融合信息技术的体验式教学

张冰杰

摘   要：新课标提出，教师要注重信息技术在教学中的应用。文章以“宇宙航行”教学为例，以体验式教学组织为架构，通过整合信息技术资源，促进学生在感悟、论证和验证体验环节中自主建构知识体系，培养学生的物理学科核心素养。

关键词：信息技术;宇宙航行;体验式教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2022）5-0066-3

《普通高中物理課程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“新课标”）中指出，要“注重现代信息技术在教学中的广泛应用”[1]。2019年版人教版高中物理教科书（以下简称“新教材”）中，共计有48处整合信息技术的内容[2]。这表明在新时代物理教学中，信息技术已经不再是锦上添花，而是结合教学需要采取的必要教学手段。值得注意的是，新教材在《万有引力与宇宙航行》《原子结构与波粒二象性》《原子核》等章节中，均未涉及信息技术的整合运用。但是，在宏观和微观物理的教学实践中，往往会发现学生由于缺乏直观的感知和亲身的体验而难以完成知识的自主建构，从而导致概念理解不清、规律掌握不透等问题。新课标指出，当一些物理现象很难真实呈现时，可利用信息技术辅助手段，让学生比较直观便捷地进行相关实验[1]。融合信息技术可以很好地解决该部分的抽象性困难，因为各类多媒体动画、仿真技术等可以在课堂上重演宏观和微观领域的物理情境，以形象化的教学促进学生的知识建构和思维发展。同时，不断丰富信息技术在该部分教学中的应用，也能填补教材中信息技术的空白之处，从而响应新课标给出的“教材中可以适当介绍一些有利于物理教学或物理实验的软件工具”的建议。

体验式教学是教师依据课程标准，深入分析学生的已有认知，创造接近实际生活的教学情境，让学生亲历知识的再创造过程，从中获得感知体验、论证体验、感悟体验和验证体验，进而构建观念、发展能力、形成价值观的一种教学观和教学策略[3]。因此，体验式教学可以充分利用信息技术的交互特征，促使学生在体验中发展物理学科核心素养。

1    体验式教学架构

体验式教学组织架构如图1所示，它包含感知体验、论证体验、感悟体验和验证体验四个环节。这四个环节并非是单向封闭的终结式教学，而是闭合螺旋上升的进阶式教学。

以“宇宙航行”的教学为例，宇宙速度、人造卫星的运行规律都较为宏观，抽象性思维认知能力较弱的学生往往觉得比较晦涩，难以在已有认知的基础上自主建构知识。融合信息技术创设情境，将本不易呈现的物理过程形象地模拟出来，并且利用交互的特点，让学生经历感知、论证、感悟和验证体验环节，进而促进学生核心素养的发展。

2    融入信息技术的体验式教学——“宇宙航行”

2.1    建构模型，感知论证

播放《北斗：心中的灯塔 指引前路》中的动画视频，提醒学生注意观察不同轨道的北斗导航卫星的运行规律，让学生自主提出问题。学生可能会提出“不同轨道的卫星的运行规律如何”“卫星是如何发射的”“为什么轨道越高的卫星运行的速度越慢”等契合教学主题的问题。教师通过感知卫星运行的体验过程，明确要研究的问题，调动已有的认知，营造探究的氛围。

要研究实际问题，首先要建构相应的物理模型，这也是物理学科核心素养中科学思维的组成要素。教师引导学生将卫星的运动建构为匀速圆周运动模型，依据处理匀速圆周运动的思路和方法，依次明确轨道平面、圆心和向心力来源等问题，并对问题进行推理和论证。

教学片段1

教师：在北斗导航系统的视频中，我们发现不同卫星的运行轨道是有差异的，那么卫星围绕地球做匀速圆周运动的轨道可能是怎么样的呢？请同学们用呼啦圈和地球仪来展示卫星的可能轨道，并谈一谈理由。

学生利用呼啦圈模拟卫星的运行轨道，展示卫星运行的可能轨道，如图2所示。并说出不同轨道的共同点。

教师：为什么卫星不能围绕除赤道外的某个纬线圈运行呢？

学生讨论后：做匀速圆周运动的物体所受的合外力必定指向圆心，在纬度圈上运行的卫星所受的万有引力不指向圆心，会将其拉离纬度圈轨道。

通过讨论和论证，学生已经明确向心力的来源为万有引力。接着，教师再让学生建立万有引力提供向心力的力学方程，从而得出卫星运行的线速度等物理量与轨道半径的关系，并能够解释北斗导航系统中的卫星运行快慢的原因。然后，教师让学生画出运行速度最快的卫星的轨道并展示，可得出贴地飞行的卫星（即近地卫星）运行速度最快的结论。最后，学生结合教师给出的相关数据，计算出近地卫星的运行速度约为7.9 km/s。

