利用信息技术优化物理概念学习

杨勇琴

随着科学技术的不断发展，信息技术在教学中被广泛应用。运用信息技术进行教学成为培养学生的物理观念和创新精神的“高速公路”。同时，它对发展现代化和信息化的基础教育来说，也是一条“希望之路”。

物理学科是我国基础教育阶段的重要学科，现在掌握的物理概念是学生今后学习物理知识的基础。在学习过程中，学生侧重于概念的背诵和记忆，认为只要能复述概念就完成了对物理概念的有效学习。既然学生热衷于对概念的记忆，何不尝试利用信息技术创设记忆情景来帮助学生形成“理解性”记忆，或者说让其亲历概念的形成过程，以“知识发现者”的身份追寻科学家解决问题的足迹，在体验中启迪智慧，碰撞出思维的火花。

一、物理概念学习现状

（一）抽象化的物理概念难以在学生脑海中形成形象认识

物理概念教学内容主要分为力学、热学、光学、电学、原子物理学等几大板块。虽然这几个板块的内容属于物理学不同领域内的研究范围，但每个板块都有自己独特的理论体系和研究方法，各自研究的侧重点也不尽相同。但是相对于初中物理的知识学习而言，高中物理知识涵盖范围则更广泛，内容也更加丰富，同时也更注重学生对知识的理解和逻辑推理，所以高中物理概念教学中应用的手段也呈现出多样化、复杂化、综合化的特点。高中物理概念知识是物理知识学习的基础，如何让学生将抽象化的物理概念转化成形象认识，给从事物理教学的教师们提出了一个新的课题。

（二）物理实验数据收集、分析、处理过程烦琐、复杂、易出错

物理是一门以实验为基础的自然学科。物理实验是指利用各種仪器模拟或者再现物理现象产生的条件，学生通过对物理实验现象的观察，对实验数据的采集、筛选、分析、比较，得到或验证物理规律、定律或定理。在这个过程中，可以利用实验教学的直观性好、操作性强的特点，培养学生动手能力、分析问题能力和逻辑推理能力。新课标要求物理教师不仅要注重知识的传授，还应该从教材中把知识点提炼出来，用生动形象、清晰易记的方式将其讲解清楚，并对关键的知识点加以强调。让学生深刻理解物理学中的各种概念，不仅仅是让学生掌握知识而已，更是要培养学生的思维能力。同时，新课标要求物理教师要培养学生的实际应用能力，使学生能够结合实际，应用物理的知识和技术去解决实际问题。

在以往的物理课堂教学中，教师非常注重实验教学在物理概念教学中的应用。许多物理教师善于根据所需要教授的内容，改进实验原理，改造实验器材，并在实验教学上进行了许多积极有效的探索，取得了一些效果。虽然实验教学有利于调动学生学习物理的积极性，有助于加强学生对物理概念的理解和学习，但单一的观察方式（观察实验基本靠眼力）、简单的收集数据方式（收集数据基本靠手速）、落后的数据分析方法（数据分析基本靠笔算），都让学生在物理概念的学习中产生了畏难、倦怠的情绪。我们可以利用现代化信息技术、新媒体的交互功能、自媒体的简单易操作的特点来打破以往学习方式的壁垒，优化学习方法，通过直观立体的观察方式、灵活多样的数据处理手段、条理清晰的数据分析，消除学生在物理学习中的畏惧心态，从而充分调动学生学习物理的积极性，同时到达教学相长的目的。

（三）受技术条件限制，无法亲历实验过程

物理概念是几代物理学家经过长时间的刻苦研究得到的成果，其正确性、合理性、普适性等方面还要经过后期的检验和验证，所以用一节课或几节课来把研究的问题、目的、过程讲清楚，无论是在时间还是在空间上都显得很局促，学生在学习过程中也就无法进入沉浸式学习状态，从而减少了学生的体验感和获得感。例如，在讲解“牛顿第一定律”的研究过程中，伽利略用“力是改变物体运动状态的原因”推翻了亚里士多德关于“力是维持物体运动的原因”的观点。为了证明自己观点的正确性，伽利略经过精心设计，演示了著名的斜面实验，开创了一种新的研究方法———理想实验法，将现实生活中的情景通过合理的推理无限逼近理想状态。早期，学生在学习这一物理原理时，由于当时的技术手段还不够发达，无法模拟出符合条件的理想场景，在学习过程中难免遇到阻碍。现在，科技水平已经得到了长足发展，但是在现实中实验所要求的绝对光滑水平面就目前而言仍然是无法实现的。然而，如果借助现代信息技术通过软件制作就完全可以在电脑中模拟出所需要的条件。通过实验的情景再现，便可以让学生亲历实验的操作过程，使其获得很好的体验感和参与感。

