鄭華云
(福清第二中學(xué),福建 福清 350300)
隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展,人類社會(huì)已全面進(jìn)入信息化時(shí)代,而面對(duì)種類繁多的信息以及隨之產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù),人腦已經(jīng)無法勝任這些數(shù)據(jù)的解析?!翱梢暬夹g(shù)”就是在這個(gè)背景下應(yīng)運(yùn)而生的解決方法之一??梢暬夹g(shù)(Visualization)是指利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù),將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來的技術(shù)。它涉及多個(gè)領(lǐng)域,成為研究數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)處理、決策分析等一系列問題的綜合技術(shù)。該技術(shù)在我們中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用,主要指通過信息技術(shù)手段,使物理知識(shí)以圖示、圖表、圖象等形式直觀地呈現(xiàn)給學(xué)生,增加物理教學(xué)的可視化程度,提高課堂的效率等。
高中物理教學(xué)中,有很多的物理量比較抽象,比如必修1 第一章中的“加速度”這個(gè)物理量,它是動(dòng)力學(xué)中的重要概念,也是學(xué)生初入高中時(shí),物理學(xué)習(xí)中遇到的較難理解的概念之一。尤其在涉及加速度定義及矢量性問題時(shí),初學(xué)者往往感覺一知半解。教學(xué)實(shí)踐中筆者依托希沃一體機(jī)配合Excel 表格工具高效構(gòu)圖,突破“加速度定義”教學(xué)難點(diǎn);借助智能手機(jī)軟件,形象直觀表達(dá)加速度的矢量性。具體做法如下:
中學(xué)物理有很多物理量是根據(jù)比值來定義的,即用兩個(gè)基本物理量的“比”來定義一個(gè)新的物理量,比值法定義的物理量基本特點(diǎn)是被定義的物理量往往是反映物質(zhì)的最本質(zhì)屬性,或者如速度、加速度,反映的是運(yùn)動(dòng)的基本特征,它們不隨定義所用的物理量的大小變化而改變。[1]
在“加速度”新課教學(xué)中,筆者類比速度定義方法給出了加速度的定義,但初學(xué)者對(duì)這個(gè)比值定義往往無法理解透徹。因此,在“加速度”第二課時(shí)中,筆者利用某個(gè)物體速度隨時(shí)間變化的幾個(gè)數(shù)據(jù),在課堂中借助教室希沃一體機(jī)打開Excel 表格,實(shí)時(shí)呈現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入過程,師生共同“見證”圖表上點(diǎn)跡的生成,及時(shí)板演Δv、Δt(如表1)。緊接著教師及時(shí)板書加速度的定義a=。我們可以看到,在同一直線中,Δv變大,Δt也隨著變大,但二者的比值卻保持不變。再次輸入另一個(gè)物體的速度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù),在Excel 表格中,實(shí)時(shí)呈現(xiàn)兩條直線(如表2),在表格中直觀地呈現(xiàn)出斜率不同的兩條直線,即兩個(gè)不同的加速度。教師還可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生明確:速度-時(shí)間圖象中,直線斜率越大,加速度越大。通過Excel 表格工具的實(shí)時(shí)高效構(gòu)圖,既促進(jìn)了學(xué)生對(duì)加速度比值定義方法的理解,又呼應(yīng)了本章第二節(jié)所學(xué)的“位移-時(shí)間圖象”的構(gòu)建,完成數(shù)理結(jié)合的教學(xué)銜接,為后續(xù)各種圖象的應(yīng)用,奠定良好的基礎(chǔ)。
表1 Excel 表格(截圖)
表2 Excel 表格(截圖)
從初中到高中存在多個(gè)思維“臺(tái)階”,這給高中的物理教學(xué)帶來了一定的難度,尤其從初中的標(biāo)量進(jìn)階到高中的矢量,以及隨之而來的從代數(shù)運(yùn)算到幾何運(yùn)算的提升,這些對(duì)初學(xué)者來說難度頗大。在“加速度”教學(xué)中,由于牛頓力學(xué)還沒接觸,學(xué)生對(duì)加速度的方向尤其難以理解。筆者在實(shí)際教學(xué)中,通過形象直觀的矢量圖示、圖象,呈現(xiàn)加速度的矢量性,為學(xué)生鋪就思維“臺(tái)階”。當(dāng)然,在本單元教學(xué)中,加速度的矢量性不宜做過多的拓展,只需要通過教學(xué)讓學(xué)生明確加速度也和速度、位移一樣,它具有方向性,也是矢量。具體做法如下:
1.矢量圖示,化抽象為形象
