基于核心素養(yǎng)下的信息技術(shù)與物理課堂融合
——以《多普勒效應(yīng)》為例

朱文瑜

(浙江省杭州第四中學(xué) 310002)

新課程改革其中重要的一點就是重視對學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng).高中物理核心素養(yǎng)可分為四個方面，分別是“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”.高中物理教學(xué)要認(rèn)識到核心素養(yǎng)培養(yǎng)的重要意義，采取合適的教學(xué)方法組織活動.選取以信息技術(shù)融合物理課，在教學(xué)以學(xué)生為主體的前提下，可以利用相關(guān)的技術(shù)構(gòu)建一些吸引學(xué)生興趣的和平時生活密切相關(guān)的場景，讓學(xué)生主動參與，培養(yǎng)學(xué)生的觀察、分析能力，切實優(yōu)化一些實驗的教學(xué)過程和功能，從而更新一些教學(xué)理念和手段，最終完成培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的目標(biāo).

然而目前傳統(tǒng)教學(xué)中，針對《多普勒效應(yīng)》一節(jié)，有不少教師并沒有很好的將信息技術(shù)應(yīng)用于課堂，局限于先放個視頻，舉個例子，就從頭到尾講到底，究其原因，是既沒有準(zhǔn)備將信息技術(shù)與本節(jié)課融入的理念，也沒有相關(guān)的實驗設(shè)備.教材上還使用“多人步行”模擬多普勒現(xiàn)象，雖然能夠帶給學(xué)生直觀的感受，但假如學(xué)習(xí)能力普通或抽象能力較弱的學(xué)生僅僅使用教材上的例子，可能依然對“多人步行”和多普勒現(xiàn)象的相關(guān)聯(lián)系表示難以理解.

本文以人教版高中物理《多普勒效應(yīng)》教學(xué)為例，闡述通過利用信息技術(shù)融合物理的教學(xué)和實驗方法，解決以上問題，落實核心素養(yǎng).

1 創(chuàng)設(shè)真實情境，提出問題

教師活動(以下簡稱“師”)：回憶當(dāng)行駛的火車鳴笛時或飛馳的賽車靠近看臺時，你注意過它們發(fā)出的聲音有什么變化嗎？

學(xué)生活動(以下簡稱“生”)：學(xué)生回答聲音有所變化.好像由低到高，從低沉到越來越刺耳.之后集體觀看由教師所放的火車或汽車駛近觀察者的視頻.

師：看完視頻后，不考慮單純的音量變化，別的方面有無區(qū)別，聲音有無變得尖銳或低沉？音調(diào)變高還是變低，音調(diào)的高或低是由什么因素決定？了解音量、音調(diào)、頻率這三者之間的關(guān)系.學(xué)生回答之后，教師展示音調(diào)頻率對照表再詳細(xì)解釋其基本概念.

師：火車進站發(fā)出聲音的頻率是固定不變的還是經(jīng)常改變的？在火車邊的路人聽到聲音變化的根本原因是什么？如果是火車?yán)锏某丝停芨惺艿铰曇舻淖兓瘑幔?/p>

生：火車發(fā)出頻率應(yīng)該沒有變化.不清楚車?yán)锏娜耸欠衲芨杏X到有變化.當(dāng)火車向路人駛來，路人聽到音調(diào)變高.聲音變尖銳—音調(diào)變高—頻率變大.

師：這些現(xiàn)象就是多普勒效應(yīng).隨后在課件中簡介多普勒歷史.

設(shè)計意圖與信息技術(shù)應(yīng)用：通過觀看火車視頻材料，在學(xué)生心中締造出了真實生活中的一段情境，課堂內(nèi)容變得豐富、生動而又具體，由于這類火車視頻與學(xué)生熟悉的生活緊密相關(guān)，較易調(diào)動學(xué)生的興趣，使學(xué)生學(xué)習(xí)更為主動.選用視頻素材時，要進行適當(dāng)?shù)木庉嫞懦蓴_信息.引導(dǎo)學(xué)生多留心關(guān)注日常生活現(xiàn)象，鼓勵學(xué)生在生活中有意識的培養(yǎng)自己觀察能力，用所學(xué)的掌握到的物理知識來審視日常生活中常見的各種物理現(xiàn)象，從而了解基本物理觀念，鍛煉觀察能力和科學(xué)思維.

2 運用信息技術(shù)，簡單體驗多普勒效應(yīng)

師：在初步了解完多普勒效應(yīng)和歷史后，課堂上學(xué)生自我參與用手機體驗下.打開手機phyphox應(yīng)用程序，介紹其“音頻發(fā)生器”功能：能發(fā)出各種固定不變頻率的聲音.利用音頻軟件發(fā)出聲音的頻率是恒定的，手持手機拉遠拉近身體，即可以體驗到不同效果.這里使用默認(rèn)設(shè)置頻率440Hz，如圖1 .這里頻率范圍建議設(shè)置在200-2500Hz之間，假如設(shè)置過低的固定頻率，則會造成實驗效果不顯著，也易受環(huán)境雜音干擾.假如設(shè)置頻率較高，而音量又不低，則造成人耳聽覺不適.

