融合信息技術的體驗式教學

張冰杰

摘? ?要：新課標提出，教師要注重信息技術在教學中的應用。文章以“宇宙航行”教學為例，以體驗式教學組織為架構，通過整合信息技術資源，促進學生在感悟、論證和驗證體驗環節中自主建構知識體系，培養學生的物理學科核心素養。

關鍵詞：信息技術;宇宙航行;體驗式教學

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2022）5-0066-3

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標”）中指出，要“注重現代信息技術在教學中的廣泛應用”[1]。2019年版人教版高中物理教科書（以下簡稱“新教材”）中，共計有48處整合信息技術的內容[2]。這表明在新時代物理教學中，信息技術已經不再是錦上添花，而是結合教學需要采取的必要教學手段。值得注意的是，新教材在《萬有引力與宇宙航行》《原子結構與波粒二象性》《原子核》等章節中，均未涉及信息技術的整合運用。但是，在宏觀和微觀物理的教學實踐中，往往會發現學生由于缺乏直觀的感知和親身的體驗而難以完成知識的自主建構，從而導致概念理解不清、規律掌握不透等問題。新課標指出，當一些物理現象很難真實呈現時，可利用信息技術輔助手段，讓學生比較直觀便捷地進行相關實驗[1]。融合信息技術可以很好地解決該部分的抽象性困難，因為各類多媒體動畫、仿真技術等可以在課堂上重演宏觀和微觀領域的物理情境，以形象化的教學促進學生的知識建構和思維發展。同時，不斷豐富信息技術在該部分教學中的應用，也能填補教材中信息技術的空白之處，從而響應新課標給出的“教材中可以適當介紹一些有利于物理教學或物理實驗的軟件工具”的建議。

體驗式教學是教師依據課程標準，深入分析學生的已有認知，創造接近實際生活的教學情境，讓學生親歷知識的再創造過程，從中獲得感知體驗、論證體驗、感悟體驗和驗證體驗，進而構建觀念、發展能力、形成價值觀的一種教學觀和教學策略[3]。因此，體驗式教學可以充分利用信息技術的交互特征，促使學生在體驗中發展物理學科核心素養。

1? ? 體驗式教學架構

體驗式教學組織架構如圖1所示，它包含感知體驗、論證體驗、感悟體驗和驗證體驗四個環節。這四個環節并非是單向封閉的終結式教學，而是閉合螺旋上升的進階式教學。

以“宇宙航行”的教學為例，宇宙速度、人造衛星的運行規律都較為宏觀，抽象性思維認知能力較弱的學生往往覺得比較晦澀，難以在已有認知的基礎上自主建構知識。融合信息技術創設情境，將本不易呈現的物理過程形象地模擬出來，并且利用交互的特點，讓學生經歷感知、論證、感悟和驗證體驗環節，進而促進學生核心素養的發展。

2? ? 融入信息技術的體驗式教學——“宇宙航行”

2.1? ? 建構模型，感知論證

播放《北斗：心中的燈塔 指引前路》中的動畫視頻，提醒學生注意觀察不同軌道的北斗導航衛星的運行規律，讓學生自主提出問題。學生可能會提出“不同軌道的衛星的運行規律如何”“衛星是如何發射的”“為什么軌道越高的衛星運行的速度越慢”等契合教學主題的問題。教師通過感知衛星運行的體驗過程，明確要研究的問題，調動已有的認知，營造探究的氛圍。

要研究實際問題，首先要建構相應的物理模型，這也是物理學科核心素養中科學思維的組成要素。教師引導學生將衛星的運動建構為勻速圓周運動模型，依據處理勻速圓周運動的思路和方法，依次明確軌道平面、圓心和向心力來源等問題，并對問題進行推理和論證。

教學片段1

教師：在北斗導航系統的視頻中，我們發現不同衛星的運行軌道是有差異的，那么衛星圍繞地球做勻速圓周運動的軌道可能是怎么樣的呢？請同學們用呼啦圈和地球儀來展示衛星的可能軌道，并談一談理由。

學生利用呼啦圈模擬衛星的運行軌道，展示衛星運行的可能軌道，如圖2所示。并說出不同軌道的共同點。

教師：為什么衛星不能圍繞除赤道外的某個緯線圈運行呢？

學生討論后：做勻速圓周運動的物體所受的合外力必定指向圓心，在緯度圈上運行的衛星所受的萬有引力不指向圓心，會將其拉離緯度圈軌道。

通過討論和論證，學生已經明確向心力的來源為萬有引力。接著，教師再讓學生建立萬有引力提供向心力的力學方程，從而得出衛星運行的線速度等物理量與軌道半徑的關系，并能夠解釋北斗導航系統中的衛星運行快慢的原因。然后，教師讓學生畫出運行速度最快的衛星的軌道并展示，可得出貼地飛行的衛星（即近地衛星）運行速度最快的結論。最后，學生結合教師給出的相關數據，計算出近地衛星的運行速度約為7.9 km/s。

