电子双板让物理教学进入3D时代

朱征宁

（苏州市第一中学校，江苏 苏州 215005）

随着教育信息技术的不断革新，越来越多的文本和影像呈现技术运用于课堂之中，尤其是物理学科，它源于自然和生活，又大量应用数学的计算，还要通过自己的实际操作进行探究，因此物理的课堂必然会有各种各样的内容需要被呈现.所有任何最新的信息技术呈现方式，都会最先出现在物理课堂上.交互式电子双板系统（由于本文不涉及其交互功能，下文均简称电子双板）是最近几年刚刚被引入到课堂，代替原有的投影仪或电子白板.作为一个前期的试用者，笔者在摸索和尝试中发现它的双板呈现的多样性相比于以往的单板呈现方式更符合学生认识的过程，有助于提高他们在学习概念及方法时理解的清晰度，使学生能更快地应用到实际问题的解决过程中去.

1 电子双板环境及理论基础

双重编码理论（dual coding theory）是电子板的重要理论基础之一.它是由心理学家Paivio及他的研究团队提出的.该理论认为，在人们的长时记忆中，存在着两个负责信息的编码、组织、加工和存取的表征系统：言语编码系统和非言语编码系统.言语编码系统由言语码表征言语信息，比如字母、数字、音素、音节；非言语系统由心象码表征非言语信息，比如看得见的具体物体、听得见的声音、物体的重量、温度、味道等.该理论表明，同时以视觉（图像）形式和语言（文字）形式呈现信息能够增强记忆和识别.知识可视化将知识以图解的方式表现出来，为基于语言的理解提供了很好的辅助和补充，大大降低了语言通道的认知负荷，加速了思维的发生.

而双重编码理论应用于电子双板课堂教学是利用电子双板的双画面显示，让双板的其中一板呈现言语信息，另一板呈现非言语的图像、视音频等，当然实际上课过程中也可以双边都是语言或非语言信息，但可能是不同角度的，使两块板之间建立起主辅、对比等具有一定逻辑性的关系，使两者同时呈现并共同服务于同一个知识主题，以促进学习者大脑语言系统与非语言系统激活，提高学生的学习效率，方便教师组织课堂教学活动.

2 课堂实录

电子双板系统引入课堂教学，有很多的实用技巧，以下是笔者在备课过程及上课实际使用过后的一点思考.

2.1 左屏摄像头、右屏传感器，全方位观察DIS实验

在准备“牛顿第三定律”这节课的过程中，笔者看了诸多的教学设计，但大多偏重于感性实验的展示.笔者认为高中物理有别于初中物理的最大特征正是从感性认识过渡到理性认识.初中讲牛顿第三定律，主要为了体现作用力的相互性，做了大量的、丰富的感性实验是必需的，否则不能体现作用力是相互的普遍性.但是到了高中不能再重复初中的实验，高中讲牛顿第三定律应该更侧重相互作用力的定量研究，期间也必然会使用到二力平衡的特性.这样这节课不仅能得出完整的牛顿第三定律，更能了解到一对相互作用力和一对平衡力的区别与联系.如果这个地方含糊处理，就会导致不少学生学习受力分析时总是混淆相互作用力和平衡力.

因此笔者考虑本课侧重在相互作用力的定量研究上，学生刚刚学过三大性质的力，其中弹力和摩擦力对应的相互作用力相对容易研究，但是重力作为非接触力的典型代表，较难研究其相互性，但为了体现相互作用力特征的普遍性，笔者选择了磁力作为非接触力代表，然而遇到了问题，发现用弹簧秤测量很困难，就算勉强平衡也很难进一步研究在非平衡状态下的情况.

最终笔者选择了用DIS数字传感器，为了让所有人看到演示实验，用了一个摄像头拍摄实验现场及操作过程的细节，通过投影呈现给学生但是传感器采集的数据图像也是要让学生同步看到的，于是双板显示的优势就体现了出来.如图1所示，左屏为传感器的数据采集图表，右屏为两个相互吸引但未接触的小磁环（质量很小，相对磁力而言重力可以忽略），无论是平衡还是非平衡状态学生通过双板能同时看到两个动态的情景，将两个不同维度的影像同时展示在学生眼前，就如同看“3D”电影，让学生体会更真实，更深刻.

图1

其实类似的双板双显的应用可以在很多场景使用，例如在电学实验中让左屏用摄像头显示教师操作电路的细节，右屏用另一个摄像头显示电表的读数变化.这样的例子很多，此处不一一枚举，完全可以发挥教师的教学想象力.

