“简谐运动”数字化教学的实践与思考

随着课改深入推进，中学教学聚焦于学生核心素养发展。在此背景下，深度学习受到高度关注。深度学习是一种基于理解的学习，即学生面对特定的学习主题，在教师引导下积极主动地掌握学科的核心知识和思想方法，优化自身的认知结构，并在新情境中迁移应用所学知识^[1]。学生具有完善的认知结构和高阶的综合能力，在高投入的学习状态才能深度学习。信息技术融入物理学科教学，正逐步成为物理课堂教学的有效手段。合理使用信息技术，能有效促进物理深度学习的发生，包括学生学习兴趣的激发、学习过程的体验、科学思维的发展、学习成果的迁移等。下面以“简谐运动”为例，谈信息技术对物理深度学习的助力。

一、借声像资源调动学生视听感官

物理教学中教师应尽可能调动学生的感官，让学生获得丰富的学习体验，为深入理解物理概念、规律奠定基础。简谐运动是基本的机械振动，生活中机械振动现象普遍存在。为了唤醒学生的生活体验，增强学生的感性认识，笔者播放相关的声像资料，践行“从生活走向物理，从物理走向社会”的教学理念。

（一）在音乐欣赏中引入课题

音乐是乐器有规律振动产生的。上课伊始，笔者为学生播放一段音乐，吸引学生的注意力，并以音乐为情境提出问题。音乐由一个个音节组成。在学生听完一段音乐后，笔者演示音叉被敲击发出的一个音节，引导学生观察叉股的振动。这个过程中应用了一种研究方法：研究发出一个个音节组成的音乐的乐器振动规律，必先研究发出一个音节的乐器振动规律。研究周期性的振动规律也是如此，首先要研究一个周期内的振动规律。

（二）在视频观看中概括振动的运动特征

笔者将生活中不同的振动场景拍摄成视频，剪切精选后播放给学生看，然后截取视频中的一些图片，引导学生分析各种振动的共同特征。学生通过观看影像资料获得丰富的感性认识，经历从感性认识到理性分析的过程，提高了抽象概括的思维能力，理解了机械振动概念。

（三）在动画模拟中认识理想模型

物理中有多种理想模型，包括对象模型、过程模型等。深入认识理想模型对解决物理问题能力的培养具有重要作用。理想模型是人脑对实际事物的科学抽象，难以用实验完美演示，但教学中教师可以借助信息技术模拟演示，帮助学生建构正确的模型。简谐运动是理想的过程模型，弹簧振子是研究简谐运动理想的对象模型。教师通过实验演示气垫导轨上滑块在弹簧作用下的振动时，振动的振幅会因为阻力作用而逐渐减小。气垫导轨上的滑块、弹簧系统不是严格意义上的弹簧振子，弹簧振子的振动需要在此基础上进行推理和想象。笔者在学生想象的基础上用Flash等软件制作动画进行模拟演示（如图1），深化学生对弹簧振子模型的认识，强化其对简谐运动特征的感性认识。

二、用多媒体技术推进探究学习

在探究物理规律的教学中，一些物理量难以准确测量导致探究学习无法深入进行，教师往往以“科学研究表明”等说法直接给出结论，造成学生无法获得探究规律的体验。如以探究式学习的方式研究简谐运动的振动图像，教师可先让学生根据之前所学知识尝试画图，然后通过演示实验进行定性验证，但要定量探究图像规律就需要测量不同时刻的位移，显然没有信息技术支持难以在课堂上实施。教学中，教师常用以下两种方法处理问题。

（一）手机视频拍摄

笔者用手机拍摄一段小球在弹簧作用下振动的视频，然后将视频导入电脑，进行播放（用暴风影音等软件），间隔相同帧输出图片，对这些图片按顺序编号。

笔者将这些图片批量导入Word或PPT中（它们都重叠在一起），全部选中，调整大小到合适尺寸，将最上面一张图片向右平移一段距离（如图2）。

笔者将图片全部选中，使用“分布与对齐”中“横向分布”功能进行排列（如图3）。

笔者将图片组合在一起，复制到画图软件中，去掉右边物体，即生成一张简谐运动的振动图像。每帧图片的时间间隔可以从设置中查得，小球各时刻的位移值可以通过放置的刻度尺读出。在此基础上，笔者引导学生进一步探究图像变化的规律。