（四）缺少把物理现象转化为物理模型的能力

物理现象实际上是由一个或多个的物理模型形成的，学生能否建立科学、合理的物理模型是实际问题能否得到解决的关键环节。物理模型种类众多，形态各异。同一个模型从不同的角度来看，叫法不一，其研究的侧重点也不尽相同。不同的模型可能物理对象不同，但是其本质可归结为同一类。比如：两个弹性球碰撞、两个刚性球用弹簧连接的运动、两个带同种电荷球的相互作用过程，表面上看来研究对象不同，受力情况也不同，但3种运动的本质都是碰撞问题，如果不考虑机械能的损失，还可以归结为弹性碰撞。大多数物理模型有个共同的特点，那就是在运动过程或者相互作用过程中，许多物理量都是动态变化的、复杂抽象的、难以理解的。例如：人船模型中人在运动的船上运动时，至少涉及3种速度———人的速度、船的速度和人相对于船的速度，同时这三种速度又随时间在不断变化。又如：带电粒子以相同的速率从不同角度射入有界磁场时，其运动轨迹是一个圆，但此圆圆心会随射入方向而发生改变，导致轨迹圆在不断旋转。那么有没有更好的方法体现圆的这种旋转规律呢？再如：传送带模型中滑块在不同转速下受力情况不同，会导致滑块运动情况发生变化等。如果用Flash软件或3D动画模拟出这些场景，能将运动过程的细节完美演绎出来，通过形象思维启发抽象思维，更好地加深学生对模块的理解和掌握。

（五）缺乏对问题解决的自我表达和评价

社会文明的蓬勃发展和信息资源的广泛传播，使人们评价事件的方式及表达自己观点的途径越来越多元化。随着网络传播影响力的日益加深，自媒体的蓬勃发展，校园早已不是网络信息传播的绝缘体。学生接触到越来越多的新鲜事物，接触得多，自然想得就多，学生思维变得更加活跃，也善于发现问题，并具备了一些解决问题的能力，特别是有些学生喜欢模仿网络视频中的内容，搞一些小发明、小制作。传统的学习评价注重结果，方式单一，无法全面、客观评价学生在研究过程中能力提升的情况，容易打消学生探索未知世界的积极性，削弱他们表达观点的信心。

二、信息技术下物理概念学习的策略

（一）模拟真实情境，体验探究过程

实验探究是发现物理规律最重要的方式，也是加深概念理解的重要途径。只用简单的理论探讨的方式往往难以突破问题难点，若设置恰当的真实情境，则能让学生参与进去，在体验中感受物理概念的魅力。

例如：对“自由落体”的学习可以从两个维度展开：一是用牛顿管实验让学生认识什么是自由落体；二是用打点计时器定量分析自由落体的加速度。牛顿管长约1 m，物体在里面下落的时间约为0.5 s，要用肉眼分辨出两个物体是否同时下落难度很大。大部分教师会将NASA全球最大真空实验室录制的自由落体视频播放给学生观看，场面虽然宏大、震撼，但学生普遍缺乏参与感。现在的智能手机都有视频编辑功能，在课堂上现场用手机录制牛顿管实验，打开录制的视频，点击编辑，可通过变速调节改变视频播放速度，然后导出后分享到微信中，并利用教室多媒体投影到屏幕上，就能清楚地看到牛顿管中两个物体同时落地的画面。

用打点计时器测量自由落体的加速度用时长、误差大。一款名为“手机物理工坊”的App软件利用手机自带的各种传感器，在线测量力、光、声等物理量。其中，实时测量的加速度直接在手机界面形成a-t图像，同时测量的数据也可用Excel的格式导出，以便做进一步分析。

（二）创设问题情境，开展合作学习

我们遇到的问题是基于生产、生活中的真实情景而产生的。物理源于生活，最后要回归生活。以信息技术为媒介创设问题情境，可以引导学生自主学习和合作学习，挖掘问题背后的物理实质。学生不仅能完成物理概念的主动构建，还能学会如何依靠团队合作来解决问题，从而培养终身学习的能力。