物體做加速直線運(yùn)動(dòng),即vt>v0,Δv方向與v0方向相同;物體做減速直線運(yùn)動(dòng),即vt<v0,Δv方向與v0方向相反。從加速度定義可知,加速度方向與Δv方向相同,結(jié)合圖示可得:物體若加速則a與v0同向;反之,a與v0反向(如圖1、圖2)。通過幾個(gè)簡(jiǎn)單的“箭頭”,讓學(xué)生直接觀察到速度、速度變化、加速度的方向,理解幾個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)物理量的矢量性。同時(shí),也通過教師的示范,讓學(xué)生養(yǎng)成動(dòng)手作圖的好習(xí)慣。引導(dǎo)學(xué)生在今后的解題過程中,能夠通過作圖,化抽象為形象以輔助分析物理過程或規(guī)律。
圖1
圖2
2.借Phyphox 手機(jī)軟件,形象直觀表達(dá)加速度的正負(fù)性
手機(jī)軟件Phyphox 全稱是“Physical Phone Experiments,是2016 年德國亞琛工業(yè)大學(xué)基于傳感器設(shè)計(jì)開發(fā)的一款專門針對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的手機(jī)軟件,安卓系統(tǒng)和IOS 系統(tǒng)均可直接下載使用。[2]在“加速度”這節(jié)課的第二課時(shí),我們運(yùn)用的是Phyphox 軟件中的加速度功能(如圖3)。課堂上,利用希沃白板的“手機(jī)投屏”功能,將軟件內(nèi)容“同屏”到希沃上,教師手持手機(jī),演示手機(jī)從靜止到運(yùn)動(dòng),再從運(yùn)動(dòng)到靜止,即先加速后減速的過程。在屏幕上,師生共同見證手機(jī)加速度的變化,加速度先是正值,然后負(fù)值,如圖4。
圖3 Phyphox 功能界面
圖4 Phyphox 界面加速度正負(fù)圖象
Phyphox 軟件讓手機(jī)秒變物理實(shí)驗(yàn)室,實(shí)驗(yàn)室不再是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的固定場(chǎng)地,教師還可以把軟件推送給學(xué)生,讓學(xué)生憑借手機(jī)在家也能輕松自行探究,學(xué)生擁有更廣泛的空間自由。利用這些電子設(shè)備,教師不但能幫助學(xué)生獲得真實(shí)的物理實(shí)驗(yàn)體驗(yàn),還可以增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用手機(jī)等電子設(shè)備進(jìn)行物理探究的意識(shí),轉(zhuǎn)變學(xué)生只將手機(jī)和電腦看作是娛樂消遣工具的固有想法,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。[3]
課堂上我們所做的各種努力都旨在化抽象為形象,利用圖象的“凸”和“凹”形象地表達(dá)加速度的正與負(fù),將“看不見”的概念,用“看得見”的圖象形象地呈現(xiàn)出來。與“口述”式的推理講授相比,這種形象直觀的數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)方式,更容易引起學(xué)生的關(guān)注與學(xué)習(xí)的興趣,從而讓學(xué)生在“眼見為實(shí)”的情況下,輕松收獲知識(shí),突破我們的教學(xué)難點(diǎn)。另外,教師還可以留給學(xué)生一份家庭作業(yè):利用Phyphox 軟件,觀察手機(jī)在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)的三個(gè)軸向加速度的輸出值,上網(wǎng)查詢資料“手機(jī)搖一搖和計(jì)步功能是如何實(shí)現(xiàn)的”等。教學(xué)中不斷滲透這樣的思想:物理知識(shí)就在我們身邊,它來源于生活,又服務(wù)于生活。讓學(xué)生帶著幾分好奇幾分熱愛去探究物理知識(shí),相信會(huì)有更多的學(xué)生愛上物理。
物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科,物理概念、定律和理論,都是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立起來的,因此,在教學(xué)實(shí)踐中做好實(shí)驗(yàn)教學(xué),是我們的重中之重。以下,筆者以牛頓三大定律的加速度定律、作用力與反作用力定律的實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例,和同仁們探討數(shù)據(jù)可視化技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用。
