史 藝

（北京101中學，北京 100091）

《高中物理新課程標準》中明確提出：“現(xiàn)代信息技術(shù)的迅猛發(fā)展和網(wǎng)絡技術(shù)的廣泛應用，為物理課程提供了豐富的課程資源.將信息技術(shù)與物理課程整合，既有利于學生學習物理知識和技能，又有利于培養(yǎng)學生收集信息、處理信息、傳遞信息的能力”.在物理課教學中，多媒體技術(shù)和數(shù)字化方法已經(jīng)顯示出它在科學教育中的巨大發(fā)展?jié)摿?，實時、動態(tài)、準確地得到實驗數(shù)據(jù)和強大快速的數(shù)據(jù)處理能力拓展了物理實驗的深度和廣度，開創(chuàng)了嶄新的物理實驗教學體系，為物理教學提供了全新的技術(shù)手段和教學平臺.

1 大數(shù)據(jù)時代背景呼喚人的數(shù)據(jù)素養(yǎng)

縱觀科學發(fā)展史，量化是科學的重要方法.從伽利略時代起，科學家們開始以實物實驗和數(shù)學推理的方式認識自然世界，科學因此分成了兩種形態(tài)，一是實物實驗形態(tài)，二是數(shù)學推理形態(tài).隨著科學發(fā)展到今天的大數(shù)據(jù)時代，科學家和工程師借助計算機手段研究事物，科學出現(xiàn)了基于計算機的第三種形態(tài)——計算形態(tài).在信息技術(shù)成為社會顯在技術(shù)的今天，科學素養(yǎng)包含著既相互區(qū)別又密不可分的3個方面，即理論素養(yǎng)、實驗素養(yǎng)和數(shù)據(jù)素養(yǎng).理論素養(yǎng)是一種基于邏輯運算的素養(yǎng)，實驗素養(yǎng)是一種基于真實實驗的素養(yǎng)，而數(shù)據(jù)素養(yǎng)是一種基于計算機計算的素養(yǎng)，是根據(jù)掌握數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，在海量數(shù)據(jù)中探索規(guī)律，產(chǎn)生經(jīng)驗和知識的素養(yǎng)，它是科學素養(yǎng)、人文素養(yǎng)、信息素養(yǎng)的交集，如圖1.比如伽利略在教堂做禮拜時利用脈搏計數(shù)發(fā)現(xiàn)了吊燈擺動的等時性，紅學專家通過統(tǒng)計《紅樓夢》前80回和后40回文言虛詞的使用頻率確定了后40回為他人續(xù)寫，這都是良好數(shù)據(jù)素養(yǎng)的體現(xiàn).

圖1 包含圖

2 基于數(shù)據(jù)探究理論的“數(shù)字化物理教學”實踐

“數(shù)字化物理教學”是一種在大數(shù)據(jù)環(huán)境下以提高每一個學生科學素養(yǎng)特別是數(shù)據(jù)素養(yǎng)為宗旨，以探究式教學為鮮明特征，以科學思想、科學方法和數(shù)據(jù)挖掘方法為核心的教學模式.不只是把數(shù)字化技術(shù)僅僅作為輔助教或輔助學的工具，而是強調(diào)要利用數(shù)字化技術(shù)建構(gòu)一種新型的教學環(huán)境，以實現(xiàn)能支持自主探索、多重交互、情境創(chuàng)設(shè)、合作學習、資源共享等多方面要求的學習方式.

基于數(shù)據(jù)探究理論的數(shù)字化研究方法是指數(shù)碼相機、攝像機、頻閃光源、傳感器探頭或仿真物理實驗室等多種媒體獲取信息和數(shù)據(jù)，再利用網(wǎng)絡和計算機，借助數(shù)據(jù)處理軟件（如幾何畫板、Excel表格、影音播放軟件、視頻截屏軟件以及仿真實驗室等）進行數(shù)據(jù)的分析和研究.本著這樣的理念，我們從必修課、選修課、特色課等多方面展開了“數(shù)字化物理教學”實踐研究.

