基于現(xiàn)代信息技術(shù)的大學(xué)物理形象化教學(xué)

覃方麗

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 理學(xué)院，北京 102249)

1 大學(xué)物理形象化教學(xué)的背景

大學(xué)物理理論性強(qiáng)、高度抽象的特點(diǎn)使學(xué)生在課堂上理解困難，有些物理圖像超出學(xué)生的想象，使學(xué)生望而生畏.在課堂上將抽象化的物理知識(shí)形象化、直觀化，是大學(xué)物理教師努力的方向之一.

日新月異、層出不窮的現(xiàn)代技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)形象化大學(xué)物理課堂教學(xué)提供了手段.近來(lái)，現(xiàn)代信息技術(shù)在MOOC(慕課)[1-4]、同伴教學(xué)法[5-7]、SPOC[8]等新教學(xué)模式中發(fā)揮了重大作用[9]，有效提高了大學(xué)物理教學(xué)效率.但針對(duì)大學(xué)物理理論性強(qiáng)、高度抽象化的特點(diǎn)，這些新教學(xué)模式并未從根本上解決教師教學(xué)、學(xué)生學(xué)習(xí)的困難.除了利用這些新教學(xué)模式外，物理教學(xué)還應(yīng)充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)使抽象的物理知識(shí)形象化，增加教學(xué)過(guò)程中的互動(dòng)性，從而使難以理解的概念變得直觀、易懂，以利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高大學(xué)物理教學(xué)質(zhì)量.

2 大學(xué)物理形象化教學(xué)的現(xiàn)代信息技術(shù)手段及其實(shí)例

實(shí)現(xiàn)大學(xué)物理形象化教學(xué)的現(xiàn)代信息技術(shù)手段很多，且其發(fā)展日新月異. 以下介紹筆者在大學(xué)物理課堂教學(xué)中應(yīng)用手機(jī)、數(shù)值模擬、現(xiàn)代智能設(shè)備等現(xiàn)代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)形象化教學(xué)的幾個(gè)實(shí)例.

2.1 應(yīng)用手機(jī)演示“拍”和“光的偏振”

手機(jī)集成了眾多現(xiàn)代科學(xué)技術(shù).目前手機(jī)已經(jīng)普遍應(yīng)用于課堂教學(xué)中，如教學(xué)互動(dòng)、簽到、測(cè)試等.近年來(lái)眾多物理教師開(kāi)始重視手機(jī)在物理實(shí)驗(yàn)中的作用，開(kāi)發(fā)了許多相關(guān)應(yīng)用[10-12].

應(yīng)用手機(jī)聲音發(fā)生器的相關(guān)APP可以演示“拍”現(xiàn)象.圖1(a)和圖1(b)分別顯示了應(yīng)用“Frequency Sound Generator”APP和“多頻振動(dòng)launch”APP演示“拍”現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn).授課時(shí)，教師可發(fā)給學(xué)生一個(gè)頻率未知的正弦波聲信號(hào)，讓學(xué)生自行應(yīng)用手機(jī)合成“拍”現(xiàn)象，測(cè)量教師所給信號(hào)的頻率，從而體驗(yàn)“拍”的應(yīng)用，加深理解“拍”產(chǎn)生的原理.此外，應(yīng)用“多頻振動(dòng)launch”APP中“音符”功能下發(fā)出的音樂(lè)可以輔助解釋樂(lè)器的調(diào)音原理(圖2(a))；應(yīng)用“自動(dòng)頻率變化”功能可體驗(yàn)“多普勒效應(yīng)”(圖2(b)).

圖1 手機(jī)APP演示“拍”現(xiàn)象

圖2 應(yīng)用“多頻振動(dòng)launch”APP

手機(jī)可以應(yīng)用于“光的偏振”課堂演示.授課時(shí)指導(dǎo)學(xué)生將偏振眼鏡的一個(gè)鏡片置于手機(jī)液晶屏前，轉(zhuǎn)動(dòng)鏡片，觀察到兩種現(xiàn)象：消光(圖3(a))和不消光.在不消光的手機(jī)上再加一幅偏振眼鏡，旋轉(zhuǎn)鏡片，觀察到消光現(xiàn)象(圖3(b))，且兩個(gè)鏡片夾角為90度.此手機(jī)發(fā)出的光是什么偏振態(tài)呢？用四分之一波片和一個(gè)偏振片檢驗(yàn)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)有些手機(jī)發(fā)出的光為橢圓偏振光.為什么出現(xiàn)橢圓偏振光？教師提出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)討論得出結(jié)論：手機(jī)屏幕膜的“雙折射”性質(zhì)導(dǎo)致了橢圓偏振光的出現(xiàn).這樣，學(xué)生應(yīng)用手機(jī)作為光源，將“光的偏振”現(xiàn)象、偏振態(tài)的檢驗(yàn)、“雙折射”的概念形象地“串”在一起了.

圖3 手機(jī)屏幕偏振實(shí)驗(yàn)

2.2 應(yīng)用數(shù)值模擬制作形象化的大學(xué)物理教學(xué)課件

目前課件中常見(jiàn)的示意圖，往往粗糙、不準(zhǔn)確，有時(shí)甚至給學(xué)生帶來(lái)誤解.例如，講解單縫衍射的明紋寬度時(shí)，采用如圖4(a)所示的示意圖，學(xué)生很難理解計(jì)算明紋寬度就是計(jì)算其相鄰的兩個(gè)暗紋中心的坐標(biāo)差.數(shù)值模擬形成的圖像準(zhǔn)確、逼真，學(xué)生理解更加容易(圖4(b)).

