基于深度學習的高中物理信息技術融合的探討

楊大湖

摘? ?要：以平拋運動為例，通過實驗探究和信息技術軟件手段，讓學生由淺入深多角度理解平拋運動的規律，提升學生科學探究和解決實際問題的素養，最終實現深度學習。

關鍵詞：信息技術融合；平拋運動；Vernier Video Physics

1? 問題背景

深度學習是指學生在教師引領下圍繞著相關的學習主題，積極地參與、體驗，獲得有發展意義的學習過程。深度學習強調知識與能力、方法、思維的統一，強調學生的主動參與、積極建構，是形成學生核心素養的基本途徑[ 1 ]。

本文以“平拋運動”為例，通過科學探究的方式，以信息技術為手段，引導學生構建平拋運動模型和培養科學探究的素養，感受科學方法，最后通過解決真實問題情境促進深度學習的達成。

2? 教學過程

2.1? 利用長曝光軟件Spectre相機處理平拋運動

在本節課之前，對于勻速直線運動、勻變速直線運動、自由落體運動等運動類型學生已經很了解，也已經掌握了運動的合成與分解的分析方法，本節課的難點是要讓學生理解為何要將平拋運動分解成水平和豎直方向的分運動，通過手機軟件對平拋運動進行分析，學習更容易接受，運用多種手段整合處理問題，是促進學生深度學習的有效途徑。

在課堂引入環節，用手機上的APP軟件Spectre相機拍攝發光小球在黑暗中的運動路徑，快速得到發光小球的運動軌跡，如圖1所示。引導學生從受力情況分析斜拋運動與平拋運動的相同點是拋出之后忽略空氣阻力都只受到重力的作用，不同點在于拋出時的初速度方向不同，由此通過對比得到平拋運動的定義。

不同于斜拋運動在生活中處處可見，要想在實際生活中呈現標準的平拋運動其實是不容易的，通過手機軟件對發光小球的運動軌跡進行捕捉，如圖1所示，學生首先能夠十分感性地看出斜拋與平拋運動在軌跡上的不同，其次通過引導學生從受力和物體做曲線運動的條件來分析兩者的異同，讓平拋運動的定義得出水到渠成，有利于學生構建平拋運動的物理模型，促進科學思維的提升。

2.2? 慢鏡頭探究平拋運動分運動規律

得出了平拋運動定義之后，如何引導學生從運動的合成與分解的角度分析平拋運動是個難點。回顧牛頓運動定律解決問題時，常常把力分解到水平和豎直方向上，接著引導學生通過受力分析與運動分析得出只有重力作用在豎直方向上，并且豎直方向的初速度為零，運動類型應該是自由落體運動；而水平方向不受力，存在初速度，運動類型應該是勻速直線運動。如何通過實驗來更好地呈現平拋運動在水平和豎直方向分運動的性質呢？通過手機慢鏡頭錄制平拋運動演示儀的小球運動情況，如圖2所示，先讓平拋運動的小球與自由落體運動的小球運動做對比，再讓平拋運動的小球與水平方向上的勻速直線運動進行對比，探究平拋運動的分運動性質類型。

通過逐幀播放，可以十分清晰地看到每時每刻平拋運動的小球與對照組的小球的位置是保持一致的，最后兩個小球同時撞到一起，說明了小球在豎直方向上的運動類型是自由落體運動，水平方向上的運動類型是勻速直線運動。

2.3? 利用Vernier Video Physics定量處理平拋運動

在上述環節中，通過定性的對比分析得到了平拋運動的運動規律，但是由于阻力的存在，最終會有一些系統誤差呈現出來，如何才能更為精確地對平拋運動的水平和豎直方向進行準確的定量分析，進一步驗證之前的結論呢？用手機拍攝平拋運動小球的運動過程，可以利用Vernier Video Physics追蹤小球的運動軌跡。通過描點追蹤，如圖3所示，當間隔相等的時間段描點時，可以幾乎完美地看到小球在豎直方向的比例關系為1：3：5：7。從該圖可進一步驗證之前通過與豎直方向的自由落體和水平方向的勻速直線運動對比得到的實驗規律的正確性，還可以利用在相等時間間隔內的位移之差Δs=aT2進一步定量計算出小球在豎直方向的加速度的大小，進而與當地的重力加速度對比進行誤差分析。

Vernier Video Physics的優勢之處就在于可以利用物理圖像的方式對于物理量進行分析和處理，最后從圖像里探索物理規律，這樣的處理方式可視化程度更高，也更容易方便學生理解與接受。

以小球從水平導軌末端為坐標起點建立坐標系來分析運動流程。將圖中長度與現實長度的尺度換算之后，可以快速得到運動對象的運動擬合圖，水平方向的“位移—時間”圖像（x-t圖像）、和水平方向的“速度—時間”圖像（vx-t圖像），如圖4、5所示。