在人教版高中物理教材中，編寫者就加進了大量利用數(shù)字化研究方法，在物理必修課的教學中，我們根據(jù)實際內(nèi)容的需要，不僅局限于教材中要求的內(nèi)容，選用多種類型的多媒體輔助教學軟件，充分發(fā)揮它們在物理教學中的功能.比如必修一我們用傳感器測速度、用計算機繪制v-t圖線、用頻閃照相研究小球自由下落的閃光照片、用傳感器研究滑動摩擦力與最大靜摩擦力的關(guān)系、用幾何畫板研究合力與分力的關(guān)系、用傳感器演示沙桶的重力不等于繩子的拉力、用傳感器探究作用力與反作用力的關(guān)系、用力板傳感器研究人跳躍中的超重失重等.

再以必修2的“平拋運動”教學為例，在課堂中，利用數(shù)碼相機、計算機等獲取、處理數(shù)據(jù)的手段，如圖2，實現(xiàn)了學生自主獲取平拋規(guī)律的目的.通過小組間不同的獲取數(shù)據(jù)方式，增強了學生協(xié)作的潛意識與動手能力.從課下作業(yè)反饋情況來看，學生理解了平拋運動按水平與豎直方向分解的兩個分運動特點.能夠自行推導出平拋運動速度、位移隨時間變化規(guī)律公式.與學生談話中了解到，學生比較喜歡這種自己動手尋找規(guī)律的方式.

圖2 平拋運動裝置

3 基于數(shù)據(jù)探究理論的“數(shù)字化物理教學”的思考與啟示

經(jīng)過3年的實踐研究，我們認為“數(shù)字化物理教學”確實發(fā)揮出獨特的優(yōu)勢，能支持自主探索、情境創(chuàng)設(shè)、合作學習、資源共享等多方面要求，能夠把學生的主動性、積極性充分調(diào)動起來，較好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神、實踐能力和數(shù)據(jù)素養(yǎng).

3.1 數(shù)字化物理教學能夠幫助學生完成由形象到抽象的思維升華

在物理教學中，有些內(nèi)容比較抽象，看不到、摸不著，學生無法想象、無法在腦海中建立物理圖景，這樣就妨礙了學生對物理規(guī)律的深入理解.比如帶電粒子運動的問題，如圖3，有一個點狀的放射源S，它向各個方向發(fā)射α粒子，求ab板上被α粒子打中的區(qū)域的長度（具體條件略）.同學比較集中的錯誤畫法有2種，如圖4所示.為了讓學生在腦海中建立具體的圖景，根據(jù)仿真實驗結(jié)果可以看到不同方向的粒子運動軌跡.

圖3

圖4 粒子軌跡圖

圖5

我們知道產(chǎn)生極值的條件如圖5所示，可以看到有一個圓軌跡在左側(cè)與板ab相切，切點就是左側(cè)最遠點；右側(cè)α粒子在運動中離S點的距離不會超過2R，所以離S點的距離為2R的點為右側(cè)最遠點.如果α粒子打中的區(qū)域邊界點P和Q正確作出，距離按幾何關(guān)系就很容易求出了.如圖6有的打在板上、有的沒打上，兩種邊界情況一目了然，幫助學生由形象到抽象的思維升華.

圖6 數(shù)字化動態(tài)圖

3.2 數(shù)字化研究方法能夠有效地突破教學難點，提高教學效果

數(shù)字化的研究方法能夠把動態(tài)的數(shù)據(jù)實時的反映在計算機中，以便師生挖掘其物理內(nèi)涵，加速了從觀察現(xiàn)象、建立模型、到認識本質(zhì)的思維過程，有效地突破教學難點，提高教學效果.在學習物理必修1的超重失重時，借助力板傳感器，在電腦中同步記錄下某學生在力板上跳躍的視頻和力隨時間變化圖像如圖7，再將第一次跳躍的圖像橫向展開，如圖8對特殊點附上坐標值，對學生在0－t1、t1－t2、t2－t3等時間內(nèi)的跳躍過程進行受力和運動狀態(tài)分析，這對于高一剛開始學習牛頓定律的學生是一個不小的挑戰(zhàn).學生對來自于生活、來自于自身的問題充滿興趣，注意力格外集中、求知欲格外旺盛.這部分的教學理性中洋溢著激情，歡樂中落實了難點，深化了將實際問題建立物理模型的科學研究方法.

