可视化技术在中学物理教学中的校本应用

郑华云

（福清第二中学，福建 福清 350300）

随着互联网的飞速发展，人类社会已全面进入信息化时代，而面对种类繁多的信息以及随之产生的大量数据，人脑已经无法胜任这些数据的解析。“可视化技术”就是在这个背景下应运而生的解决方法之一。可视化技术（Visualization）是指利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来的技术。它涉及多个领域，成为研究数据表示、数据处理、决策分析等一系列问题的综合技术。该技术在我们中学物理教学中的应用，主要指通过信息技术手段，使物理知识以图示、图表、图象等形式直观地呈现给学生，增加物理教学的可视化程度，提高课堂的效率等。

一、抽象概念可视化，突破教学难点

高中物理教学中，有很多的物理量比较抽象，比如必修1 第一章中的“加速度”这个物理量，它是动力学中的重要概念，也是学生初入高中时，物理学习中遇到的较难理解的概念之一。尤其在涉及加速度定义及矢量性问题时，初学者往往感觉一知半解。教学实践中笔者依托希沃一体机配合Excel 表格工具高效构图，突破“加速度定义”教学难点；借助智能手机软件，形象直观表达加速度的矢量性。具体做法如下：

（一）Excel 表格高效构图，助力加速度比值定义法的理解

中学物理有很多物理量是根据比值来定义的，即用两个基本物理量的“比”来定义一个新的物理量，比值法定义的物理量基本特点是被定义的物理量往往是反映物质的最本质属性，或者如速度、加速度，反映的是运动的基本特征，它们不随定义所用的物理量的大小变化而改变。［1］

在“加速度”新课教学中，笔者类比速度定义方法给出了加速度的定义，但初学者对这个比值定义往往无法理解透彻。因此，在“加速度”第二课时中，笔者利用某个物体速度随时间变化的几个数据，在课堂中借助教室希沃一体机打开Excel 表格，实时呈现数据输入过程，师生共同“见证”图表上点迹的生成，及时板演Δv、Δt（如表1）。紧接着教师及时板书加速度的定义a=。我们可以看到，在同一直线中，Δv变大，Δt也随着变大，但二者的比值却保持不变。再次输入另一个物体的速度随时间变化的数据，在Excel 表格中，实时呈现两条直线（如表2），在表格中直观地呈现出斜率不同的两条直线，即两个不同的加速度。教师还可以进一步引导学生明确：速度-时间图象中，直线斜率越大，加速度越大。通过Excel 表格工具的实时高效构图，既促进了学生对加速度比值定义方法的理解，又呼应了本章第二节所学的“位移-时间图象”的构建，完成数理结合的教学衔接，为后续各种图象的应用，奠定良好的基础。

表1 Excel 表格（截图）

表2 Excel 表格（截图）

（二）数据图示化，化抽象为形象,展现加速度的矢量性

从初中到高中存在多个思维“台阶”，这给高中的物理教学带来了一定的难度，尤其从初中的标量进阶到高中的矢量，以及随之而来的从代数运算到几何运算的提升，这些对初学者来说难度颇大。在“加速度”教学中，由于牛顿力学还没接触，学生对加速度的方向尤其难以理解。笔者在实际教学中，通过形象直观的矢量图示、图象，呈现加速度的矢量性，为学生铺就思维“台阶”。当然，在本单元教学中，加速度的矢量性不宜做过多的拓展，只需要通过教学让学生明确加速度也和速度、位移一样,它具有方向性，也是矢量。具体做法如下：

1.矢量图示，化抽象为形象

物体做加速直线运动，即vt＞v0，Δv方向与v0方向相同；物体做减速直线运动，即vt＜v0，Δv方向与v0方向相反。从加速度定义可知，加速度方向与Δv方向相同，结合图示可得：物体若加速则a与v0同向；反之，a与v0反向（如图1、图2）。通过几个简单的“箭头”，让学生直接观察到速度、速度变化、加速度的方向，理解几个运动学物理量的矢量性。同时，也通过教师的示范，让学生养成动手作图的好习惯。引导学生在今后的解题过程中，能够通过作图，化抽象为形象以辅助分析物理过程或规律。

图1

图2

2.借Phyphox 手机软件，形象直观表达加速度的正负性

手机软件Phyphox 全称是“Physical Phone Experiments，是2016 年德国亚琛工业大学基于传感器设计开发的一款专门针对物理实验的手机软件，安卓系统和IOS 系统均可直接下载使用。［2］在“加速度”这节课的第二课时，我们运用的是Phyphox 软件中的加速度功能（如图3）。课堂上，利用希沃白板的“手机投屏”功能，将软件内容“同屏”到希沃上，教师手持手机，演示手机从静止到运动，再从运动到静止，即先加速后减速的过程。在屏幕上，师生共同见证手机加速度的变化，加速度先是正值，然后负值，如图4。

