高中物理數(shù)字教學(xué)資源的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

物理是研究物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的學(xué)科。學(xué)生學(xué)習(xí)高中物理課程可以增強(qiáng)邏輯思維和抽象思維能力。然而學(xué)習(xí)物理是有一定難度的，有些學(xué)生對(duì)某些物理過(guò)程難以在頭腦中建立，對(duì)某些抽象的物理規(guī)律的理解很吃力。筆者認(rèn)為，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)高中物理數(shù)字教學(xué)資源，將物理過(guò)程和物理規(guī)律進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬、數(shù)字化分析，有利于學(xué)生理解物理規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、數(shù)字教學(xué)資源概述

數(shù)字教學(xué)資源是經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理，可以在計(jì)算機(jī)、平板電腦、手機(jī)等電子設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用的教學(xué)資源。數(shù)字教學(xué)資源是教育信息化的產(chǎn)物，是推動(dòng)教育教學(xué)改革、構(gòu)建新的教學(xué)模式的基本前提。高中物理數(shù)字教學(xué)資源是在高中物理教學(xué)中應(yīng)用的數(shù)字教學(xué)資源，包括微課、實(shí)驗(yàn)視頻、動(dòng)態(tài)演示、計(jì)算機(jī)模擬分析等。在物理課堂上應(yīng)用數(shù)字教學(xué)資源可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的想象力、創(chuàng)造力，使學(xué)生養(yǎng)成科學(xué)的思維、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，使物理學(xué)科核心素養(yǎng)在教學(xué)中落實(shí)。

二、數(shù)字教學(xué)資源的開(kāi)發(fā)流程

應(yīng)用高中物理數(shù)字教學(xué)資源對(duì)課堂教學(xué)有很大的幫助作用。如何將信息技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)資源進(jìn)行有效整合，開(kāi)發(fā)出一系列數(shù)字教學(xué)資源呢？筆者設(shè)計(jì)了高中物理數(shù)字教學(xué)資源的開(kāi)發(fā)流程（如圖1）。

（一）搜集問(wèn)題與準(zhǔn)備工具

筆者采用問(wèn)卷調(diào)查、課堂教學(xué)反饋，與其他教師共同備課等多種途徑搜集問(wèn)題，然后對(duì)問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)分析、整理。開(kāi)發(fā)數(shù)字教學(xué)資源需要多種工具，開(kāi)發(fā)人員需要熟悉相應(yīng)軟件的特點(diǎn)及使用方法。針對(duì)不同的問(wèn)題要選擇不同的開(kāi)發(fā)工具。

（二）數(shù)字教學(xué)資源的開(kāi)發(fā)

確定需要開(kāi)發(fā)的主題后，筆者繪制物理草圖和計(jì)算機(jī)流程圖，然后利用合適的開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)后進(jìn)行調(diào)試，判斷是否存在問(wèn)題，若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題要及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，逐步完善。對(duì)于復(fù)雜的數(shù)字教學(xué)資源，配置相應(yīng)的使用說(shuō)明文檔。

（三）測(cè)試與完善

筆者將開(kāi)發(fā)的數(shù)字教學(xué)資源應(yīng)用到教學(xué)中，檢驗(yàn)數(shù)字教學(xué)資源的應(yīng)用效果，并對(duì)存在的問(wèn)題和需要完善的地方進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。某些數(shù)字教學(xué)資源對(duì)教學(xué)起不到很大幫助作用，可以放棄使用。

三、數(shù)字教學(xué)資源的應(yīng)用舉例

（一）勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移公式

勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移公式是力學(xué)中的重點(diǎn)知識(shí)，教師在教學(xué)中通常會(huì)引入微積分的思想。例如：某物體做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，初速度=4.053 m/s，末速度=10.313 m/s，經(jīng)歷的時(shí)間=16.140 s。如何求解該過(guò)程物體的位移呢？可以將物體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間劃分為若干個(gè)相等的時(shí)間小段，每一小段時(shí)間內(nèi)雖然物體的速度也在變化，但變化量會(huì)隨著所分的段數(shù)的增多而變小。每一小段內(nèi)可以將物體的運(yùn)動(dòng)看作勻速直線運(yùn)動(dòng)，然后再將所有小段時(shí)間內(nèi)的位移進(jìn)行累加就是整個(gè)過(guò)程中物體的位移。當(dāng)分割的段數(shù)趨向無(wú)窮大時(shí)所有小矩形的面積之和趨向于物體位移的真實(shí)值。然而，在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生理解起來(lái)比較困難，不夠直觀，而且存在計(jì)算誤差，結(jié)果不可信。

筆者利用幾何畫(huà)板軟件開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的數(shù)字教學(xué)資源。幾何畫(huà)板是一款具有作圖和動(dòng)畫(huà)功能的輔助教學(xué)軟件，可以根據(jù)教學(xué)需要編制出相關(guān)的圖象和動(dòng)畫(huà)過(guò)程。該軟件操作簡(jiǎn)單，界面簡(jiǎn)潔，可以精確度量長(zhǎng)度和角度等，支持教師在演示過(guò)程中實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)圖象。主要操作步驟：在幾何畫(huà)板中繪制坐標(biāo)軸，標(biāo)注文本，新建參數(shù)（用于控制矩形的個(gè)數(shù)），繪制線段表示圖象，將圖象在軸方向上進(jìn)行平均分割，繪制矩形，通過(guò)迭代功能自動(dòng)繪制出其他矩形，矩形的個(gè)數(shù)受參數(shù)控制。輸入帶參數(shù)的矩形面積求和的函數(shù)式，再輸入帶參數(shù)的相對(duì)誤差的函數(shù)式。當(dāng)改變參數(shù)時(shí)，矩形的個(gè)數(shù)自動(dòng)增加，同時(shí)相對(duì)誤差的值也同步變化。