2.2? ? 模擬衛星運行，驗證體驗

通過建構模型、科學推理等過程，學生運用已有知識解釋物理現象，體會到萬有引力使得天地大統一的和諧之美。對教師來講，如果推理計算得出的結果不經歷驗證過程，就會失去下一輪體驗式教學的契機，也無法讓學生經歷成功的體驗過程。信息技術可以彌補無法實際發射衛星的遺憾，讓學生通過虛擬實驗來體驗這一過程。

教學片段2

教師：通過建構模型，推理論證，大家得出人造衛星的運行有怎樣的規律？

學生：①人造衛星運行的圓軌道越高，速度越慢;②人造衛星在圓軌道上運行的速度不可能超過7.9 km/s。

教師：怎么檢驗我們得出的結論是否正確呢？這需要實驗的檢驗，要是可以發射幾顆不同軌道的衛星，看一看它們的運動該多好呀！

教師介紹“宇宙沙盤”軟件及其使用方法：“宇宙沙盤”軟件能夠較真實地模擬天體的運行。打開軟件，新建文件，選擇小行星“地球”;選擇添加對象“環繞”，放置幾顆不同軌道的衛星，可以定性觀察不同軌道衛星的運行速度;點擊放置的衛星，還可以顯示其運行速度的數值。743190F6-F154-4968-B508-52EFF83E2ABE

學生通過軟件模擬衛星的運行，交流模擬的結果。

學生：放置的衛星軌道越高，衛星運行的速度越慢，驗證了第①條規律;不斷降低衛星的運行軌道，發現軌道貼近地球赤道時，衛星運動速度接近7.9 km/s，驗證了第②條規律，如圖3所示。

該環節中，學生的課堂參與程度很高，反應熱烈。他們通過模擬軟件驗證了推理的結果，對物理規律的普適性和簡潔性有了深刻的感受。教師還可以在此引用李政道教授的名言升華學生的情感體驗。在模擬過程中，學生發現軌道太低的衛星會撞擊到地面的障礙物并被摧毀，進而理解第一宇宙速度是人造衛星在圓軌道的最大環繞速度。有的學生會發現，當把衛星的軌道放置在36 000 km左右時，衛星的運行與地球自轉幾乎是同步的。教師可以請這部分學生來做簡單的演示，為后續的同步衛星教學提供鋪墊。

2.3? ? 發射衛星，感悟體驗

開始下一輪體驗式教學，如何發射一顆衛星？學生通過閱讀課本了解牛頓的設想，并且能夠計算出當發射速度為7.9 km/s時衛星恰好不落回地面，得出第一宇宙速度的概念。此時，學生如果能夠體驗以不同速度發射一顆衛星，看到衛星繞地球做圓周運動，其成就感和喜悅感將得到極大的滿足。而游戲“憤怒的小鳥·太空版”模擬了星球的引力環境，可以通過彈弓改變小鳥的彈出速度，正好可以模擬出以不同速度發射的衛星的運動規律。打開“憤怒的小鳥·太空版”第一部分第三關，體驗以不同速度發射小鳥的游戲，觀察并討論小鳥的運行軌跡，如圖4所示。

學生發現，以更大的速度發射的“衛星”可以運行得更遠。當發射速度足夠大時，小鳥幾乎可以繞星球做完整的圓周運動，但最后會撞到“高山”而掉落。此時，再讓學生來談一談怎么理解第一宇宙速度是人造衛星的最小發射速度。學生可能會指出，第一宇宙速度是理論上能夠發射人造衛星的最小發射速度，但在實際發射時，還要考慮衛星的發射高度、方向等因素。在此基礎上，引導學生從圓周運動的供需關系出發，論證衛星發射的速度不同導致衛星的運行軌道是否不同，得出如果發射速度大于第一宇宙速度，衛星將做離心運動，將飛到離地球更遠的地方，從而引入第二、第三宇宙速度的概念。本課還可以融入我國探索宇宙的航天發展歷程，激發學生的愛國主義情感，發展科學態度與責任素養，具體思路在此不再詳述。

3? ? 結? 語

在信息技術不斷發展的今天，物理課堂教學必須要與時俱進。在天體物理和原子物理等不易真實呈現的物理情境教學中，可充分整合信息技術資源來可視化呈現物理現象。教師靈活利用信息技術的交互性，可有效地幫助學生通過感知體驗的教學環節自主建構知識體系，從而促進其物理學科核心素養的發展。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]郭桂周，辛文逸，劉羲雯.信息技術在高中物理教科書中的整合特征與實施建議——以人教社新版高中物理教科書為例[J].基礎教育課程，2020（7）：68-74.

[3]周偉波，潘仕恒.以體驗式教學促進物理觀念的構建[J].課程·教材·教法，2021，41（6）：110-115.

（欄目編輯? ? 賈偉堯）743190F6-F154-4968-B508-52EFF83E2ABE