再如：在人教版物理八年级上册“大气压强”学习中，教材建议学生拿着自制气压计从楼下到楼上（或从山下或山上）观察玻璃管内水柱高度变化的情况，并给出解释。关于这个知识点可以利用的教学资源有很多，以中央电化教育馆（NCET）为例，在虚拟实验教学服务系统中就有四类：第一类为实拍视频；第二类为在仿真实验室制作的演示视频；第三类为用3D技术制作的课件；第四类为用VR技术制作的课件。对学生来说，如果能带着问题去体验生活，通过团队合作来解决问题，收获肯定是不一样的。随着国家对城镇化建设的不断推进，大部分城镇都有带电梯的高层建筑，其高度足以满足此实验的条件。学生按说明制作好气压计后，各小组用手机记录气压计内水柱高度随电梯上行和下落时的变化情况，并互相观摩视频，讨论装置的优缺点和录制过程中碰到的问题，以及这些问题（例如：怎样让水柱高度变化更明显？从几楼开始实验效果最佳？怎样克服电梯里人员嘈杂问题？等）是怎样解决的。

（三）挖掘辅助功能，发展高阶思维

一个完整物理概念的形成需要一个发展过程，同样，创新能力、问题解决能力和批判性思维能力的培养也不是一蹴而就的。教师要打破“一支粉笔教下去，一本教案讲过来”的思维方式，着眼于学生的终身发展，依托丰富的信息资源，利用各类教学工具为学生的全面发展助力、赋能。

比如，带电粒子在匀强磁场中的运动轨迹有3种常见情况：第一种，在磁场中，向垂直于磁场的各个方向发射速度大小相同的带电粒子，其轨迹为绕发射点旋转的动态圆；第二种，以大小不同，方向相同的速度垂直射入同一匀强磁场，其轨迹为半径放大的动态圆；第三种，一束互相平行的带电粒子射入匀强磁场中，其轨迹为沿与平行线垂直方向平移的动态圆。在教室多媒体系统中，学科工具栏里有几何和尺规两种工具。利用它们可以在白板上做出各种图形。每个图形都有一个定位点，绕着该点可以实现图形的平移、旋转和缩放等功能，与带电粒子在磁场中的3种常见运动轨迹动态圆相对应，定位动态移动效果一目了然。依托信息技术手段创造性地改进了学生对这类难点的学习，完成了知识模块的构建，激发了学生的学习兴趣，学生从被动的“我学会”变为主动的“我会学”。

（四）搭建互动平台，评价多元化

物理概念和规律是物理语言体系的基础，对物理概念学习的评价不仅体现在是否会“做”上，还体现是否会“说”。传统的评价注重对考试成绩（也就是“做”）的评价。评价方式主要采用师问生答、纸质作业、单元测试等手段。单一的评价方式禁锢了学生表达自我的意识。许多教师借助发达的社交媒体平台为学生交流互动构建评价激励机制，鼓励学生去探索、实践。在内驱力的作用下，可以实现学生想说、敢说、会说，从而提升自我对话、自我定位与自我评价的能力。

例如：越来越多的教师借助微信公众号、订阅号的传播影响力，成立了自己的工作室，转发一些生活中涉及物理现象的视频，介绍物理科学前沿动态，进行物理知识的科普，上传学生拍摄制作的家庭小实验等。学生在制作视频中会用物理知识详细地讲述实验的原理。教师可在留言栏里对操作的实用性和优缺点作专业性点评和进行鼓励；在展示阶段性自主学习成果的同时，还可把自己在实践中获得的喜悦、成就感分享给其他同学。在这个过程中采取了激励性评价模式，尊重了学生的个体差异，淡化了学生之间的横向比较，突出了自身的纵向比较，为学生个性化成长提供了空间。为取得更好的学习效果，許多合作小组建立自己的微信群、QQ群，交流各自在学习物理概念，应用物理知识解决实际问题中的感受和经验，形成了一个“课内+课外”“过程+结果”“师生+生生”的多元化评价体系。

三、结语

总之，信息技术的普及、教学设备的改善给教育、教学改革提供了有力的支撑，优化了教师课堂教学的手段，也为优化学生的学习方法找到了一个新的途径，同时使学生摆脱了对概念类知识学习的畏惧心理，加深了对物理类概念学习的理解。信息技术能让物理知识的学习变得有趣、高效，学生愿学、乐学，教师会教、善教，实现教学相长。