筆者先將整個(gè)過(guò)程分成3段，小矩形的面積和為99.09 m²，梯形的面積為115.93 m²，相對(duì)誤差為14.52%，誤差還是很大的;然后再改變的數(shù)值將整個(gè)過(guò)程分成5段，發(fā)現(xiàn)相對(duì)誤差為8.71%，誤差已大幅度減小;最后增加分段數(shù)進(jìn)行測(cè)試（數(shù)據(jù)見(jiàn)表1）。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出：隨著所分段數(shù)增多，相對(duì)誤差不斷減小，矩形面積和不斷地趨近于梯形的面積115.93 m²。

利用數(shù)字教學(xué)資源可以任意改變物體的初速度、末速度和時(shí)間，計(jì)算機(jī)會(huì)實(shí)時(shí)計(jì)算出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。筆者在高中物理課堂教學(xué)中應(yīng)用數(shù)字教學(xué)資源，讓學(xué)生對(duì)求解勻加速直線運(yùn)動(dòng)的位移的過(guò)程有直觀認(rèn)知，對(duì)無(wú)限分割再累加的思想有了深刻體會(huì)，對(duì)其建立物理學(xué)科思想有很大的幫助。

（二）點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)的等勢(shì)面

電場(chǎng)是高中物理中電磁學(xué)部分的重要知識(shí)。對(duì)于電場(chǎng)線，學(xué)生可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式直觀感受到，但電勢(shì)的概念比較抽象，常常難以在頭腦中形成直觀的印象。

比較各種軟件后，筆者最終采用GeoGebra軟件進(jìn)行數(shù)字教學(xué)資源的開(kāi)發(fā)。GeoGebra是自由且跨平臺(tái)的動(dòng)態(tài)教學(xué)軟件，包含了幾何、代數(shù)、表格、圖形、統(tǒng)計(jì)和微積分等多種功能。該軟件功能強(qiáng)大，使用簡(jiǎn)單，交互性強(qiáng)。主要操作步驟如下。首先，調(diào)出3D繪圖區(qū)，創(chuàng)建滑動(dòng)條表示靜電力常量和點(diǎn)電荷。點(diǎn)電荷在距其為處的電勢(shì)= 。設(shè)正電荷位于坐標(biāo)原點(diǎn)，其在平面中位置坐標(biāo)為（，）處產(chǎn)生的電勢(shì)為 。然后，在代數(shù)區(qū)輸入相應(yīng)的繪圖命令，改變滑動(dòng)條的位置改變電量及電性，在3D繪圖區(qū)利用鼠標(biāo)從各個(gè)角度觀察平面內(nèi)各點(diǎn)的電勢(shì)的高低情況。

正電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)的等勢(shì)面如圖2所示。正電荷周?chē)碾妱?shì)全為正值，離正電荷越近的點(diǎn)電勢(shì)越高。當(dāng)增大正電荷的電量時(shí)，平面中各點(diǎn)的電勢(shì)都升高。

負(fù)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)的等勢(shì)面如圖3所示。負(fù)電荷周?chē)碾妱?shì)全為負(fù)值，離負(fù)電荷越近的點(diǎn)電勢(shì)越低。當(dāng)增大負(fù)電荷的電量時(shí)，平面中各點(diǎn)的電勢(shì)都降低。

兩個(gè)等量正電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)的等勢(shì)面如圖4所示。學(xué)生從圖中可以清楚地看出兩電荷連線上的電勢(shì)變化情況以及兩電荷連線的中垂線上的電勢(shì)變化情況。

兩個(gè)等量異種電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)的等勢(shì)面如圖5所示。利用軟件演示，兩個(gè)電荷連線上電勢(shì)的變化情況以及兩個(gè)電荷連線的中垂線上電勢(shì)變化情況一目了然。

利用軟件還可以改變兩個(gè)電荷的電量、改變兩個(gè)電荷的位置。軟件會(huì)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)電勢(shì)的變化情況。學(xué)生可以多角度觀察電勢(shì)的分布情況。

在高中物理課堂教學(xué)中恰當(dāng)應(yīng)用數(shù)字教學(xué)資源有利于學(xué)生建立對(duì)物理規(guī)律的直觀感受，幫助他們理解。數(shù)字教學(xué)資源的應(yīng)用催生了新的教學(xué)模式。教師借助計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)物理學(xué)科配套的數(shù)字教學(xué)資源，可以幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)物理知識(shí)，進(jìn)而提高教學(xué)效率和質(zhì)量。

注：本文系黑龍江省教育科學(xué)規(guī)劃2020年度教研專(zhuān)項(xiàng)課題“高中物理數(shù)字教學(xué)資源開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究”（課題批準(zhǔn)號(hào)：JYB1320116）研究成果。

（作者系黑龍江省齊齊哈爾市實(shí)驗(yàn)中學(xué)教師）

責(zé)任編輯：祝元志