借助物理模擬程序開展三步式交互教學(xué)

杜昆 李國良 董愛軍 蘇顯斌 郭洋

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》強(qiáng)調(diào)，科學(xué)探究能力的培養(yǎng)應(yīng)滲透在物理教學(xué)全過程。教師要引導(dǎo)學(xué)生基于證據(jù)和邏輯對問題作出合理解釋，解決物理問題。戴維森學(xué)院物理系專門針對物理教學(xué)開發(fā)了Physlets程序，這些程序用Java語言編寫。高中物理中的每條物理定律都可以找到相應(yīng)的Physlets程序。教師在向?qū)W生教授物理定律時(shí)可以應(yīng)用Physlets程序進(jìn)行交互教學(xué)，增強(qiáng)學(xué)生與教師的互動(dòng)。同時(shí)，學(xué)生也能利用Physlets程序獨(dú)立地交互學(xué)習(xí)，在Physlets程序引導(dǎo)下逐步了解、掌握、應(yīng)用物理定律，逐漸培養(yǎng)解決問題的能力。筆者在牛頓第一定律的教學(xué)中，利用Physlets程序的概念描述（Illustrations）、定律探究（Explorations）和問題解決（Problems）三個(gè)模塊開展三步式交互教學(xué)。這三個(gè)模塊分別對應(yīng)著學(xué)生對知識的了解、掌握、應(yīng)用。筆者應(yīng)用該軟件教學(xué)不僅加深了學(xué)生對物理定律的理解，而且培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究能力。

一、Physlets程序支持下的三步式交互教學(xué)概述

軟件開發(fā)者針對物理教學(xué)編寫的Physlets程序涵蓋力學(xué)、流體學(xué)、波、熱力學(xué)、電磁學(xué)、電學(xué)和光學(xué)，與我國的高中物理教學(xué)內(nèi)容基本相符。每項(xiàng)內(nèi)容都包含概念描述、定律探究和問題解決三個(gè)板塊，對應(yīng)著學(xué)生對知識的了解、掌握與應(yīng)用，具有遞進(jìn)性[1]。

概念描述模塊用于輔助學(xué)生初步理解物理定律，對應(yīng)著學(xué)生對知識的了解。定律探究模塊支持學(xué)生在對物理定律有初步理解的基礎(chǔ)上深入探究物理知識，對應(yīng)著學(xué)生對知識的掌握。問題解決模塊要求學(xué)生在沒有教師指導(dǎo)的情況下獨(dú)立交互，應(yīng)用已學(xué)物理定律解決問題，對應(yīng)著學(xué)生對知識的應(yīng)用。

對于牛頓第一定律的教學(xué)，首先，教師利用相應(yīng)的Physlets程序和學(xué)生進(jìn)行交互，讓學(xué)生在Physlets程序輔助下了解牛頓第一定律的內(nèi)容：一是物體在不受力的情況下保持靜止或做勻速直線運(yùn)動(dòng)；二是如果物體所受的合外力為0，則能找到至少一個(gè)相對于該物體靜止的參考系。然后，教師對牛頓第一定律深入開展探究式教學(xué)，讓學(xué)生基本掌握牛頓第一定律。最后，學(xué)生與Physlets程序交互，獨(dú)立地解答牛頓第一定律相關(guān)的問題，提升自主學(xué)習(xí)能力。下面介紹牛頓第一定律三步式交互教學(xué)方法。

二、應(yīng)用概念描述模塊幫助學(xué)生了解概念

牛頓第一定律對應(yīng)的概念描述模塊中的Physlets程序預(yù)設(shè)了三種不同的物理情境（如圖1），三種情境下小球均從小車?yán)锉回Q直向上射出，小車分別保持靜止、往右勻速運(yùn)動(dòng)、往左勻速運(yùn)動(dòng)。雖然小球都會(huì)從小車?yán)锉回Q直向上射出，但是在小車不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響下，小球的軌跡并不相同。教師和學(xué)生進(jìn)行交互，讓學(xué)生分別以地面、小車為參考系描述小球的軌跡和小球的最終狀態(tài)。教師對學(xué)生的表述進(jìn)行記錄（見表1）。

教師與學(xué)生互動(dòng)如下。

教師：小球最終都回到小車發(fā)射口，這意味著什么？

學(xué)生：意味著小球在水平方向上應(yīng)該保持剛從小車發(fā)射口射出的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

教師：因此，在小車靜止、向左勻速運(yùn)動(dòng)、向右勻速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，小球也應(yīng)該在水平方向上保持靜止、向左勻速運(yùn)動(dòng)、向右勻速運(yùn)動(dòng)。此時(shí)小球在水平方向上是否受力呢？

