《多普勒效应》的微课程设计与实现

潘娜娜+李丽

摘 要：为了提高学生对生活中物理现象的观察和科学探究能力，训练学生的科学计算能力并辅助物理课程的教学以改善教学效果，本文以多普勒效应为例，依据提出问题、分析问题、内容学习、解决问题、可视化问题、问题拓展与资源拓展的设计思路介绍了这一知识点在微课程中的实现过程。

关键词：多普勒效应 微课 设计 实现

中图分类号：G642 文獻标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）10（c）-0191-02

多普勒效应是物理学中一个重要的内容，描述的是波源、观察者相对于介质运动时，观察者接收到的频率与波源发出的频率存在差异的现象，定性来说，只要波源与观察者相互靠近，那么观察者接收到的频率高于波源频率，反之，则低于波源频率[1]。这种现象适用于所有类型的波并普遍存在我们的生活之中，而这种效应也被广泛地应用于交通、通信、医学、天文学等领域。

但是，笔者在教学过程中发现，历届学生在学习这一内容时经常存在理解困难导致掌握的效果不佳，部分学生一个学期学完了却还不知道究竟什么是多普勒效应。因此，为了改善教学效果，提高教学效率，培养学生理论联系实际的能力，帮助他们更好地理解生活中的多普勒效应并提高学生对生活中物理现象的观察及科学探究能力，我们特别针对该问题设计了一个微课程，设计的思路如图1所示，即包括提出问题、分析问题、内容学习、解决问题、可视化问题、问题拓展与资源拓展等七个部分。

第一步：提出问题。>问题的提出是微课程设计成败的关键，好的微课程设计应当能够快速吸引学生的学习兴趣。笔者在该微课程设计的过程中，选取了热点新闻即马来西亚航班MH370失联作为微课的引入。2014年3月8日，马来西亚航空公司证实一架载有239人原定由吉隆坡飞往北京的波音777飞机与管制中心失去联系。就在各国根据飞机原定航向投入大量搜救力量并期待乘客安全归来的时候，3月24日马来西亚总理却宣布，国际海事组织认为马航失联航班MH370在飞行的过程中发生转向并已在南印度洋坠毁。紧接着抛出问题“国际海事组织如何判定MH370最终的航向”激发学生的好奇心。笔者发现，通过这种与时事联系的方式引入，可以有效地激发学生的学习兴趣，使他们愿意并期待继续了解与学习相关的内容。

第二步：分析问题——>继续发问“我们如何实时监控飞机的位置与高度并获取飞机的航向呢”，这里需要进行一些简单的拓展向学生介绍一次雷达与二次雷达的工作原理，并在之后点题：国际海事组织在判定最终航向中利用了多普勒效应。此时，学生就会很迫切地希望详细了解究竟什么是多普勒效应，而国际海事组织又是如何根据多普勒效应去寻找失联飞机的。

第三步：内容学习。>物理知识的教学不应当仅仅局限于知识的本身，否则学生将变成背公式的机器。笔者认为，我们更应当教授他们人类在探索与认识这些知识背后所蕴藏的内容，因此该微课程的制作过程也充分重视了这一点，即将物理学史融入到物理的教学过程[2]。该部分首先介绍克里斯琴·约翰·多普勒发现多普勒效应的故事，给出多普勒效应的定性结果。接着以机械波为例，插入《生活大爆炸》第一季第六集的视频片段让学生通过里面的人物谢耳朵的肢体与声音对多普勒效应产生感性认识，然后通过变量控制，定量分析波源和观测者沿着两者的连线时波源运动与观测者运动时该效应产生的原因，并在此过程中注重物理思想的训练与培养。

第四步：解决问题。>将机械波多普勒效应推广到电磁波的多普勒效应，在此过程中为了继续贯穿物理学史的教育，笔者认为可以根据微课程的制作需要插入克里斯琴·约翰·多普勒对恒星颜色认知、美国物理学家伍德闯红灯、爱因斯坦相对论等内容的简要介绍。最后，利用电磁波的多普勒效应，回归马航MH370航班的航向判定问题，引导学生自己通过多普勒效应的学习给出解释，这一过程中注意对学生科学方法与科学思维的引导和训练。

第五步：可视化问题。>伴随MATLAB、Mathematica等数值仿真软件的快速发展，科学计算日益成为学生一项重要的能力[3]。将数值仿真引入到物理的教学中，可以使学生更容易掌握物理概念与理解物理的内涵，并训练学生的科学思维。为了提高学生通过科学计算处理实际问题的能力，笔者以汽车测速为例，利用MATLAB仿真[4]不同汽车的速度与频率差别之间的关系，让学生得到形象直观的认识，并体会到物理、数学与计算机结合的思想在学习物理类课程中的应用。当然，这里也可以利用MATLAB制作成动画的方式，以动态的形式向学生展示汽车在行进过程中车速、波长及频率等物理量的变化，这样的话演示效果会更好也更有趣。

第六步：问题拓展。>微课程的设计不仅应当让学生带着问题开始，更应该让学生带着问题结束。所以在这一部分，笔者认为可以设计一些启发学生观看完微课程后思考的问题，例如当波源与观察者同时相对介质运动但是并未沿着两者连线运动时，是否一定存在多普勒效应？波源及观测者的速度大于介质中波速时将会出现什么情况。

第七步：资源拓展。>大学的课程教育应当变学生的被动学习为主动学习，所以笔者认为资源拓展这一部分的内容是不可缺少的。教师可以在这里通过图片展示、提供链接等方式引导学生调研与知识点相关的内容，譬如多普勒效应在医学（多普勒超声仪）、通信（移动通信中的多普勒效应）、天文学（哈勃定律的发现）、分子旋转多普勒效应等中的应用，并向学生提供更多的公开课视频及书籍、参考文献等资料，作为微课资源的有益补充，帮助他们加深对该问题的理解和认识。而事实上，这里的每一项资源拓展均可以作为微课程设计的第一部分，即可以放在第一步提出问题这里，作为多普勒效应微课程的导入内容。

特别需要指出的是，其中在第五步可视化问题中，我们将编制的MATLAB仿真程序作为微课程包的一个资源提供给学生，可以让他们根据需要进行修改和亲自实现仿真，这样不仅能够提高他们用数学软件编程辅助物理学习的兴趣，也让他们学习到的编程语言得以应用，培养学生科学探究的能力。

随着现代科技的发展，微课程日益成为我们日常工作与学习中一个重要的辅助工具，为了提高学生的学习兴趣和改善教学效果，笔者将微课程引入到物理类课程的教学中，制作针对重难点知识的微课程以辅助教学的尝试在我们的实践中也被证明是有效的，同时更为后续的慕课建设积累了丰富的资源。

参考文献

[1] 赵凯华，罗蔚茵.新概念物理教程：力学[M].2版.北京：高等教育出版社，2004.

[2] 于忠卫.物理教学中渗透物理学史教育的模式研究[D].苏州大学，2004.

[3] 陈乾.MATLAB在大学物理中的应用[D].东南大学，2006.

[4] 张志涌，杨祖樱.MATLAB教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2014.endprint