“簡諧運動”數字化教學的實踐與思考

隨著課改深入推進，中學教學聚焦于學生核心素養發展。在此背景下，深度學習受到高度關注。深度學習是一種基于理解的學習，即學生面對特定的學習主題，在教師引導下積極主動地掌握學科的核心知識和思想方法，優化自身的認知結構，并在新情境中遷移應用所學知識^[1]。學生具有完善的認知結構和高階的綜合能力，在高投入的學習狀態才能深度學習。信息技術融入物理學科教學，正逐步成為物理課堂教學的有效手段。合理使用信息技術，能有效促進物理深度學習的發生，包括學生學習興趣的激發、學習過程的體驗、科學思維的發展、學習成果的遷移等。下面以“簡諧運動”為例，談信息技術對物理深度學習的助力。

一、借聲像資源調動學生視聽感官

物理教學中教師應盡可能調動學生的感官，讓學生獲得豐富的學習體驗，為深入理解物理概念、規律奠定基礎。簡諧運動是基本的機械振動，生活中機械振動現象普遍存在。為了喚醒學生的生活體驗，增強學生的感性認識，筆者播放相關的聲像資料，踐行“從生活走向物理，從物理走向社會”的教學理念。

（一）在音樂欣賞中引入課題

音樂是樂器有規律振動產生的。上課伊始，筆者為學生播放一段音樂，吸引學生的注意力，并以音樂為情境提出問題。音樂由一個個音節組成。在學生聽完一段音樂后，筆者演示音叉被敲擊發出的一個音節，引導學生觀察叉股的振動。這個過程中應用了一種研究方法：研究發出一個個音節組成的音樂的樂器振動規律，必先研究發出一個音節的樂器振動規律。研究周期性的振動規律也是如此，首先要研究一個周期內的振動規律。

（二）在視頻觀看中概括振動的運動特征

筆者將生活中不同的振動場景拍攝成視頻，剪切精選后播放給學生看，然后截取視頻中的一些圖片，引導學生分析各種振動的共同特征。學生通過觀看影像資料獲得豐富的感性認識，經歷從感性認識到理性分析的過程，提高了抽象概括的思維能力，理解了機械振動概念。

（三）在動畫模擬中認識理想模型

物理中有多種理想模型，包括對象模型、過程模型等。深入認識理想模型對解決物理問題能力的培養具有重要作用。理想模型是人腦對實際事物的科學抽象，難以用實驗完美演示，但教學中教師可以借助信息技術模擬演示，幫助學生建構正確的模型。簡諧運動是理想的過程模型，彈簧振子是研究簡諧運動理想的對象模型。教師通過實驗演示氣墊導軌上滑塊在彈簧作用下的振動時，振動的振幅會因為阻力作用而逐漸減小。氣墊導軌上的滑塊、彈簧系統不是嚴格意義上的彈簧振子，彈簧振子的振動需要在此基礎上進行推理和想象。筆者在學生想象的基礎上用Flash等軟件制作動畫進行模擬演示（如圖1），深化學生對彈簧振子模型的認識，強化其對簡諧運動特征的感性認識。

二、用多媒體技術推進探究學習

在探究物理規律的教學中，一些物理量難以準確測量導致探究學習無法深入進行，教師往往以“科學研究表明”等說法直接給出結論，造成學生無法獲得探究規律的體驗。如以探究式學習的方式研究簡諧運動的振動圖像，教師可先讓學生根據之前所學知識嘗試畫圖，然后通過演示實驗進行定性驗證，但要定量探究圖像規律就需要測量不同時刻的位移，顯然沒有信息技術支持難以在課堂上實施。教學中，教師常用以下兩種方法處理問題。

（一）手機視頻拍攝

筆者用手機拍攝一段小球在彈簧作用下振動的視頻，然后將視頻導入電腦，進行播放（用暴風影音等軟件），間隔相同幀輸出圖片，對這些圖片按順序編號。

筆者將這些圖片批量導入Word或PPT中（它們都重疊在一起），全部選中，調整大小到合適尺寸，將最上面一張圖片向右平移一段距離（如圖2）。

筆者將圖片全部選中，使用“分布與對齊”中“橫向分布”功能進行排列（如圖3）。

筆者將圖片組合在一起，復制到畫圖軟件中，去掉右邊物體，即生成一張簡諧運動的振動圖像。每幀圖片的時間間隔可以從設置中查得，小球各時刻的位移值可以通過放置的刻度尺讀出。在此基礎上，筆者引導學生進一步探究圖像變化的規律。