學(xué)生：在水平方向上不受力，在豎直方向上受到重力。

教師：那么，我們可以得到結(jié)論——物體在不受力的情況下保持靜止或做勻速直線運(yùn)動(dòng)，或者說物體具有保持原來運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的慣性，這就是牛頓第一定律。

教師：剛才我們是以什么為參考系得到上述結(jié)論的呢？

學(xué)生：以小車為參考系。

教師：那么，我們得到小球相對于小車這個(gè)參考系在水平方向上是處于靜止?fàn)顟B(tài)的。物體所受的合外力為0，則能找到至少一個(gè)相對于該物體處于靜止?fàn)顟B(tài)的參考系，相應(yīng)的參考系被稱為慣性參考系。

學(xué)生：如何定義非慣性參考系呢？

教師：凡是相對地面靜止或做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系都是慣性系，而相對地面做變速運(yùn)動(dòng)的參考系則是非慣性系。

師生交流研討，得出結(jié)論：以小車為參考系，小球在水平方向上相對靜止，在豎直方向上相對小車運(yùn)動(dòng)。

教師：滑冰運(yùn)動(dòng)員在冰面滑冰，如果不用力，他會(huì)慢慢停下來。這是否違背了牛頓第一定律呢？

學(xué)生：沒有違背。滑冰運(yùn)動(dòng)員受摩擦力影響，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變了。

教師：如果冰面光滑，不存在摩擦阻力，那么滑冰運(yùn)動(dòng)員會(huì)怎樣運(yùn)動(dòng)？

學(xué)生：滑冰運(yùn)動(dòng)員會(huì)保持固定的速度一直運(yùn)動(dòng)下去。

教師：在摩擦阻力影響下，滑冰運(yùn)動(dòng)員從運(yùn)動(dòng)狀態(tài)逐漸停下來。可見，力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。

綜上所述，牛頓第一定律包含兩種表述：一是物體在不受力的情況下保持靜止或做勻速直線運(yùn)動(dòng)，具有保持原來運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的慣性，同時(shí)力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因；二是如果物體所受的合外力為0，則能找到至少一個(gè)相對于該物體靜止的參考系，相應(yīng)的參考系被稱為慣性參考系[2]。這樣，學(xué)生對牛頓第一定律建立了完整的認(rèn)知。

三、借助定律探究模塊探究牛頓第一定律

定律探究模塊支持學(xué)生探究，以達(dá)到更高的認(rèn)知程度——掌握（如圖2）。教師可以利用相應(yīng)的程序幫助學(xué)生掌握牛頓第一定律。

定律探究模塊中有太空探測器這一交互程序。太空探測器的上、下、左、右分別有一部發(fā)動(dòng)機(jī)，可以分別在x、-x、y和-y四個(gè)方向上對太空探測器施加大小相等的力的作用。首先，學(xué)生預(yù)測太空探測器在以上四個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，并根據(jù)牛頓第一定律對預(yù)測進(jìn)行相應(yīng)的解釋。然后，教師展示Physlets程序，引導(dǎo)學(xué)生驗(yàn)證或者糾正自己的想法。最后，教師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行總結(jié)。

教師：太空探測器始終沿著x方向勻速直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)只在一個(gè)方向上對探測器施加力時(shí)，如何預(yù)測它的軌跡？

學(xué)生：應(yīng)用剛學(xué)的牛頓第一定律。

教師：當(dāng)在x、-x方向上施加力的作用時(shí)，探測器的軌跡如何？

學(xué)生：保持水平方向上的運(yùn)動(dòng)，應(yīng)該是直線。

教師：當(dāng)在y、-y方向上施加力的作用時(shí)，探測器的軌跡如何？

學(xué)生：分別向著y、-y方向偏轉(zhuǎn)，水平方向速度不變，軌跡應(yīng)該是曲線。

教師為學(xué)生播放探測器的運(yùn)動(dòng)情況，此時(shí)探測器的運(yùn)動(dòng)軌跡有四種情況（如圖3）。

教師：大家已經(jīng)通過Physlets程序看到了在不同方向上受力后的探測器運(yùn)動(dòng)過程，接下來驗(yàn)證一下自己的想法，如不對則進(jìn)行糾正。

學(xué)生：基本和預(yù)想的一樣，但是細(xì)節(jié)需要稍微糾正。

教師：糾正后，請結(jié)合牛頓第一定律作出解釋，具體地描述運(yùn)動(dòng)軌跡。

教師對四種情況下學(xué)生對探測器的運(yùn)動(dòng)軌跡描述進(jìn)行整理、記錄，得到結(jié)果如下（見表2）。

探測器始終沿x方向勻速直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)施加兩個(gè)或兩個(gè)以上的力時(shí)，探測器的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)有3種情況（如圖4）。