2.2    模拟卫星运行，验证体验

通过建构模型、科学推理等过程，学生运用已有知识解释物理现象，体会到万有引力使得天地大统一的和谐之美。对教师来讲，如果推理计算得出的结果不经历验证过程，就会失去下一轮体验式教学的契机，也无法让学生经历成功的体验过程。信息技术可以弥补无法实际发射卫星的遗憾，让学生通过虚拟实验来体验这一过程。

教学片段2

教师：通过建构模型，推理论证，大家得出人造卫星的运行有怎样的规律？

学生：①人造卫星运行的圆轨道越高，速度越慢;②人造卫星在圆轨道上运行的速度不可能超过7.9 km/s。

教师：怎么检验我们得出的结论是否正确呢？这需要实验的检验，要是可以发射几颗不同轨道的卫星，看一看它们的运动该多好呀！

教师介绍“宇宙沙盘”软件及其使用方法：“宇宙沙盘”软件能够较真实地模拟天体的运行。打开软件，新建文件，选择小行星“地球”;选择添加对象“环绕”，放置几颗不同轨道的卫星，可以定性观察不同轨道卫星的运行速度;点击放置的卫星，还可以显示其运行速度的数值。743190F6-F154-4968-B508-52EFF83E2ABE

学生通过软件模拟卫星的运行，交流模拟的结果。

学生：放置的卫星轨道越高，卫星运行的速度越慢，验证了第①条规律;不断降低卫星的运行轨道，发现轨道贴近地球赤道时，卫星运动速度接近7.9 km/s，验证了第②条规律，如图3所示。

該环节中，学生的课堂参与程度很高，反应热烈。他们通过模拟软件验证了推理的结果，对物理规律的普适性和简洁性有了深刻的感受。教师还可以在此引用李政道教授的名言升华学生的情感体验。在模拟过程中，学生发现轨道太低的卫星会撞击到地面的障碍物并被摧毁，进而理解第一宇宙速度是人造卫星在圆轨道的最大环绕速度。有的学生会发现，当把卫星的轨道放置在36 000 km左右时，卫星的运行与地球自转几乎是同步的。教师可以请这部分学生来做简单的演示，为后续的同步卫星教学提供铺垫。

2.3    发射卫星，感悟体验

开始下一轮体验式教学，如何发射一颗卫星？学生通过阅读课本了解牛顿的设想，并且能够计算出当发射速度为7.9 km/s时卫星恰好不落回地面，得出第一宇宙速度的概念。此时，学生如果能够体验以不同速度发射一颗卫星，看到卫星绕地球做圆周运动，其成就感和喜悦感将得到极大的满足。而游戏“愤怒的小鸟·太空版”模拟了星球的引力环境，可以通过弹弓改变小鸟的弹出速度，正好可以模拟出以不同速度发射的卫星的运动规律。打开“愤怒的小鸟·太空版”第一部分第三关，体验以不同速度发射小鸟的游戏，观察并讨论小鸟的运行轨迹，如图4所示。

学生发现，以更大的速度发射的“卫星”可以运行得更远。当发射速度足够大时，小鸟几乎可以绕星球做完整的圆周运动，但最后会撞到“高山”而掉落。此时，再让学生来谈一谈怎么理解第一宇宙速度是人造卫星的最小发射速度。学生可能会指出，第一宇宙速度是理论上能够发射人造卫星的最小发射速度，但在实际发射时，还要考虑卫星的发射高度、方向等因素。在此基础上，引导学生从圆周运动的供需关系出发，论证卫星发射的速度不同导致卫星的运行轨道是否不同，得出如果发射速度大于第一宇宙速度，卫星将做离心运动，将飞到离地球更远的地方，从而引入第二、第三宇宙速度的概念。本课还可以融入我国探索宇宙的航天发展历程，激发学生的爱国主义情感，发展科学态度与责任素养，具体思路在此不再详述。

3    结  语

在信息技术不断发展的今天，物理课堂教学必须要与时俱进。在天体物理和原子物理等不易真实呈现的物理情境教学中，可充分整合信息技术资源来可视化呈现物理现象。教师灵活利用信息技术的交互性，可有效地帮助学生通过感知体验的教学环节自主建构知识体系，从而促进其物理学科核心素养的发展。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]郭桂周，辛文逸，刘羲雯.信息技术在高中物理教科书中的整合特征与实施建议——以人教社新版高中物理教科书为例[J].基础教育课程，2020（7）：68-74.

[3]周伟波，潘仕恒.以体验式教学促进物理观念的构建[J].课程·教材·教法，2021，41（6）：110-115.

（栏目编辑    贾伟尧）743190F6-F154-4968-B508-52EFF83E2ABE