筆者所在學(xué)校在實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生配備了朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)(DISLab,簡(jiǎn)稱DIS),該系統(tǒng)包含傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)和配套軟件,為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、直觀等便利,優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、提高實(shí)驗(yàn)的精確度和教學(xué)效率。[4]以下,筆者以魯科版高中物理必修一第五章第四節(jié)《牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律》教學(xué)中力傳感器的使用為例,介紹DIS 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。
在實(shí)驗(yàn)室沒有力傳感器之前,我們往往是利用兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)對(duì)拉的方式,讓學(xué)生展開實(shí)驗(yàn)研究,如圖5。該實(shí)驗(yàn)在彈簧測(cè)力計(jì)使用前需要調(diào)零,讀數(shù)時(shí)需要在兩個(gè)測(cè)力計(jì)間不斷觀察對(duì)比,比較費(fèi)時(shí),且不夠精確。有了力傳感器,教師可以讓兩個(gè)學(xué)生面對(duì)面拉動(dòng)力傳感器,他們或靜止或走動(dòng),電腦屏幕上都能實(shí)時(shí)呈現(xiàn)一對(duì)作用力和反作用力等大反向關(guān)系,如圖6。千言萬語都抵不過這份由DIS 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所獲得的圖象有說服力,這就是數(shù)據(jù)可視化的魅力,在提高實(shí)驗(yàn)精確度的同時(shí),大大提高了課堂的教學(xué)效率。
圖5
圖6
在魯科版物理必修一第五章第二節(jié)《科學(xué)探究:加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》即牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)探究中,教材中采用傳統(tǒng)的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器來測(cè)算加速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究,學(xué)生需要對(duì)于紙帶上點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離進(jìn)行反復(fù)的人工測(cè)量,再利用逐差法計(jì)算加速度。然而,測(cè)量的誤差、學(xué)生計(jì)算能力低下等帶來的失誤,往往導(dǎo)致學(xué)生難以驗(yàn)證該實(shí)驗(yàn)定律。面對(duì)繁瑣的測(cè)量與計(jì)算,學(xué)生往往望而生畏,從而放棄該實(shí)驗(yàn)的探究。因此,在教學(xué)實(shí)踐中,筆者借助氣墊導(dǎo)軌系統(tǒng)、數(shù)字計(jì)時(shí)器等實(shí)驗(yàn)儀器,替代教材中打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、小車等實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),配合Excel 表格工具實(shí)現(xiàn)學(xué)生實(shí)時(shí)繪制圖象,通過圖象得出實(shí)驗(yàn)探究規(guī)律。通過Excel 表格公式計(jì)算,節(jié)省大量人工的運(yùn)算時(shí)間,而且Excel 表格工具能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制擬合圖象。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn),使學(xué)生更加直觀地觀察到實(shí)驗(yàn)結(jié)果,從而更好地完成實(shí)驗(yàn)相關(guān)規(guī)律與結(jié)論的驗(yàn)證與分析。具體做法如下:
如圖7,安裝實(shí)驗(yàn)裝置,首先保持滑塊質(zhì)量不變,改變鉤碼質(zhì)量(對(duì)應(yīng)滑塊所受合外力大?。?,通過光電計(jì)時(shí)器讀取、記錄擋光片經(jīng)過光電門時(shí)間,在事先編寫好公式的Excel 表格中陸續(xù)輸入t1、t2,緊接著Excel表格實(shí)時(shí)生成擋光片經(jīng)過光電門的速度,以及速度平方差、加速度的數(shù)值。關(guān)于表格中用到的計(jì)算公式,學(xué)生有任何不理解的地方,都可以通過移動(dòng)鼠標(biāo)單擊該數(shù)據(jù),來顯示該數(shù)據(jù)的計(jì)算公式,如表3,fx=500/D5即對(duì)應(yīng)v1==52.6cm/s。(其中d 為擋光片的寬度)。