圖1

生：在教師示范實驗后，手持手機在自己身邊做從遠到近的動作，體驗各種不同效果.也可讓學(xué)生1人手持手機在課堂里運動，其他同學(xué)感受聲音的變化.

設(shè)計意圖與信息技術(shù)應(yīng)用：優(yōu)化了實驗器具，又讓學(xué)生自行體驗實驗，調(diào)動了學(xué)生的主觀能動性.因手機屏幕較小，為方便學(xué)生集體觀摩，建議將手機屏幕共享到教室電腦直至大屏幕.

3 現(xiàn)場集體感受軟件模擬實驗

師：每個人感受完剛才手機實驗后，也可以集體感受使用計算機軟件來模擬多普勒效應(yīng)的效果.教師用教室計算機打開之前安裝好的Audition音頻軟件.開始先制作生成固定聲源，新建采樣率為44100Hz，單聲道，16位的波形文件，之后點擊菜單欄 “生成”—“音調(diào)，然后在基礎(chǔ)頻率選項中任意輸入聲源頻率數(shù)值，在額外特性中輸入1，即可生成輸出頻率的正弦音頻信號.試聽可聽到原始聲音效果.使用鼠標(biāo)滾輪可對聲波圖形放大，可見正弦波形.然后在軟件中依次點擊菜單欄窗口—“工作區(qū)”—“最大化波形編輯”，“效果”—“立體聲聲像—“多普勒效應(yīng)”.

在這里軌跡類型選直線，遠距離起始200米，如圖2所示，點擊試聽體驗，嘗試改變其遠距離起始和速率數(shù)據(jù)，再點擊試聽，體驗不同效果.

圖2

學(xué)生活動：觀看并現(xiàn)場體驗多普勒效應(yīng).

設(shè)計意圖與信息技術(shù)應(yīng)用：運用計算機技術(shù)軟件模擬多普勒效應(yīng)，學(xué)生集體聽到音調(diào)從低到高再從高到底，由于是計算機軟件控制各種因素，完全可以自主控制聲音變化的高低快慢.再一次加深學(xué)生實驗體驗的感受，順帶觀看聲波波形，有助于知識的理解.

4 回顧知識，分組討論歸納基本規(guī)律.

師：體驗完模擬實驗后，回顧前面機械波所學(xué)知識，單位時間內(nèi)發(fā)出波的個數(shù)叫聲源頻率，觀察者在單位時間內(nèi)接受到波的個數(shù)是指接收到的頻率.聲源的頻率是保持不變的.播放模擬動畫后如圖3，試結(jié)合教材“排隊數(shù)人”自主學(xué)習(xí)，分組討論總結(jié)歸納多普勒效應(yīng)的規(guī)律.

圖3

生：觀看模擬動畫，自主學(xué)習(xí)后分組討論模擬“排隊數(shù)人”問題來類比聲源頻率與接收頻率的關(guān)系.學(xué)習(xí)討論后，歸納簡單規(guī)律：觀察者與聲源與相對位置如果發(fā)生變化，會導(dǎo)致觀察者收到頻率發(fā)生變化.

設(shè)計意圖與信息技術(shù)應(yīng)用：之前是體驗實驗，現(xiàn)在是探究現(xiàn)象背后的原理.通過模擬動畫的觀看和教材例子的結(jié)合研究，增加具體動畫演示，減輕抽象想象難度，學(xué)生先自主學(xué)習(xí)，后小組合作攻克難點.通過現(xiàn)象了解背后的原理，鍛煉了學(xué)生推理歸納規(guī)律的能力和科學(xué)思維.

5 分組實驗驗證之前的規(guī)律.

師：分組合作實驗，探究學(xué)生歸納出的規(guī)律究竟是否正確，需要科學(xué)的數(shù)字量化驗證.首先教師使用2臺手機示范演示，A手機作為聲源播放，A手機中打開phyphox軟件中的“音頻發(fā)生器”，頻率設(shè)置為2000赫茲.B手機作為觀察接收者不動，打開phyphox軟件中的“多普勒效應(yīng)”，基準(zhǔn)頻率同樣設(shè)置為2000赫茲.A手機從遠方靠近B手機后離開之后，B手機可得圖4所示.觀察其波峰和波谷，可以看出接收到的頻率是先增加，再下降.

