica等數值仿真軟件的快速發展，科學計算日益成為學生一項重要的能力[3]。將數值仿真引入到物理的教學中，可以使學生更容易掌握物理概念與理解物理的內涵，并訓練學生的科學思維。為了提高學生通過科學計算處理實際問題的能力，筆者以汽車測速為例，利用MATLAB仿真[4]不同汽車的速度與頻率差別之間的關系，讓學生得到形象直觀的認識，并體會到物理、數學與計算機結合的思想在學習物理類課程中的應用。當然，這里也可以利用MATLAB制作成動畫的方式，以動態的形式向學生展示汽車在行進過程中車速、波長及頻率等物理量的變化，這樣的話演示效果會更好也更有趣。

第六步：問題拓展。>微課程的設計不僅應當讓學生帶著問題開始，更應該讓學生帶著問題結束。所以在這一部分，筆者認為可以設計一些啟發學生觀看完微課程后思考的問題，例如當波源與觀察者同時相對介質運動但是并未沿著兩者連線運動時，是否一定存在多普勒效應？波源及觀測者的速度大于介質中波速時將會出現什么情況。

第七步：資源拓展。>大學的課程教育應當變學生的被動學習為主動學習，所以筆者認為資源拓展這一部分的內容是不可缺少的。教師可以在這里通過圖片展示、提供鏈接等方式引導學生調研與知識點相關的內容，譬如多普勒效應在醫學（多普勒超聲儀）、通信（移動通信中的多普勒效應）、天文學（哈勃定律的發現）、分子旋轉多普勒效應等中的應用，并向學生提供更多的公開課視頻及書籍、參考文獻等資料，作為微課資源的有益補充，幫助他們加深對該問題的理解和認識。而事實上，這里的每一項資源拓展均可以作為微課程設計的第一部分，即可以放在第一步提出問題這里，作為多普勒效應微課程的導入內容。

特別需要指出的是，其中在第五步可視化問題中，我們將編制的MATLAB仿真程序作為微課程包的一個資源提供給學生，可以讓他們根據需要進行修改和親自實現仿真，這樣不僅能夠提高他們用數學軟件編程輔助物理學習的興趣，也讓他們學習到的編程語言得以應用，培養學生科學探究的能力。

隨著現代科技的發展，微課程日益成為我們日常工作與學習中一個重要的輔助工具，為了提高學生的學習興趣和改善教學效果，筆者將微課程引入到物理類課程的教學中，制作針對重難點知識的微課程以輔助教學的嘗試在我們的實踐中也被證明是有效的，同時更為后續的慕課建設積累了豐富的資源。

參考文獻

[1] 趙凱華，羅蔚茵.新概念物理教程：力學[M].2版.北京：高等教育出版社，2004.

[2] 于忠衛.物理教學中滲透物理學史教育的模式研究[D].蘇州大學，2004.

[3] 陳乾.MATLAB在大學物理中的應用[D].東南大學，2006.

[4] 張志涌，楊祖櫻.MATLAB教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2014.endprint