圖4 單縫衍射條紋

應(yīng)用數(shù)值模擬以及圖像，展示抽象化的物理公式或者結(jié)論，能使學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解比用解析方法更深刻.例如，應(yīng)用Matlab平臺(tái)數(shù)值模擬簡(jiǎn)諧振動(dòng)合成(圖5)，學(xué)生自行設(shè)置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同簡(jiǎn)諧振動(dòng)合成的可視化.

圖5 數(shù)值模擬軟件形象化簡(jiǎn)諧振動(dòng)合成

2.3 動(dòng)畫(huà)課件實(shí)現(xiàn)形象化教學(xué)

動(dòng)畫(huà)課件是實(shí)現(xiàn)形象化課堂教學(xué)的又一重要手段.例如在“光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)”教學(xué)中，動(dòng)畫(huà)課件實(shí)現(xiàn)了一些抽象知識(shí)點(diǎn)的形象化.

幾何光學(xué)認(rèn)為物點(diǎn)成像為一個(gè)像點(diǎn).但是，根據(jù)圓孔的夫瑯禾費(fèi)衍射原理，物點(diǎn)經(jīng)圓孔(如人眼)夫瑯禾費(fèi)衍射，所成的像是占入射光強(qiáng)能量約84%的艾里斑，艾里斑周圍是明暗相間的同心圓環(huán).艾里斑的半徑r滿足

(1)

式(1)中，f是透鏡焦距，θ是艾里斑的角半徑，λ是入射光波長(zhǎng)，D為圓孔的直徑.f、λ不變，增加D，艾里斑會(huì)變小；D>>λ時(shí)，各級(jí)衍射明紋密不可分，顯示為一個(gè)亮點(diǎn)，因此得出結(jié)論：傳統(tǒng)的幾何光學(xué)是波動(dòng)光學(xué)在D>>λ時(shí)的極限情形，此結(jié)論可用動(dòng)畫(huà)演示.用Matlab數(shù)值模擬出D變化時(shí)的多張衍射圖，將這些圖用PPT動(dòng)畫(huà)刷制作成動(dòng)畫(huà)課件，演示物點(diǎn)成像的像斑在增加D之后，逐漸變化成一個(gè)像點(diǎn)(部分截圖見(jiàn)圖6).

圖6 物點(diǎn)成像從像斑到像點(diǎn)的變化過(guò)程截圖

“瑞利判據(jù)”也可用動(dòng)畫(huà)演示.將兩個(gè)物點(diǎn)的距離改變導(dǎo)致相應(yīng)的艾里斑變化形成動(dòng)畫(huà)，觀察兩個(gè)物點(diǎn)從能被分辨到不能被分辨的過(guò)程.動(dòng)畫(huà)中圖7所示的三種典型情況為：兩個(gè)艾里斑能被分辨(圖7(a))，恰能被分辨(圖7(b))，不能被分辨(圖7(c))，為這3種情況設(shè)置點(diǎn)擊動(dòng)作并講解，且在恰能分辨處(圖7(b))引導(dǎo)學(xué)生觀察，發(fā)現(xiàn)一個(gè)艾里斑的中心恰與另一個(gè)艾里斑的第一級(jí)暗紋重合，學(xué)生對(duì)瑞利判據(jù)的理解形象化了.

圖7 兩個(gè)像斑能否被分辨動(dòng)畫(huà)截圖

根據(jù)瑞利判據(jù)，透鏡的最小分辨角δθ等于艾里斑的角半徑，即

(2)

學(xué)生觀察f、D不變，波長(zhǎng)λ減小導(dǎo)致艾里斑變化的動(dòng)畫(huà)(部分截圖見(jiàn)圖8)，發(fā)現(xiàn)波長(zhǎng)λ減小了，艾里斑半徑r會(huì)變小.根據(jù)式(1),艾里斑的角半徑θ相應(yīng)減小；根據(jù)式(2),透鏡的最小分辨角δθ也會(huì)減小，δθ減小意味著儀器的分辨率的提高.因此得出結(jié)論：可以通過(guò)減小波長(zhǎng)λ提高儀器的分辨本領(lǐng).

圖8 不同入射光波長(zhǎng)成像效果對(duì)比圖

2.4 應(yīng)用現(xiàn)代智能設(shè)備收集和剪輯生活中的物理實(shí)例

現(xiàn)代智能設(shè)備使得收集和編輯生活中體現(xiàn)物理知識(shí)的實(shí)例更加容易.應(yīng)用生動(dòng)淺顯的生活實(shí)例表達(dá)抽象的物理概念，可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)概念本質(zhì)的直覺(jué)認(rèn)識(shí).例如，行車記錄儀記錄了夜晚迎面行駛而來(lái)的汽車車前燈，遠(yuǎn)看是一個(gè)亮點(diǎn)(圖9(a))，近看是兩個(gè)(圖9(b))，這與“光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)”有關(guān)，可用“愛(ài)剪輯”等軟件進(jìn)行必要剪輯后應(yīng)用于課堂，用瑞利判據(jù)解釋：遠(yuǎn)處，兩個(gè)車前燈對(duì)成像設(shè)備鏡頭所成的夾角α小于成像設(shè)備的最小分辨角δθ，兩個(gè)車前燈不能被分辨；到了近處，α>δθ，兩個(gè)車前燈能夠被分辨.

圖9 夜晚車前燈視頻截圖

3 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代信息技術(shù)的進(jìn)步為大學(xué)物理形象化的課堂教學(xué)提供了手段，使大學(xué)物理課堂教學(xué)更加精準(zhǔn)和高效，達(dá)到教育中“潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲”的效果.作為大學(xué)物理教師，應(yīng)當(dāng)緊跟科技發(fā)展大潮，積極將其融入課堂教學(xué)，激發(fā)學(xué)生興趣，提高教學(xué)質(zhì)量.