（二）数字化实验

位移传感器可以直接采集物块在弹簧作用下振动过程中不同时刻的位移值（如图4和图5）。通过数字化信息系统（DIS）还可以直接显示位移-时间图像。图像上各点的数据坐标容易读取，这有利于学生定量探究。借助DIS标准的函数曲线拟合实验所得的图像，可检验实验图像的性质。

三、实时精准反馈助力反省思维发展

学生的思维是内隐的。教师在课堂教学中需要想方设法呈现学生的思维过程，探明学生的真实想法或诊断学生对所学知识的掌握程度，有针对性地组织后续教学活动。学生得到及时精准的反馈或教师的即时性评价后，在教师指导下反思自己的思维过程，促进元认知能力的提高。在简谐运动教学中，笔者在引导学生探究弹簧振子的振动图像时，及时了解学生自主探究所能达到的程度，在其探究得出简谐运动规律后，进一步了解其对所学规律的理解程度。笔者借助信息技术手段实现实时精准反馈。

（一）手机同屏展示

学生在通过实验获得振动图像之前，运用之前所学知识也可以初步画出弹簧振子的位移-时间图像，但一些学生会产生错误的想法。这个环节是学生迁移之前所学知识到当前新情境中的应用过程，对发展学生的思维能力很有帮助。笔者尽可能给学生尝试的机会，并呈现学生的思维过程，引导学生交流评价。传统的做法是让个别学生上台板演，但板演的图像不一定能呈现典型问题或者不能反映多个问题。目前比较流行的做法是应用手机同屏软件，将教师在走动过程中发现的多个典型问题直接用手机拍摄下来，并通过同屏软件投影到电子屏上，方便全体学生观看讨论，实现课堂动态生成资源的有效利用。

（二）借助平板电脑实现随堂练习的精准反馈

在学生习得简谐运动概念及其图像性质后，如何知晓他们是否准确理解了图像的意义，是否能够通过振动图像判定一种振动为简谐运动，教师需要随堂检测学生的知识掌握程度。但课堂时间非常有限，教师难以在短时间内统计纸质答题情况。有条件的学校，教师可以借助学生人手一台的平板电脑，让学生在平板电脑上随堂练习。软件系统可以及时给学生反馈信息，为教师提供全体学生作答的准确率和出错类型统计等信息。教师可以根据统计信息及时组织教学，并进行有针对性的分析、评价，帮助学生建构正确的知识结构^[2]。

四、建资源库助力迁移能力提升

让学生将所学知识在新情境中进行迁移应用，能够促进学生对所学知识的深入理解，同时培养学生解决问题的能力，实现深度学习。教师在课后会布置作业让学生完成，但在班集体授课制下，不同学生学完同一节课后，对知识的掌握程度存在差异。如果给学生布置相同的练习作业，有的“吃不了”，有的“吃不饱”。如何为不同层次的学生设计适合的分层作业成了教学难题。有了人工智能技术加持，该难题迎刃而解。学校建设资源库并应用大数据技术可以帮助教师向学生推送个性化作业，有效满足不同层次学生的发展需求。对教师而言，运用技术建设好资源库是关键。以简谐运动的作业设计为例，相应的资源库建设应包含以下几部分内容。

（一）夯实基础知识，形成物理观念

一是开展读图训练：教师给出振动图像，让学生陈述不同时刻的位移、速度以及一段时间内通过的路程等信息。

二是给出一些物体的振动信息，让学生判断它是否为简谐运动。

（二）联系实际迁移应用，发展科学思维

教师用微课或视频等方式为学生展示借助振动图像研究振动规律的方法在生活中的应用，并结合学生所学知识设计系列问题，引导学生将所学知识、方法进行迁移应用。

（三）拓展知识，培养自主探究能力

教师制作微课，供学有余力的学生自主学习“参考圆周运动研究简谐运动”的描述方法，将匀速圆周运动在直径方向的投影与简谐运动联系起来，设计系列问题引发学生思考，提高知识关联度，增强学生自主探究能力。

参考文献

[1] 刘月霞，郭华.深度学习：走向核心素养[M].北京：教育科学出版社，2018.

[2] 曹宝龙.信息时代的精准教学之道[J].中小学数字化教学， 2020（2）：75-78.

（作者系浙江省临海市台州中学物理教师，正高级教师）

责任编辑：祝元志