（二）數字化實驗

位移傳感器可以直接采集物塊在彈簧作用下振動過程中不同時刻的位移值（如圖4和圖5）。通過數字化信息系統（DIS）還可以直接顯示位移-時間圖像。圖像上各點的數據坐標容易讀取，這有利于學生定量探究。借助DIS標準的函數曲線擬合實驗所得的圖像，可檢驗實驗圖像的性質。

三、實時精準反饋助力反省思維發展

學生的思維是內隱的。教師在課堂教學中需要想方設法呈現學生的思維過程，探明學生的真實想法或診斷學生對所學知識的掌握程度，有針對性地組織后續教學活動。學生得到及時精準的反饋或教師的即時性評價后，在教師指導下反思自己的思維過程，促進元認知能力的提高。在簡諧運動教學中，筆者在引導學生探究彈簧振子的振動圖像時，及時了解學生自主探究所能達到的程度，在其探究得出簡諧運動規律后，進一步了解其對所學規律的理解程度。筆者借助信息技術手段實現實時精準反饋。

（一）手機同屏展示

學生在通過實驗獲得振動圖像之前，運用之前所學知識也可以初步畫出彈簧振子的位移-時間圖像，但一些學生會產生錯誤的想法。這個環節是學生遷移之前所學知識到當前新情境中的應用過程，對發展學生的思維能力很有幫助。筆者盡可能給學生嘗試的機會，并呈現學生的思維過程，引導學生交流評價。傳統的做法是讓個別學生上臺板演，但板演的圖像不一定能呈現典型問題或者不能反映多個問題。目前比較流行的做法是應用手機同屏軟件，將教師在走動過程中發現的多個典型問題直接用手機拍攝下來，并通過同屏軟件投影到電子屏上，方便全體學生觀看討論，實現課堂動態生成資源的有效利用。

（二）借助平板電腦實現隨堂練習的精準反饋

在學生習得簡諧運動概念及其圖像性質后，如何知曉他們是否準確理解了圖像的意義，是否能夠通過振動圖像判定一種振動為簡諧運動，教師需要隨堂檢測學生的知識掌握程度。但課堂時間非常有限，教師難以在短時間內統計紙質答題情況。有條件的學校，教師可以借助學生人手一臺的平板電腦，讓學生在平板電腦上隨堂練習。軟件系統可以及時給學生反饋信息，為教師提供全體學生作答的準確率和出錯類型統計等信息。教師可以根據統計信息及時組織教學，并進行有針對性的分析、評價，幫助學生建構正確的知識結構^[2]。

四、建資源庫助力遷移能力提升

讓學生將所學知識在新情境中進行遷移應用，能夠促進學生對所學知識的深入理解，同時培養學生解決問題的能力，實現深度學習。教師在課后會布置作業讓學生完成，但在班集體授課制下，不同學生學完同一節課后，對知識的掌握程度存在差異。如果給學生布置相同的練習作業，有的“吃不了”，有的“吃不飽”。如何為不同層次的學生設計適合的分層作業成了教學難題。有了人工智能技術加持，該難題迎刃而解。學校建設資源庫并應用大數據技術可以幫助教師向學生推送個性化作業，有效滿足不同層次學生的發展需求。對教師而言，運用技術建設好資源庫是關鍵。以簡諧運動的作業設計為例，相應的資源庫建設應包含以下幾部分內容。

（一）夯實基礎知識，形成物理觀念

一是開展讀圖訓練：教師給出振動圖像，讓學生陳述不同時刻的位移、速度以及一段時間內通過的路程等信息。

二是給出一些物體的振動信息，讓學生判斷它是否為簡諧運動。

（二）聯系實際遷移應用，發展科學思維

教師用微課或視頻等方式為學生展示借助振動圖像研究振動規律的方法在生活中的應用，并結合學生所學知識設計系列問題，引導學生將所學知識、方法進行遷移應用。

（三）拓展知識，培養自主探究能力

教師制作微課，供學有余力的學生自主學習“參考圓周運動研究簡諧運動”的描述方法，將勻速圓周運動在直徑方向的投影與簡諧運動聯系起來，設計系列問題引發學生思考，提高知識關聯度，增強學生自主探究能力。

參考文獻

[1] 劉月霞，郭華.深度學習：走向核心素養[M].北京：教育科學出版社，2018.

[2] 曹寶龍.信息時代的精準教學之道[J].中小學數字化教學， 2020（2）：75-78.

（作者系浙江省臨海市臺州中學物理教師，正高級教師）

責任編輯：祝元志