圖7 氣墊導(dǎo)軌實(shí)驗(yàn)套裝
表3 Excel 表格(截圖)
不同于DIS 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法,這種利用Excel表格工具處理數(shù)據(jù)的方法在節(jié)省學(xué)生計(jì)算時(shí)間的同時(shí),讓學(xué)生同時(shí)參與到數(shù)據(jù)生成的整個(gè)過程,培養(yǎng)了獲取和處理信息的能力。在多次改變滑塊所受的合外力之后,采集足夠數(shù)據(jù),選中數(shù)據(jù)欄“鉤碼質(zhì)量”(合外力)和“加速度a”,插入“圖表—散點(diǎn)圖”。由于實(shí)驗(yàn)存在一定誤差,這些點(diǎn)不在一條直線上,但我們可以從中找到一條合適的直線,使各散點(diǎn)到這條直線的縱向距離之和最小,即尋找這些散點(diǎn)的一元線性回歸直線。筆者所教班級(jí)在本次實(shí)驗(yàn)中,90%以上同學(xué)都可以得到一條幾乎過原點(diǎn)的直線(如表4),即得到實(shí)驗(yàn)探究結(jié)論:對(duì)同一物體,當(dāng)質(zhì)量不變時(shí),加速度與合外力成正比。
表4 Excel 表格(截圖)
同理,保持鉤碼質(zhì)量不變(合外力不變),改變滑塊質(zhì)量,探究加速度與物體質(zhì)量的關(guān)系。各散點(diǎn)無法擬合線性回歸直線,更接近一條反比例函數(shù)圖象。由于曲線規(guī)律較難驗(yàn)證相應(yīng)的變量間關(guān)系,教師可以引導(dǎo)學(xué)生變a為,去驗(yàn)證加速度倒數(shù)與物體質(zhì)量的關(guān)系,如表5。擬合直線時(shí),剔除偶然誤差較大的一個(gè)點(diǎn),最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果:對(duì)不同物體,當(dāng)合外力不變時(shí),加速度倒數(shù)與物體質(zhì)量成正比,即得到加速度與物體質(zhì)量成反比的規(guī)律。
表5 Excel 表格(截圖)
傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)探究中,學(xué)生也是經(jīng)歷上述數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、得出結(jié)論的過程。不同的是,我們通過Excel 表格工具快速運(yùn)算,實(shí)時(shí)描點(diǎn),軟件擬合圖象,又快又準(zhǔn)得出結(jié)論。省去煩瑣的運(yùn)算時(shí)間,課堂上,學(xué)生有更多的時(shí)間去挖掘數(shù)據(jù)背后的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,從而更從容地展開分析、論證、交流與合作。
當(dāng)然,可視化技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用遠(yuǎn)不止這些。如,利用仿真物理實(shí)驗(yàn)室,可以讓實(shí)驗(yàn)隨時(shí)“播放”“暫?!被蚋淖儏?shù)等,讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程有更深刻的認(rèn)識(shí)。再如軟件模擬電流流動(dòng),將“看不見”的電子流動(dòng)顯現(xiàn)出來以輔助學(xué)生進(jìn)行電路分析等。通過可視化技術(shù),還原物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的本質(zhì),實(shí)現(xiàn)抽象知識(shí)直觀化、微觀現(xiàn)象可視化、復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化的最終目標(biāo)。這里就不一一詳述。
根據(jù)教學(xué)的規(guī)律,結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況,我校每個(gè)學(xué)期都舉行期中考、期末考。測(cè)試依托“智學(xué)網(wǎng)”智能化分析平臺(tái),通過學(xué)生答題數(shù)據(jù),分析、挖掘考試價(jià)值。每次測(cè)試數(shù)據(jù),平臺(tái)根據(jù)學(xué)生答題情況提供給教師四個(gè)層次答題結(jié)果,即“困難”“較難”“一般”“較易”四檔以及每道客觀題的正答率。教師課堂講評(píng)可以根據(jù)難易程度選擇詳評(píng)、簡(jiǎn)評(píng)以及每道題不同選項(xiàng)講評(píng)的詳略處理。