圖4

手機運動結(jié)束后，點擊右上角導(dǎo)出統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，生成文件，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇淌矣嬎銠C(網(wǎng)絡(luò)傳輸或數(shù)據(jù)線均可).計算機打開接收到的EXCEL文件查看數(shù)據(jù)，頂部分別是時間、頻率、速度，查看原始數(shù)據(jù)如圖5，1秒前的幾項是由于打開軟件的先后時間差，屬于無效數(shù)值.頻率那一項是指觀察者B手機接收到的頻率，時間是指A運動靠近B，再遠離B的過程時間.依據(jù)圖5此表格數(shù)據(jù)，也可以清楚的看見頻率隨著時間而增加，而增加之后又迅速下降，對照表格數(shù)據(jù)和手機B上的波形圖可相互驗證，從而加深理解多普勒效應(yīng).

圖5

生：教師示范實驗后，學(xué)生分組實驗，2人為一組使用2個手機，如下圖6所示：女生和男生兩人分別手持手機作為聲源和觀察接收者.女生手持一個手機移動，男生手持另一手機保持不動，則聲源和觀察接收者產(chǎn)生了相對運動.女生將手機聲源從左側(cè)移動經(jīng)過男生手機后到右側(cè)，隨著女生和男生的相對靠近，男生手機顯示頻率越來越高，女生手機經(jīng)過男生手機后又相對遠離，頻率降低.之后，讓女生保持不動，讓男生向女生靠近后遠離，使用同類方法和步驟重復(fù)多次，驗證剛才得出的規(guī)律.之后將下表填下完整.

圖6

設(shè)計意圖與信息技術(shù)應(yīng)用：通過學(xué)生小組合作，分組實驗，使學(xué)生完全享受在沉浸式體驗實驗和探究，不覺得學(xué)習(xí)是一種負(fù)擔(dān)，興趣和主動性完全被激發(fā).教師傳授完知識方法，引導(dǎo)發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新思維，開動智慧親自動手解決問題，進一步鍛煉了科學(xué)思維和動手探究能力.最后得出結(jié)果再與之前提出的規(guī)律相互驗證，整體過程科學(xué)態(tài)度嚴(yán)謹(jǐn)，邏輯過程嚴(yán)密.實驗完成后表格填寫，又一次加深對知識的理解，培養(yǎng)了核心素養(yǎng)中的科學(xué)思維和科學(xué)探究.

6 了解多普勒效應(yīng)的簡單應(yīng)用

師：布置任務(wù)，組織學(xué)生網(wǎng)絡(luò)搜索多普勒效應(yīng)的應(yīng)用并要求展示.

生：學(xué)生使用手機通過網(wǎng)頁查詢，自行拓展其應(yīng)用的相關(guān)知識.依據(jù)自己查詢到的信息，綜合處理和組織后在課堂上講解具體用在哪些方面.比如在高速公路上用于交通測速和在醫(yī)學(xué)上用于超聲檢測等等.

設(shè)計意圖與信息技術(shù)應(yīng)用：學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)查詢本節(jié)課相關(guān)知識的應(yīng)用，就能意識到當(dāng)代社會科學(xué)、日常生活與他們在學(xué)校里所學(xué)到的物理知識是有緊密相關(guān).在理解科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境的關(guān)系基礎(chǔ)上形成對科學(xué)和技術(shù)應(yīng)有的正確態(tài)度以及責(zé)任感.

7 總結(jié)評價和練習(xí)

師：使用課前教師制作生成的問卷星調(diào)查問卷，發(fā)送鏈接共享.

生：在線完成調(diào)查問卷和習(xí)題.

設(shè)計意圖與信息技術(shù)應(yīng)用：通過問卷星程序制作問卷下發(fā)給學(xué)生，問卷里含有相關(guān)調(diào)查信息和課后習(xí)題，可以及時鞏固課后學(xué)習(xí)評價，有助于加深知識理解，通過問卷調(diào)查后直接生成快捷的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，有助于教師了解本節(jié)課學(xué)習(xí)效果以及合作交流情況.其中91.3%的學(xué)生評價對本節(jié)課興趣濃厚，具體見以下表格.

對本節(jié)課興趣互動情況信息技術(shù)的幫助合作情況學(xué)習(xí)氛圍完成學(xué)習(xí)目標(biāo)較好以上91.3%95.65%93.48%75.22%95.65%100%

綜上所述，本文闡述了物理課與信息技術(shù)有機融合中，對傳統(tǒng)的實驗操作方法及工具設(shè)備進行了優(yōu)化創(chuàng)新，無論是便捷度還是教學(xué)效果都有顯著提高.本文按照先提出物理問題、體驗分析，到小結(jié)規(guī)律，驗證規(guī)律最后到拓展知識、學(xué)習(xí)評價的主線，運用信息技術(shù)作為輔助手段融合教學(xué)理念和方法，完成了課程教學(xué)任務(wù)，并且發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主體，學(xué)會在日常生活中培養(yǎng)科學(xué)的觀念和態(tài)度，運用科學(xué)思維去探究解決問題，進一步落實了核心素養(yǎng).