教師：在兩個(gè)或兩個(gè)以上力的共同作用下，牛頓第一定律是否還適用呢？

學(xué)生：同樣適用。

教師：如何對探測器的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行解釋呢？

學(xué)生：分別對每個(gè)方向用牛頓第一定律分析。

教師：不錯(cuò)，請描述上述探測器運(yùn)動(dòng)情況，并結(jié)合相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行證明。

要探究解答這一問題，學(xué)生需要深入思考，教師也需和學(xué)生進(jìn)行更多的交互，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用牛頓第一定律對探測器在多個(gè)力作用下的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行描述（見表3）。

接著學(xué)生可以自己對動(dòng)畫暫停、回放等，或者在教師的幫助下動(dòng)畫暫停、回放等，與Physlets程序進(jìn)行交互，結(jié)合牛頓第一定律對軌跡進(jìn)行驗(yàn)證。通過這樣的方式，讓學(xué)生明白物體在不受力的情況下保持靜止或做勻速直線運(yùn)動(dòng)；知曉如果物體所受的合外力為0，則能找到至少一個(gè)相對于該物體靜止的參考系。學(xué)生能較好地應(yīng)用牛頓第一定律預(yù)判物體的運(yùn)動(dòng)，或者對物體的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，對牛頓第一定律掌握較好。

四、在問題解決模塊輔助下應(yīng)用牛頓第一定律解決問題

軟件中的問題解決指的是交互形式的物理問題。問題解決模塊要求學(xué)生在Physlets程序引導(dǎo)下獨(dú)立地寫出問題的答案，應(yīng)用牛頓第一定律解決問題。相應(yīng)的Physlets程序?yàn)閷W(xué)生創(chuàng)設(shè)了一個(gè)打高爾夫球的情境。

學(xué)生應(yīng)用Physlets程序交互獨(dú)立解決物理問題過程如下。第一步，學(xué)生通過Physlets程序觀察運(yùn)動(dòng)過程：在t=0 s時(shí)擊打高爾夫球，高爾夫球發(fā)生了運(yùn)動(dòng)，在t=4.2 s時(shí)球停止運(yùn)動(dòng)，然而球并沒有成功地進(jìn)入洞中。第二步，學(xué)生閱讀問題：a.從t=0 到t=4.2 s時(shí)間內(nèi)，高爾夫球所受的合外力如何？b.從t=0 到t=4.2 s時(shí)間內(nèi)，推桿對高爾夫球的力如何？第三步，學(xué)生與Physlets程序交互。動(dòng)畫界面下方相應(yīng)的顯示框可以顯示具體時(shí)刻該球的水平速度與豎直速度的大小與方向。學(xué)生點(diǎn)擊“播放”和“暫停”按鈕，觀察球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（如圖5）。第四步，明確解題思路：a問題需要對x和y方向上小球的受力分別分析，根據(jù)力的合成得出總的合外力的大小，確定方向；b問題中桿只在一開始的瞬間對小球產(chǎn)生了力的作用，在后面的運(yùn)動(dòng)過程中，桿對小球沒有發(fā)生力的作用。

學(xué)生解答這兩個(gè)問題都需要對牛頓第一定律有充分的理解，并能熟練應(yīng)用。

學(xué)生通過與Physlets程序進(jìn)行交互學(xué)習(xí)，解答相應(yīng)的問題，有利于對牛頓第一定律進(jìn)行深入思考，從掌握知識向應(yīng)用知識轉(zhuǎn)變。

Physlets程序作為成熟的交互式物理教學(xué)工具和資源，基本涵蓋了中學(xué)物理的所有知識點(diǎn)，且按照了解、掌握、應(yīng)用的一般步驟編排內(nèi)容，充分考慮了與教學(xué)法的結(jié)合。Physlets程序交互性強(qiáng)，有利于學(xué)生在活動(dòng)中生成知識，培養(yǎng)解決問題的能力，提高科學(xué)探究能力。

注：本文系貴州師范大學(xué)—興義民族師范學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)研究生創(chuàng)新基金（編號：LPYJS-2022-16）資助項(xiàng)目的研究成果。

參考文獻(xiàn)

[1] CHRISTIAN W， BELLONI M， SOKOLOWSKA D， et al. Teaching with Physlets[J]. Physics Education，2020（4）：1-15.

[2] 劉德玉，錢長炎，左崇睿.“牛頓第一定律”內(nèi)容表述的比較分析及啟示[J].物理通報(bào)，2021（4）：124-126.

（作者杜昆系貴州師范大學(xué)研究生；李國良系興義民族師范學(xué)院教授；蘇顯斌系興義市第五中學(xué)物理高級教師；董愛軍系貴州師范大學(xué)副教授；郭洋系重慶三峽教師教育學(xué)院研究生）

責(zé)任編輯：祝元志