图3 Phyphox 功能界面

图4 Phyphox 界面加速度正负图象

Phyphox 软件让手机秒变物理实验室，实验室不再是实验教学的固定场地，教师还可以把软件推送给学生，让学生凭借手机在家也能轻松自行探究，学生拥有更广泛的空间自由。利用这些电子设备，教师不但能帮助学生获得真实的物理实验体验,还可以增强学生运用手机等电子设备进行物理探究的意识，转变学生只将手机和电脑看作是娱乐消遣工具的固有想法，培养学生的科学探究能力。［3］

课堂上我们所做的各种努力都旨在化抽象为形象，利用图象的“凸”和“凹”形象地表达加速度的正与负，将“看不见”的概念，用“看得见”的图象形象地呈现出来。与“口述”式的推理讲授相比，这种形象直观的数据可视化呈现方式，更容易引起学生的关注与学习的兴趣，从而让学生在“眼见为实”的情况下，轻松收获知识，突破我们的教学难点。另外，教师还可以留给学生一份家庭作业：利用Phyphox 软件,观察手机在不同运动状态时的三个轴向加速度的输出值，上网查询资料“手机摇一摇和计步功能是如何实现的”等。教学中不断渗透这样的思想：物理知识就在我们身边，它来源于生活，又服务于生活。让学生带着几分好奇几分热爱去探究物理知识，相信会有更多的学生爱上物理。

二、实验数据可视化，提高课堂效率

物理是一门以实验为基础的学科，物理概念、定律和理论，都是在实验的基础上建立起来的，因此，在教学实践中做好实验教学，是我们的重中之重。以下，笔者以牛顿三大定律的加速度定律、作用力与反作用力定律的实验教学为例，和同仁们探讨数据可视化技术在实验教学中应用。

（一）传感器的使用，实现数据可视化，提高实验精确度和教学效率

笔者所在学校在实验室为学生配备了朗威数字化信息系统（DISLab，简称DIS），该系统包含传感器、数据采集器、计算机和配套软件，为实验教学提供了准确、实时、直观等便利，优化了实验内容、提高实验的精确度和教学效率。［4］以下，笔者以鲁科版高中物理必修一第五章第四节《牛顿第三运动定律》教学中力传感器的使用为例，介绍DIS 实验系统如何实现数据的可视化。

在实验室没有力传感器之前，我们往往是利用两个弹簧测力计对拉的方式，让学生展开实验研究，如图5。该实验在弹簧测力计使用前需要调零，读数时需要在两个测力计间不断观察对比，比较费时，且不够精确。有了力传感器，教师可以让两个学生面对面拉动力传感器，他们或静止或走动，电脑屏幕上都能实时呈现一对作用力和反作用力等大反向关系,如图6。千言万语都抵不过这份由DIS 实验系统所获得的图象有说服力，这就是数据可视化的魅力，在提高实验精确度的同时，大大提高了课堂的教学效率。

图5

图6

（二）Excel 表格实时绘制图象，实现数据可视化，挖掘实验规律

在鲁科版物理必修一第五章第二节《科学探究：加速度与力、质量的关系》即牛顿第二定律的实验探究中，教材中采用传统的打点计时器来测算加速度进行实验探究，学生需要对于纸带上点与点之间的距离进行反复的人工测量，再利用逐差法计算加速度。然而，测量的误差、学生计算能力低下等带来的失误，往往导致学生难以验证该实验定律。面对繁琐的测量与计算，学生往往望而生畏，从而放弃该实验的探究。因此，在教学实践中，笔者借助气垫导轨系统、数字计时器等实验仪器，替代教材中打点计时器、小车等实验系统，配合Excel 表格工具实现学生实时绘制图象，通过图象得出实验探究规律。通过Excel 表格公式计算，节省大量人工的运算时间，而且Excel 表格工具能够根据实验数据绘制拟合图象。实验数据的可视化呈现，使学生更加直观地观察到实验结果，从而更好地完成实验相关规律与结论的验证与分析。具体做法如下：

如图7，安装实验装置，首先保持滑块质量不变，改变钩码质量（对应滑块所受合外力大小），通过光电计时器读取、记录挡光片经过光电门时间，在事先编写好公式的Excel 表格中陆续输入t1、t2，紧接着Excel表格实时生成挡光片经过光电门的速度，以及速度平方差、加速度的数值。关于表格中用到的计算公式，学生有任何不理解的地方，都可以通过移动鼠标单击该数据，来显示该数据的计算公式，如表3，fx=500/D5即对应v1==52.6cm/s。（其中d 为挡光片的宽度）。

图7 气垫导轨实验套装

表3 Excel 表格（截图）

不同于DIS 实验数据的处理方法，这种利用Excel表格工具处理数据的方法在节省学生计算时间的同时，让学生同时参与到数据生成的整个过程，培养了获取和处理信息的能力。在多次改变滑块所受的合外力之后，采集足够数据，选中数据栏“钩码质量”（合外力）和“加速度a”，插入“图表—散点图”。由于实验存在一定误差，这些点不在一条直线上，但我们可以从中找到一条合适的直线，使各散点到这条直线的纵向距离之和最小，即寻找这些散点的一元线性回归直线。笔者所教班级在本次实验中，90%以上同学都可以得到一条几乎过原点的直线（如表4），即得到实验探究结论：对同一物体，当质量不变时，加速度与合外力成正比。

