用“数字化学习”进行学科深度融合

张燕红 毕文慧

数字化生活、数字化学习，这是在信息技术课程中落实学科间深度融合的重要领域。在这个领域可以相对单纯地利用技术去研究、解决实际问题，而不必过多顾及技术的操作要点、技术的原理探究等，让科学的深度融合丢掉很多包袱。在这样的数字化学习进程中，我们需要参考STEAM的理念，时刻关注科学精神、技术技能、工程思想、艺术审美、数学思维的运用。我们用“物理引擎（Algodoo）”数字实验室软件，探究物理问题，观察物理现象，发现物理规律，开展数字化学习，供大家参考讨论。

数字化学习准备：科学实验是发现真知的最奇妙的道路

1.明确数字化学习的意义

数字实验室，虽然不能代替真实的实验室，但是它可以让实验更容易、更快捷，并且能够完成很多现实中不容易完成的实验，它是探究问题的好工具。数字实验室有很多种，如可以探究数学的“几何画板”，探索物理的“物理引擎（Algodoo）”，研究地理的“谷歌地球”，还有与真实实验室通过传感器相连的数字实验设备等。

2.物理学科的问题选择

物理中有很多有趣的实验，如浮力、摩擦力、光的反射与折射等。你对哪个实验有疑惑，就可以通过Algodoo软件来设计自己的探究项目，在探究中观察实验现象，总结实验规律，并提高自己利用数字实验室的技能。

3.数字化学习软件推荐

Algodoo软件能够自动化、智能化地完成运动、光、机械等多方面的实验设计，甚至可以自由绘制元件、自行设计实验。例如，教师可以结合物理学习中的力学、光学等进行问题研究，使学生体验数字化实验的美丽，培育其数字化学习的素养。

数字化学习项目指导：探究光的传播规律

1.学科问题的引出

你知道“光年”这个词汇吗？这个单位是表示时间的还是距离的呢？

光的现象非常有趣，大到“月相”那样的宇宙现象，小到“光合作用”这样的微观现象，光可以说是我们人类最核心的需求之一。因此，光学研究是一个永恒的使命。

随着学习的深入，我们会对光的现象与规律有更多的疑惑，如光真是沿直线传播的吗？光真是由各种光合成的吗？现在就让我们用数字实验来一步步寻找答案吧。

2.学科探究的过程

在实验之前，我们不妨先制定一个探究方案，包括实验内容、实验的数字器材和实验结论等。当然，因为现在是初学数字化实验，也可以先针对实验进行尝试，先体验技术再设计更合理的实验方案，进行更丰富的研究。学生探究过程与教师技术指导如下。

（1）光直线传播的条件

①建立档案。启动Algodoo软件，新建一个背景是暗色的档案，并保存。

②制作光源。使用镭射笔工具，创建一个光源。并探索如何移动、旋转光源，如何调整光的颜色、粗细等参数。

③观察光在玻璃透镜内外的传播路径。使用方框工具，绘制一个方块，观察光的传播现象；右击设置一个材质为玻璃的透镜，观察光的传播路径与发生的现象，并讨论原因；制作更大的玻璃块，观察光在玻璃内部的传播路径。尝试旋转一下玻璃，让光不是垂直射入玻璃，你能观察到光的传播路径有什么变化？

④观察光在液体内外的传播路径。选中玻璃透镜逐一删除，并旋转光源；使用画笔在底部绘制一个器皿；在器皿上方制作一个较大的方块，执行右键菜单中的“液化所选物件”；执行控制条上的播放按钮，播放动画效果；观察光线在液体内外的传播路径。

⑤右击液体，改变其光的折射率，观察光传播路径的变化；液体中再次混入其他液体，观察光传播路径的变化。

参考以上技术，制定自己的实验方案，研究光在相同、不同的传播介质中的传播路径有何变化，由此可以验证、总结出光的哪些传播规律？

（2）探究光色散的奥秘

牛顿是第一个做光的色散实验的人，他发现了光谱，否定了那些凭经验认为白光是没有颜色的光组成的人的观点。这也告诉了我们一个道理，经验主义在科学实验面前是多么的苍白无力。

白光为什么能够色散出各色的光呢？参考以下的实验，让我们边观察，边思考，共同讨论、探索。

①观察单色光通过三棱镜的现象。制作一个单色光源，如红色；使用多边形工具，用Shift键配合，绘制一个三边是直线的封闭图块；使用材质功能，更换为玻璃材质；观察光折射后的现象。选中光源，执行右键菜单的“复制”，移动对齐两个光源，更换其中一个光源为另外的单色光，观察哪些单色光折射后是在红光上面，哪些是在红色下面（如图1）。

由以上对比实验，可以总结出，在相同的情况下，不同的单色光的折射角有什么差异？

②观察白光通过三棱镜的现象。更换光源为白光，观察色散现象；使用圆形、矩形等透镜，观察散射现象的不同程度（如下页图2）。

经过上面的实验，讨论不同透镜的折射功能有何不同？思考：为什么要用三棱镜进行实验？

3.要擅于利用教程和帮助学习技术

在技术学习与作品创作中，我们遇到问题，除去讨论、搜索之外，更要善于使用帮助，帮助往往是最好的教程。一般的教程或帮助是单独提供相关文档或菜单功能，而Algodoo这款软件提供的教程是在操作界面上直接指示操作的位置与功能，并进行相应的解说。

①跟着帮助中的教程学习，探究摩擦力或浮力实验。启动Algodoo软件，单击“？”，选择“物体滑动的摩擦”，然后就可以通过“下一步”按钮，直观地、一步一步地学习相关的技术，设计对比实验，探究摩擦力的有关问题。

②调用范例程序学习技术，探究超重与失重现象。启动Algodoo软件，执行“档案”“读取场景”，调用“elevator”（电梯）范例程序（如下页图3），通过指标用箭头键控制电梯，观察超重、失重现象。参考有关技术，学生们以小组为单位，设计自己的实验，研究超重与失重。

数字化学习交流总结：学科学习与技术技能共同成长

本次学习，学生主要以物理引擎（Algodoo）软件设计自己的实验，进行学科问题的探究。教师鼓励学生运用物理知识去仿真设计体现自己思维创新的实验。模仿是技术学习的基础，但是更高的层次应是运用技术、知识去创新，去创造，这样才能发展自己的创新思维。在交流中，教师建议学生们大胆秀出自己的设计，即使是一个很小的物理元件或者部分的机械构造，都会展现他们创新思维的成长与技术技能的进步。

在交流时希望大家关注以下两个角度。第一，用了什么方法进行实验探究，如在实验中对比现象，在实验中分析数据，在实验中质疑反正，在现实中创新尝试等。第二，采用了哪些技术，如何运用技术去设计实验，探究问题，如使用了不同的“材质”变化对比浮力的大小，使用了“复制”“液化”技术获得等体积的排水量等。

总之，数字化学习既要遵循科学性，又要发挥技术的高效、直观、快捷等优势，只有这样才能让我们的学习更有效益。另外，笔者还建议大家去了解、探索更多的其他学科的仿真实验的软件，通过实验心得的展示、分享，促进学科学习与技术技能共同成长。