根據以上圖像，引導學生思考下面幾個問題：

思考1：根據圖像，平拋運動水平方向有何運動規律？

思考2：根據圖像，能否算出小球水平拋出時的初速度大小？

通過觀察圖像，首先可以定性得到平拋運動水平方向的運動性質為勻速直線運動，還可以通過讀取數據得到平拋運動的水平方向的初速度大小，這樣就很好地將學生對平拋運動的認識高度從定性分析的層次提高到了定量分析的認知層次。

進一步分析平拋運動在豎直方向的圖像如圖6和圖7所示，根據圖7的vy-t圖像可以估算出重力加速度的值略小于自由落體運動的加速度9.8 m/s2，可以引導學生分析為什么測出來的數據偏小，多次重復進行實驗是否可以規避這個誤差。最后通過總結誤差分析，原因主要為空氣阻力的作用，為系統誤差，以此培養學生尊重客觀事實的科學態度。

2.4? 解決真實問題，通過模型的建構促觀念提升

物理觀念能否達成，需要通過是否能夠利用其解釋生活中的自然現象和真實問題進行檢驗。在教學過程中，通過真實物理問題的創設，將對物理知識的理解和物理方法的應用滲透到解決真實問題的過程中，深化物理思想，內化物理觀念。

問題如圖8，為新加坡標志性景點魚尾獅公園內的魚尾獅雕塑，坐立在水波上的魚尾獅，其設計概念是將現實和傳說合二為一：獅頭代表傳說中的“獅城”，塑像的魚尾造型，浮泳于層層海浪間，既代表新加坡從漁港變成商港的特性，同時也象征著當年飄洋過海，南來謀生求存，刻苦耐勞的祖祖輩輩們。

已知魚尾獅雕塑噴泉口距離海面高8 m，能否利用一把刻度尺估測從魚尾獅口中剛噴出的水流的速度大小？

以新加坡的知名景點魚尾獅為問題情境，讓學生經歷信息提取、抽象、建模、推理的過程，提升應用物理模型解決問題的能力，只有通過真實問題的解決才能評測學生是否對于本節課的內容實現了深度學習。同時福建先民下南洋謀生存的歷史背景也容易激發學生對于閩南文化中拼搏奮斗精神的文化認同，提升學生的民族自豪感。

2.5? 基于真實的情境 促進深度學習

傳統教學中著重強調用化曲為直的思想來分解拋體運動這一類曲線運動，但是怎么分解，為什么要沿著水平和豎直這兩個方向進行分解，學生往往是缺乏直觀體驗的，這不利于學生思維的進階達成。而通過Vernier Video Physics這種手機上就能使用的軟件APP，可以在課堂上快速對運動過程進行捕捉，進而形成圖像，在對圖像的分析處理過程中，培養了學生讀圖、識圖和用圖的能力，在增強感性認識的同時也將分析過程很好地實現了可視化，讓學生從感性的定性認識逐步走向理性的定量分析，通過解決具體真實的問題促進學生對平拋運動模型的構建。學生的觀察能力、邏輯分析能力以及尊重實驗事實的科學態度在對圖像的處理分析過程中得到了培養，在聚焦問題的解決過程中促進深度學習的達成。

隨著信息技術手段的不斷迭代發展，智能手機上所搭載的傳感器越來越豐富，智能手機上的傳感器所能協助處理的情境也越來越多，例如Phyphox這款軟件就能夠利用手機上固有的傳感器完成30多種物理情境問題中的測量工作。智能手機的強大功能很好地拓展了一線教師的授課方式和授課的手段。與DIS數字實驗需要在電腦上先按照運行軟件，然后針對不同的實驗類型更換不同的傳感器進行信息采集不同，手機很好地展示了獨屬于它的優勢，也就是便攜性與普遍性。即使在一些實驗條件有限的地區也可以很好地利用智能手機軟件進行一定的實驗創新和信息技術融合，讓學生體驗新型的實驗方式，為實現教育的現代化添磚加瓦。

3? 結束語

通過小球平拋的真實情境，以實驗探究為主線，通過信息技術融合的方式突破傳統實驗教學中的重點與難點，以問題解決為導向，既讓學生體驗了知識的形成過程，又提升了學生的核心素養。現代社會是信息社會，今后的課堂中信息技術與課堂教學的融合將是大勢所趨，在課堂教學中怎樣去實現信息技術對教學的輔助作用從而達成深度學習是值得考慮的問題。

參考文獻：

［1］ 郭華. 深度學習及其意義[J]. 課程·教材·教法， 2016 （11）： 25-32.