基于信息技術的情境化物理教學研究

【摘要】以培養學生的科學思維為出發點，采用基于問題導向的教學模式，通過實驗創設雙縫干涉的物理情境，利用GeoGebra軟件構建物理模型，經過科學推理得出光的雙縫干涉的表達式，并對觀察到的干涉實驗現象進行科學論證.

【關鍵詞】信息技術；高中物理；課堂教學

1 引言

“科學思維”是物理學科核心素養的重要組成，學生在課堂上基于物理情境中的經驗事實構建物理模型，并對其進行抽象和概括的過程就體現了“科學思維”過程.本文通過“光的雙縫干涉”一課為例，介紹如何在課堂中以“科學思維”生成為主線利用信息技術等手段完成創設情境、構建模型、科學推理、科學論證的“科學思維”過程.

2 光的雙縫干涉的情境創設

2.1 活動1 分組實驗探究雙縫干涉的規律

光的雙縫干涉實驗容易操作，教師為學生提供激光筆和雙狹縫，通過設置任務讓學生分組實驗完成探究過程，并記錄實驗現象，如表1所示.

對于任務4和任務5，因為條紋間距過窄，學生很難用肉眼觀察并做出定性判斷.

2.2 用光傳感器進行進一步實驗

基于以上實驗中遇到的問題，選擇采用DISLab光傳感器進行進一步實驗.光傳感器將光強的強弱分布以圖像形式呈現，縱坐標表示光強.可以觀察到相鄰光強最值間的距離是等寬的，即相鄰亮條紋中心間距等寬.用縫寬為0.20mm和0.25mm的雙縫分別進行實驗，圖像如圖1和圖2所示.可以明顯看到縫寬變寬后，相鄰亮條紋中心間距變窄了.

設縫寬為d、屏到縫距離為l、波長為λ、相鄰條紋中心間距為Δx.改變實驗器材后教師再次對光雙縫干涉的特點和規律進行總結，如表2所示.

至此通過創設情境學生總結出雙縫干涉圖樣的特點，并得到Δx隨d、l、λ變化的定性規律，接下來教師引導學生深入探討這幾個物理量之間的定量關系.

3 建構物理模型

3.1 通過模型解釋明暗相間條紋的產生原因

“類比”是“科學思維”的一種，教師引導學生將光的干涉類比于機械波的干涉來解釋明暗條紋的產生原因，課堂上教師可以借助表格讓學生比較機械波干涉與光波干涉的異同點，具體如表3所示.

利用GeoGebra軟件建立物理模型模擬光的雙縫干涉，如圖3所示.

教師通過模型使學生理解光的雙縫干涉發生在三維空間內，屏上任意一點若為振動加強點，則此處光強最強，表現為最亮，若為振動減弱點，則此處光強最弱，表現為最暗，其余的位置光強介于最強和最弱之間，最終在光屏上呈現明暗相間的條紋.學生可以在“光屏”上選擇不同的點進行觀察，加深對模型的理解.

3.2 通過模型探究Δx與d、l、λ之間的定量關系

在光的雙縫干涉3D模型中移動鼠標將視角轉換為俯視圖，在GeoGebra軟件中構建俯視圖下的模型如圖4所示.其中雙縫S1S2之間的距離d可以通過滑動條自行調節.S1S2中垂線與屏交點為P0，令屏上任意一點P1到P0的距離為x，P1可以在屏上自由滑動.令雙縫到屏的距離為l，S1和S2到屏上任意一點P1的距離分別為r1、r2.以P1為圓心，r1為半徑作圓與r2的交點記為M，路程差r2-r1=S2M，過S1作S1N垂直于r2，交r2于N.令α=∠P1OP0，β=∠S2S1N.

課堂上教師讓學生分別調節d、x參量，讓學生觀察MN兩點間的距離和α、β的數值如何變化，同時提出問題：在活動1的實驗中d、l、x的大小關系.

4 科學推理與科學論證

4.1 通過模型輔助科學推理

學生在活動1中的實驗過程中體會到雙縫間的距離為0.20mm或0.25mm，這一尺寸相對于雙縫到屏的距離很小，相鄰兩條紋間的距離同樣也很小.通過在GeoGebra軟件中調節滑動條改變d，發現隨著雙縫間距離d相對于l越來越小，一方面MN兩點間距離逐漸減小，另一方面α和β也逐漸接近，因此在真實實驗情境下，當d相對于l足夠小時，可以將M和N看成一個點，并認為α和β相等.

學生繼續嘗試調節P1到P0的距離x，發現在x減小的過程中，α和β都逐漸減小，若屏到縫的距離l遠大于x時，滿足tanα=sinα.滿足以上近似后，由幾何關系得到xl=tanα、Δrd=sinα.

聯立可得Δr=dxl，并推導出相鄰條紋中央間距公式Δx=λld.

4.2 創設情境開展科學論證

“科學論證”是“科學思維”的重要組成，設計教學環節創設情境開展科學論證.教師組織設置活動2讓學生通過雙縫干涉儀觀察白光的雙縫干涉彩色條紋圖樣，總結特點并用雙縫干涉公式加以解釋.設置活動3，利用光傳感器測量紅光和綠光的波長，將波長與標準數值進行對比.

5 結語

基于TPACK（Technological Pedagogical Content Knowledge）理論，使用軟硬件創設情境輔助教學，能使教學效果更加明顯.首先使用GeoGebra軟件輔助推導使數學中的近似處理過程動態直觀化并易于學生理解，再設置者活動讓學生在課堂中使用光傳感器觀察光強分布，以上教學環節加深了課堂中技術知識、教學法知識和課堂內容知識的充分整合.

【基金項目：遼寧省教育科學“十四五”規劃2024年度一般課題《基于TPACK框架的情境化教學模式研究》；課題編號：JG24CB067】

參考文獻：

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[3]蔣煒波，王宏.物理實驗的設計如何指向學生科學思維的培養[J].物理教學，2019，41（12）：10-12+9.