圖7 力的變化圖

圖8 坐標值

為了檢驗教學的效果，我們特意選擇了平時程度相當?shù)膬蓚€班作為實驗組和對照組做了比較，在第一學期期末考試中設(shè)計了“在2004年雅典奧運會上，我國運動員黃珊汕第一次參加蹦床項目，彈簧床面與運動員間的彈力隨時間變化的規(guī)律在計算機上繪制出的曲線”.這道經(jīng)典題目作為測試，實驗組53人平均得分8.9，對照組52人平均得分7.8，該題的得分情況是：由此可以看出，用數(shù)字化方法確實能有效地突破教學難點，使學生深入理解物理概念的內(nèi)涵，提高教學效果.

3.3 數(shù)字化研究方法有利于培養(yǎng)學生的問題意識和數(shù)據(jù)探究能力

古人云“工欲善其事，必先利其器”，有了數(shù)字化方法這個強大的工具和環(huán)境，學生的問題意識大大增強，總是希望能夠借助它解決更多的問題.在“動量守恒定律”教學中，我們用滑塊和氣墊導軌或利用鋼球和玻璃球的碰撞來驗證動量守恒定律，而實際生活中更多的碰撞是二維或是三維的斜碰，學生們對驗證二維碰撞中的動量守恒充滿了興趣，提出能否驗證二維碰撞中的動量守恒.

學生提出了一個從未想過的問題，其次，怎樣去探究？我們在網(wǎng)上查閱資料，沒有發(fā)現(xiàn)相關(guān)的研究和結(jié)論，這真的給學生一個挑戰(zhàn).經(jīng)過討論，我們確定利用CASIO（EX—FH100）數(shù)碼相機的HIGH SPEED（高速）攝像功能拍攝小球的二維碰撞過程，得到視頻文件，然后通過視頻播放軟件“QQ影音”和視頻截圖軟件“Mr.Captor”進行截圖，得到類似于頻閃照片的圖片如圖9，4張圖片是運動的甲球撞靜止的乙球，實驗中碰撞前的兩張圖片和碰撞后的兩張圖片，時間間隔均為0.03s.

圖9 頻閃照片

圖10 位置坐標

在我們開設(shè)的選修課中，之前帶領(lǐng)學生用頻閃照相技術(shù)得到自由落體或平拋運動物體運動的頻閃照片，再用照片粘貼至幾何畫板中從而對運動規(guī)律進行研究.看來學生對這種利用多媒體技術(shù)充滿了熱情，也掌握了基本的數(shù)字化研究方法，從紛繁龐雜的數(shù)據(jù)中理清思路，并且已經(jīng)開始躍躍欲試的用這種方法去嘗試探索新的問題.

3.4 培養(yǎng)學生的數(shù)據(jù)素養(yǎng)，為走向未來社會奠定基礎(chǔ)

