《多普勒效應(yīng)》的微課程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

潘娜娜+李麗

摘 要：為了提高學(xué)生對(duì)生活中物理現(xiàn)象的觀察和科學(xué)探究能力，訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)計(jì)算能力并輔助物理課程的教學(xué)以改善教學(xué)效果，本文以多普勒效應(yīng)為例，依據(jù)提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、內(nèi)容學(xué)習(xí)、解決問(wèn)題、可視化問(wèn)題、問(wèn)題拓展與資源拓展的設(shè)計(jì)思路介紹了這一知識(shí)點(diǎn)在微課程中的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

關(guān)鍵詞：多普勒效應(yīng) 微課 設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）10（c）-0191-02

多普勒效應(yīng)是物理學(xué)中一個(gè)重要的內(nèi)容，描述的是波源、觀察者相對(duì)于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的頻率與波源發(fā)出的頻率存在差異的現(xiàn)象，定性來(lái)說(shuō)，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(xiàn)象適用于所有類(lèi)型的波并普遍存在我們的生活之中，而這種效應(yīng)也被廣泛地應(yīng)用于交通、通信、醫(yī)學(xué)、天文學(xué)等領(lǐng)域。

但是，筆者在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，歷屆學(xué)生在學(xué)習(xí)這一內(nèi)容時(shí)經(jīng)常存在理解困難導(dǎo)致掌握的效果不佳，部分學(xué)生一個(gè)學(xué)期學(xué)完了卻還不知道究竟什么是多普勒效應(yīng)。因此，為了改善教學(xué)效果，提高教學(xué)效率，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，幫助他們更好地理解生活中的多普勒效應(yīng)并提高學(xué)生對(duì)生活中物理現(xiàn)象的觀察及科學(xué)探究能力，我們特別針對(duì)該問(wèn)題設(shè)計(jì)了一個(gè)微課程，設(shè)計(jì)的思路如圖1所示，即包括提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、內(nèi)容學(xué)習(xí)、解決問(wèn)題、可視化問(wèn)題、問(wèn)題拓展與資源拓展等七個(gè)部分。

第一步：提出問(wèn)題。>問(wèn)題的提出是微課程設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵，好的微課程設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)能夠快速吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。筆者在該微課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，選取了熱點(diǎn)新聞即馬來(lái)西亞航班MH370失聯(lián)作為微課的引入。2014年3月8日，馬來(lái)西亞航空公司證實(shí)一架載有239人原定由吉隆坡飛往北京的波音777飛機(jī)與管制中心失去聯(lián)系。就在各國(guó)根據(jù)飛機(jī)原定航向投入大量搜救力量并期待乘客安全歸來(lái)的時(shí)候，3月24日馬來(lái)西亞總理卻宣布，國(guó)際海事組織認(rèn)為馬航失聯(lián)航班MH370在飛行的過(guò)程中發(fā)生轉(zhuǎn)向并已在南印度洋墜毀。緊接著拋出問(wèn)題“國(guó)際海事組織如何判定MH370最終的航向”激發(fā)學(xué)生的好奇心。筆者發(fā)現(xiàn)，通過(guò)這種與時(shí)事聯(lián)系的方式引入，可以有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使他們?cè)敢獠⑵诖^續(xù)了解與學(xué)習(xí)相關(guān)的內(nèi)容。

第二步：分析問(wèn)題——>繼續(xù)發(fā)問(wèn)“我們?nèi)绾螌?shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)的位置與高度并獲取飛機(jī)的航向呢”，這里需要進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的拓展向?qū)W生介紹一次雷達(dá)與二次雷達(dá)的工作原理，并在之后點(diǎn)題：國(guó)際海事組織在判定最終航向中利用了多普勒效應(yīng)。此時(shí)，學(xué)生就會(huì)很迫切地希望詳細(xì)了解究竟什么是多普勒效應(yīng)，而國(guó)際海事組織又是如何根據(jù)多普勒效應(yīng)去尋找失聯(lián)飛機(jī)的。

第三步：內(nèi)容學(xué)習(xí)。>物理知識(shí)的教學(xué)不應(yīng)當(dāng)僅僅局限于知識(shí)的本身，否則學(xué)生將變成背公式的機(jī)器。筆者認(rèn)為，我們更應(yīng)當(dāng)教授他們?nèi)祟?lèi)在探索與認(rèn)識(shí)這些知識(shí)背后所蘊(yùn)藏的內(nèi)容，因此該微課程的制作過(guò)程也充分重視了這一點(diǎn)，即將物理學(xué)史融入到物理的教學(xué)過(guò)程[2]。該部分首先介紹克里斯琴·約翰·多普勒發(fā)現(xiàn)多普勒效應(yīng)的故事，給出多普勒效應(yīng)的定性結(jié)果。接著以機(jī)械波為例，插入《生活大爆炸》第一季第六集的視頻片段讓學(xué)生通過(guò)里面的人物謝耳朵的肢體與聲音對(duì)多普勒效應(yīng)產(chǎn)生感性認(rèn)識(shí)，然后通過(guò)變量控制，定量分析波源和觀測(cè)者沿著兩者的連線時(shí)波源運(yùn)動(dòng)與觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)時(shí)該效應(yīng)產(chǎn)生的原因，并在此過(guò)程中注重物理思想的訓(xùn)練與培養(yǎng)。