表4 Excel 表格（截图）

同理，保持钩码质量不变（合外力不变），改变滑块质量，探究加速度与物体质量的关系。各散点无法拟合线性回归直线，更接近一条反比例函数图象。由于曲线规律较难验证相应的变量间关系，教师可以引导学生变a为，去验证加速度倒数与物体质量的关系，如表5。拟合直线时，剔除偶然误差较大的一个点，最后实验结果：对不同物体，当合外力不变时，加速度倒数与物体质量成正比，即得到加速度与物体质量成反比的规律。

表5 Excel 表格（截图）

传统实验探究中，学生也是经历上述数据采集、数据处理、数据分析、得出结论的过程。不同的是，我们通过Excel 表格工具快速运算，实时描点，软件拟合图象，又快又准得出结论。省去烦琐的运算时间，课堂上，学生有更多的时间去挖掘数据背后的实验规律，从而更从容地展开分析、论证、交流与合作。

当然，可视化技术在实验教学中的应用远不止这些。如，利用仿真物理实验室，可以让实验随时“播放”“暂停”或改变参数等，让学生对实验过程有更深刻的认识。再如软件模拟电流流动，将“看不见”的电子流动显现出来以辅助学生进行电路分析等。通过可视化技术，还原物体运动规律的本质，实现抽象知识直观化、微观现象可视化、复杂问题简单化的最终目标。这里就不一一详述。

三、测试数据可视化，助力精准教学

根据教学的规律，结合学生的实际情况，我校每个学期都举行期中考、期末考。测试依托“智学网”智能化分析平台，通过学生答题数据，分析、挖掘考试价值。每次测试数据，平台根据学生答题情况提供给教师四个层次答题结果，即“困难”“较难”“一般”“较易”四档以及每道客观题的正答率。教师课堂讲评可以根据难易程度选择详评、简评以及每道题不同选项讲评的详略处理。

通过平台数据分析，教师可以轻松获得试卷难易度、题目得分率、知识点等的分析，试题重难点分析跃然“纸上”，这些数据主要是针对班级的总体情况进行分析。此外，系统还能记录几次测试数据的横向与纵向比较，进步、退步、临界生的关注等，关注到每个学生的答题情况。通过测试数据的可视化呈现，教师可以轻松地把握班级或学生个体存在的问题，从而“对症下药”。在这样的环境下，我们课堂教学的针对性就大大增强，从而实现我们的精准教学，提高课堂教学效率，减少教学盲目性。

四、课堂反馈可视化，提升教学反思深度

如今在我们教室里坐着的是一群“数字土著”。教师应逐步学习成为“熟练应用信息技术的新型教师”，去“适应信息化、人工智能等新技术变革”。［5］目前，教师的教学环境已逐步从多媒体教学环境向混合学习环境过渡，并开始探索智慧环境下的教学。笔者所在学校，智慧教室里给每位学生配备一台平板，课堂上教师依托清大学堂——电子书包展开互动课堂，课后可上传“课堂记录”，方便课后进行教学反思。平台上的应用“课堂回顾”，以各种数据、图表、图象等可视化的方式再现课堂上的“痕迹”，从而为教师的教学反思提供有力的素材。以下，笔者以《牛顿第三运动定律》这节课的“课堂回顾”为例，介绍如何利用可视化的课堂反馈，提升教学反思的深度。

（一）整体综合分析

如图8，从课堂参与度、课堂交互度、目标达成度三个维度分析本堂课的整体情况。通过数据及相应的雷达图，教师可以轻松了解到，虽然各区学情不同，三个维度未必会一致，但明显本堂课的“交互度”远远低于全国水平，因此在今后教学集备中，应重点讨论如何实现师生、生生间的“交互”。

图8

（二）教学环节分析

如图9，按照本堂课教师开展教学活动的顺序，平台上呈现每个活动的名称、参与人数、活动类型、所占时间及总时间，帮助教师更好地回顾本堂课的教学节点。特别是环状图，以不同颜色标示每个教学环节的时间分配。从图可知，本堂课作为新课讲授，“答题/测试”时间过长。

图9

（三）学生活动数据分析

课堂测试的数据结果，会按照正确率或者表扬榜高低排名；还会从各题整体正答率和具体到每一个学生的作答情况来呈现学生活动数据。这些数据以饼状图、表格等数据可视化的反馈方式，使学生的课堂活动情况清晰明了。而传统的课堂，由于条件的限制，教师的讲授只能针对大部分学生，无法关注到所有的学生。现在，借助平台的“课堂回顾”功能，我们可以及时发现教学中存在的问题，及时利用课后辅导时间展开个性化的培优辅差工作，提高教学管理的效率。

目前，我校还无法做到每个教室为每生配备一台平板（智慧教室是公用教室），但相信不久的将来，随着学校的发展，必然能实现智慧环境覆盖全校，打造智慧校园。到那时只要教师在下课时将答题、书写、随堂测试数据回传到云端，不仅教师可以及时回顾课堂情况进行反思，学生、家长也可以共同参与到教学反思中来，加强家校的联系，同时让学生加深对知识的理解，总结学习中的经验，以更好地服务教学。