2.2 左屏理论、右屏实验，轻松掌握滑动变阻器分压接法技巧

前文实例中的双板双显的内容都是两个不同维度的影像或者两个视频内容，它更多的是增强视觉效果.下面笔者在准备“电阻的测量”这节课时，发现了另一个应用形式，这个形式更加体现其双重编码的原理.这节课笔者主要从3个方面切入，让学生初步了解电阻测量基本操作部分的各个环节.一是电表量程的选择，二是控制电路的选择，三是测量电路的选择.其中关于控制电路的选择一直是难点，到底是选择分压接法还是限流接法，滑动变阻器选大的还是小的.为了让学生更深刻了解和掌握其中规律，笔者选择如下方法.

实验：通过实验测定一个阻值约为5Ω的电阻Rx的阻值.现有电源（3节干电池，E＝4.5V），滑动变阻器（20Ω，2A），开关和导线若干，以及下列电表：电流表 A1（0.6A，r约0.125Ω）；电流表A2（3A，r约 0.025 Ω）；电 压 表 V1（3V，r约3kΩ）；电压表 V2（15V，r约15kΩ）.

请画出电路图，并选择合适器材连接电路，完成数据记录表1.

表1 数据记录表

双板显示内容如图2所示，开始时学生都是用的限流接法，这也是初中常用电路.在实际操作中立刻有学生发现问题：

学生：“0.5V”达不到，最小到“0.7V”.

于是引出测量范围更大的分压接法（具体引出方法，本文不做叙述）.

图2

学生初次学习分压接法，无论是电路图还是实物电路都很陌生，双板显示如图3所示，学生在边学画电路，边跟着教师搭建电路的过程中轻松掌握滑动变阻器的分压接法.

图3

而滑动变阻器的选择，我们可以通过将实际操作与几何画板观察结合当滑动变阻器阻值为200Ω时，移动滑动变阻器滑片，观察电压表示数变化.再将滑动变阻器的阻值改为20Ω时，移动滑动变阻器滑片，观察电压表示数变化.如图4、图5所示，我们会发现电压表示数在滑动变阻器的阻值为200Ω时，随滑片移动要么变化不明显，要么急速变化，难以操作，而滑动变阻器的阻值为20Ω时，相对好操作些，如果待测电阻与滑动变阻器阻值相近或更大，Ux-RAP图几乎呈线性.这样就方便的得出分压接法的适用条件：（1）要求的测量范围较大或测量电压要求从0开始；（2）待测电阻与滑动变阻器相近或更大.

图4 滑动变阻器的阻值为200Ω时U-RAP图像

图5 滑动变阻器的阻值为20Ω时U-RAP图像

这样的模式使得理论与实际相结合，同时呈现让学生记忆深刻，理解透彻，十分符合物理学科的就物说理，及物穷理的学科特征.

2.3 左屏电势能、右屏重力势能，全程类比深度理解电势能

前面2个例子都是体现视觉的直观性，但是物理课经常涉及十分抽象的概念，很难找到直观的情景.例如电势能就是一个非常抽象的概念，在准备“电势能”这节课时，常常是要将电势能和重力势能进行类比，而困难往往是如何将他们的类比关系呈现出来.在这里笔者将电子双板的左板始终以电势能为线索，右板始终以重力势能为类比对象，分别在4个类比点进行类比迁移.

（1）如图6所示，类比重力势能，引出电势能概念.

（2）如图7所示，类比重力做功与路径无关，得出电势能有确实意义的条件：电场力做功与路径无关.

（3）如图8所示，类比重力做功与重力势能变化的关系，得出电场力做功与电势能变化的关系.

图6

（4）如图9所示，通过类比发现判断电势能变化的方法与判断重力势能变化的方法之间的区别与联系.

如此，在整节课的问答中，让电势能始终与重力势能在类比状态下同时出现在学生面前，使得他们在对电势能概念的理解和记忆有了充足的时间和深度.

这种呈现方式不仅适合概念学习，同样也适合问题解决的方法和策略.例如在高三复习阶段有很多问题的解决方法是相似的，我们可以通过两个问题的解决过程对比总结出方法，或者通过左边问题的解决方法迁移到右边问题的解决过程中去.

图7

图8

图9

3 课后反思

以上3个实例只是电子双板在呈现方式上一些简单的探索.相信还有更多的双板对比方式有待挖掘，常见的物理思维方法都可以通过这种对比形式进行渗透.双板不仅是“1”＋“1”＝“2”，更像是从二维空间到三维空间，会发现有更广阔的世界有待探索，但是我们也不能对现代信息技术太过依赖或者唯技术论.上课就像是铺路，学生就是走教师铺的路，而信息技术手段也仅仅是桥梁，不能乱架、多架，否则本来很平稳的路也变得高低起伏，走得不顺.应在平常路所不能到达处，或要绕圈子的地方架设，使之成为不可代替的绝佳方案，让道路变得更加平直好走.