第四步：解決問(wèn)題。>將機(jī)械波多普勒效應(yīng)推廣到電磁波的多普勒效應(yīng)，在此過(guò)程中為了繼續(xù)貫穿物理學(xué)史的教育，筆者認(rèn)為可以根據(jù)微課程的制作需要插入克里斯琴·約翰·多普勒對(duì)恒星顏色認(rèn)知、美國(guó)物理學(xué)家伍德闖紅燈、愛(ài)因斯坦相對(duì)論等內(nèi)容的簡(jiǎn)要介紹。最后，利用電磁波的多普勒效應(yīng)，回歸馬航MH370航班的航向判定問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生自己通過(guò)多普勒效應(yīng)的學(xué)習(xí)給出解釋?zhuān)@一過(guò)程中注意對(duì)學(xué)生科學(xué)方法與科學(xué)思維的引導(dǎo)和訓(xùn)練。

第五步：可視化問(wèn)題。>伴隨MATLAB、Mathematica等數(shù)值仿真軟件的快速發(fā)展，科學(xué)計(jì)算日益成為學(xué)生一項(xiàng)重要的能力[3]。將數(shù)值仿真引入到物理的教學(xué)中，可以使學(xué)生更容易掌握物理概念與理解物理的內(nèi)涵，并訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維。為了提高學(xué)生通過(guò)科學(xué)計(jì)算處理實(shí)際問(wèn)題的能力，筆者以汽車(chē)測(cè)速為例，利用MATLAB仿真[4]不同汽車(chē)的速度與頻率差別之間的關(guān)系，讓學(xué)生得到形象直觀的認(rèn)識(shí)，并體會(huì)到物理、數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)結(jié)合的思想在學(xué)習(xí)物理類(lèi)課程中的應(yīng)用。當(dāng)然，這里也可以利用MATLAB制作成動(dòng)畫(huà)的方式，以動(dòng)態(tài)的形式向?qū)W生展示汽車(chē)在行進(jìn)過(guò)程中車(chē)速、波長(zhǎng)及頻率等物理量的變化，這樣的話演示效果會(huì)更好也更有趣。

第六步：?jiǎn)栴}拓展。>微課程的設(shè)計(jì)不僅應(yīng)當(dāng)讓學(xué)生帶著問(wèn)題開(kāi)始，更應(yīng)該讓學(xué)生帶著問(wèn)題結(jié)束。所以在這一部分，筆者認(rèn)為可以設(shè)計(jì)一些啟發(fā)學(xué)生觀看完微課程后思考的問(wèn)題，例如當(dāng)波源與觀察者同時(shí)相對(duì)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)但是并未沿著兩者連線運(yùn)動(dòng)時(shí)，是否一定存在多普勒效應(yīng)？波源及觀測(cè)者的速度大于介質(zhì)中波速時(shí)將會(huì)出現(xiàn)什么情況。

第七步：資源拓展。>大學(xué)的課程教育應(yīng)當(dāng)變學(xué)生的被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，所以筆者認(rèn)為資源拓展這一部分的內(nèi)容是不可缺少的。教師可以在這里通過(guò)圖片展示、提供鏈接等方式引導(dǎo)學(xué)生調(diào)研與知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的內(nèi)容，譬如多普勒效應(yīng)在醫(yī)學(xué)（多普勒超聲儀）、通信（移動(dòng)通信中的多普勒效應(yīng)）、天文學(xué)（哈勃定律的發(fā)現(xiàn)）、分子旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)等中的應(yīng)用，并向?qū)W生提供更多的公開(kāi)課視頻及書(shū)籍、參考文獻(xiàn)等資料，作為微課資源的有益補(bǔ)充，幫助他們加深對(duì)該問(wèn)題的理解和認(rèn)識(shí)。而事實(shí)上，這里的每一項(xiàng)資源拓展均可以作為微課程設(shè)計(jì)的第一部分，即可以放在第一步提出問(wèn)題這里，作為多普勒效應(yīng)微課程的導(dǎo)入內(nèi)容。

特別需要指出的是，其中在第五步可視化問(wèn)題中，我們將編制的MATLAB仿真程序作為微課程包的一個(gè)資源提供給學(xué)生，可以讓他們根據(jù)需要進(jìn)行修改和親自實(shí)現(xiàn)仿真，這樣不僅能夠提高他們用數(shù)學(xué)軟件編程輔助物理學(xué)習(xí)的興趣，也讓他們學(xué)習(xí)到的編程語(yǔ)言得以應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力。

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，微課程日益成為我們?nèi)粘９ぷ髋c學(xué)習(xí)中一個(gè)重要的輔助工具，為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和改善教學(xué)效果，筆者將微課程引入到物理類(lèi)課程的教學(xué)中，制作針對(duì)重難點(diǎn)知識(shí)的微課程以輔助教學(xué)的嘗試在我們的實(shí)踐中也被證明是有效的，同時(shí)更為后續(xù)的慕課建設(shè)積累了豐富的資源。

參考文獻(xiàn)

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