通過平臺(tái)數(shù)據(jù)分析,教師可以輕松獲得試卷難易度、題目得分率、知識(shí)點(diǎn)等的分析,試題重難點(diǎn)分析躍然“紙上”,這些數(shù)據(jù)主要是針對(duì)班級(jí)的總體情況進(jìn)行分析。此外,系統(tǒng)還能記錄幾次測(cè)試數(shù)據(jù)的橫向與縱向比較,進(jìn)步、退步、臨界生的關(guān)注等,關(guān)注到每個(gè)學(xué)生的答題情況。通過測(cè)試數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn),教師可以輕松地把握班級(jí)或?qū)W生個(gè)體存在的問題,從而“對(duì)癥下藥”。在這樣的環(huán)境下,我們課堂教學(xué)的針對(duì)性就大大增強(qiáng),從而實(shí)現(xiàn)我們的精準(zhǔn)教學(xué),提高課堂教學(xué)效率,減少教學(xué)盲目性。
如今在我們教室里坐著的是一群“數(shù)字土著”。教師應(yīng)逐步學(xué)習(xí)成為“熟練應(yīng)用信息技術(shù)的新型教師”,去“適應(yīng)信息化、人工智能等新技術(shù)變革”。[5]目前,教師的教學(xué)環(huán)境已逐步從多媒體教學(xué)環(huán)境向混合學(xué)習(xí)環(huán)境過渡,并開始探索智慧環(huán)境下的教學(xué)。筆者所在學(xué)校,智慧教室里給每位學(xué)生配備一臺(tái)平板,課堂上教師依托清大學(xué)堂——電子書包展開互動(dòng)課堂,課后可上傳“課堂記錄”,方便課后進(jìn)行教學(xué)反思。平臺(tái)上的應(yīng)用“課堂回顧”,以各種數(shù)據(jù)、圖表、圖象等可視化的方式再現(xiàn)課堂上的“痕跡”,從而為教師的教學(xué)反思提供有力的素材。以下,筆者以《牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律》這節(jié)課的“課堂回顧”為例,介紹如何利用可視化的課堂反饋,提升教學(xué)反思的深度。
如圖8,從課堂參與度、課堂交互度、目標(biāo)達(dá)成度三個(gè)維度分析本堂課的整體情況。通過數(shù)據(jù)及相應(yīng)的雷達(dá)圖,教師可以輕松了解到,雖然各區(qū)學(xué)情不同,三個(gè)維度未必會(huì)一致,但明顯本堂課的“交互度”遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于全國水平,因此在今后教學(xué)集備中,應(yīng)重點(diǎn)討論如何實(shí)現(xiàn)師生、生生間的“交互”。
圖8
如圖9,按照本堂課教師開展教學(xué)活動(dòng)的順序,平臺(tái)上呈現(xiàn)每個(gè)活動(dòng)的名稱、參與人數(shù)、活動(dòng)類型、所占時(shí)間及總時(shí)間,幫助教師更好地回顧本堂課的教學(xué)節(jié)點(diǎn)。特別是環(huán)狀圖,以不同顏色標(biāo)示每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的時(shí)間分配。從圖可知,本堂課作為新課講授,“答題/測(cè)試”時(shí)間過長(zhǎng)。
圖9
課堂測(cè)試的數(shù)據(jù)結(jié)果,會(huì)按照正確率或者表揚(yáng)榜高低排名;還會(huì)從各題整體正答率和具體到每一個(gè)學(xué)生的作答情況來呈現(xiàn)學(xué)生活動(dòng)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)以餅狀圖、表格等數(shù)據(jù)可視化的反饋方式,使學(xué)生的課堂活動(dòng)情況清晰明了。而傳統(tǒng)的課堂,由于條件的限制,教師的講授只能針對(duì)大部分學(xué)生,無法關(guān)注到所有的學(xué)生。現(xiàn)在,借助平臺(tái)的“課堂回顧”功能,我們可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)教學(xué)中存在的問題,及時(shí)利用課后輔導(dǎo)時(shí)間展開個(gè)性化的培優(yōu)輔差工作,提高教學(xué)管理的效率。
目前,我校還無法做到每個(gè)教室為每生配備一臺(tái)平板(智慧教室是公用教室),但相信不久的將來,隨著學(xué)校的發(fā)展,必然能實(shí)現(xiàn)智慧環(huán)境覆蓋全校,打造智慧校園。到那時(shí)只要教師在下課時(shí)將答題、書寫、隨堂測(cè)試數(shù)據(jù)回傳到云端,不僅教師可以及時(shí)回顧課堂情況進(jìn)行反思,學(xué)生、家長(zhǎng)也可以共同參與到教學(xué)反思中來,加強(qiáng)家校的聯(lián)系,同時(shí)讓學(xué)生加深對(duì)知識(shí)的理解,總結(jié)學(xué)習(xí)中的經(jīng)驗(yàn),以更好地服務(wù)教學(xué)。