麻省理工學院的Brynjolfsson教授說：“大數(shù)據(jù)好比人類幾個世紀之前發(fā)明的顯微鏡，顯微鏡把人類對自然界的觀察和測量水平推進到了細胞級別，帶來了歷史性的革命和進步，而大數(shù)據(jù)將成為觀察人類自身行為的“顯微鏡”，這個顯微鏡將再一次擴大人類科學的范圍，推進人類知識的增長，引領(lǐng)新的經(jīng)濟繁榮.”在美國這個年輕的國家，數(shù)據(jù)素養(yǎng)卻有著深厚的積淀，數(shù)據(jù)被視為科學的量度，沒有數(shù)據(jù)，無論是學術(shù)研究、政策制定亦或人文關(guān)懷都寸步難行.比如2011年7月26日《紐約時報》報道：截至中國擁有7800萬機動車輛，大概相當于美國的1/3，根據(jù)中國警方的報告，2010年有7萬人死于交通事故，是美國的2倍，真實的數(shù)據(jù)可能還要高很多，兩國的交通安全專家認為：美國的數(shù)據(jù)非?？煽浚y(tǒng)計了每一宗死亡案例，但中國的地方警察部門存在少報、瞞報的問題，只有一小部分交通死亡的數(shù)據(jù)進入了官方的報告.在美國交通安全局的網(wǎng)頁上可以輕松找到以每年交通事故的數(shù)據(jù)，經(jīng)過簡單的對比和分析，就能發(fā)現(xiàn)有規(guī)可循，比如從2008年和2009年交通事故按月對比發(fā)現(xiàn)夏季5－8月明顯是一年中的事故高發(fā)期.從2009年致命交通事故按照星期和時間對比發(fā)現(xiàn)每天的18∶00－21∶00是高發(fā)時段，但星期六這個時段的事故發(fā)生率比工作日要多.午夜0點至3點事故的原因近七成是酒后駕駛.從2009年交通事故按天氣和路況對比發(fā)現(xiàn)惡劣天氣并不是事故的必然原因，絕大部分事故發(fā)生在正常天氣和白天.交通安全管理局會根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，調(diào)整制定新的政策，新政策實施后再搜集新的數(shù)據(jù)，進入新一輪的效果評估，周而復始，循“數(shù)”漸進，正如信息管理專家涂子沛所說：“正在到來的數(shù)據(jù)革命改變著我們的政府、商業(yè)與我們的生活.”

我們探究主題不會只局限于物理，如：“測月球環(huán)形山面積”為例，該探究主題中任務為“月球環(huán)形山的科學知識”；“血滴偵探”中，任務為模仿電視欄目“華人世界”中的一個破案片段；生活中我們要測量、可測量的東西有很多，孩子們隨著學習的深入，發(fā)現(xiàn)原來利用現(xiàn)代技術(shù)手段可以做這么多的事.在“face to face”主題探究中，學生們發(fā)現(xiàn)黃金分割不再是簡單的數(shù)學比例，它還可以直接用到我們的臉上，你美不美，我可有數(shù)據(jù)為證！如圖11和12，極大地調(diào)動了學生利用攝像頭、幾何畫板等手段處理數(shù)據(jù)的熱情，增強了學生數(shù)據(jù)探究意識.……漸漸的，學生們用現(xiàn)代技術(shù)手段探究問題的意識、處理問題的能力都得到了提高，解決問題的方法也越來越多了.

圖11 面部比例分布

圖12 面部比例分布

大數(shù)據(jù)時代之所以產(chǎn)生，是因為今天無處不在的傳感器和微處理器，所有的機械、電子設(shè)備和我們的生活都可以留下數(shù)據(jù)痕跡.這些痕跡表明了它的性能、狀態(tài)、位置、發(fā)展方向，我們希望通過數(shù)字化的物理教學模式能夠加強學生與生活、現(xiàn)代社會及科技發(fā)展的聯(lián)系.無論學生從事的工作領(lǐng)域是科學研究還是政府管理亦或是商業(yè)活動，都能有良好的數(shù)據(jù)素養(yǎng)，有對數(shù)據(jù)的敏感和探索的熱情.而作為大數(shù)據(jù)時代的教育工作者，我們要鍛煉自己敏銳的觸覺和高遠的視野，要思考學生除了物理知識之外的需要，一種適應時代發(fā)展的需要，一種成為未來社會擔當人才的需要。

1 壽千里.用數(shù)碼相機和Photoshop進行頻閃照相的方法［J］.物理教學探討，2008（5）：53－55.

2 項華.信息技術(shù)與中學物理教學整合［M］.北京：北京師范大學出版社，2013（9）：9，24，225.

3 徐子沛.大數(shù)據(jù)［M］.桂林：廣西師范大學出版社，2013（4）：64－68.