郭雪鵬

20世紀(jì)90年代以來，信息技術(shù)與課程整合一直是重要的研究課題，信息化、現(xiàn)代化是教育改革的主旋律。然而，教育教學(xué)質(zhì)量并沒有得到令人滿意的提升。由此引發(fā)著名的喬布斯之問——“為什么計算機改變了幾乎所有領(lǐng)域，卻唯獨對學(xué)校教育的影響小得令人吃驚？”^[1]究其原因，一是有些教師甚至教育技術(shù)專家對信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)深度融合缺乏正確認知;二是有些教師教育觀念陳舊，將信息技術(shù)視為輔助教學(xué)可有可無的工具，認為沒有信息技術(shù)，教學(xué)依然能進行;三是部分教師不了解為什么要進行信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)深度融合，什么是深度融合，如何將信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)深度融合。

一、正確理解信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)深度融合的內(nèi)涵

信息技術(shù)不是可有可無的課堂教學(xué)輔助工具，將信息技術(shù)融合于學(xué)科教學(xué)是教育發(fā)展和改革的時代要求。教育信息化、現(xiàn)代化是大勢所趨。信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)深度融合旨在促進自主、合作與探究等新模式教學(xué)，改變長久以來的“滿堂灌”教學(xué)模式。傳統(tǒng)模式下，教師是中心，教師在短時間內(nèi)向?qū)W生單向傳授大量知識，效果并不理想：學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性喪失，學(xué)生的批判性思維和科學(xué)思維能力沒有得到有效提升。傳統(tǒng)模式下培養(yǎng)的學(xué)生往往習(xí)慣性將教師和專家及教材視為權(quán)威，不敢提出反對意見，對問題缺乏獨立見解，不敢表達也不會論證自己的觀點。信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)深度融合就是要改變這種以教師為中心的課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)，建立一種同時發(fā)揮教師主導(dǎo)作用和體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)主體地位的“主導(dǎo)—主體相結(jié)合”的教學(xué)結(jié)構(gòu)^[2]。信息技術(shù)在學(xué)科教學(xué)深度融合為自主、合作、探究活動的開展創(chuàng)造了信息化的教學(xué)環(huán)境。教師應(yīng)利用信息技術(shù)創(chuàng)建教學(xué)情境，讓學(xué)生便捷獲取信息和資源進行自主探究和協(xié)作學(xué)習(xí)，發(fā)揮其主動性、積極性，最終實現(xiàn)變革傳統(tǒng)課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)的目標(biāo)^[3]。信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)是否實現(xiàn)了深度融合，關(guān)鍵要看以教師講授為中心的傳統(tǒng)教學(xué)結(jié)構(gòu)是否改變，并被“教師主導(dǎo)—學(xué)生主體相結(jié)合”的新教學(xué)結(jié)構(gòu)代替。

信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)深度融合需要大量、類型豐富的數(shù)字化教學(xué)資源作支撐，助力教師主導(dǎo)作用的發(fā)揮和學(xué)生自主探究與協(xié)作學(xué)習(xí)。教師既可以從互聯(lián)網(wǎng)上獲取各種資源，也可以自行開發(fā)或制作教學(xué)資源。以物理學(xué)科為例，常用的教學(xué)軟件有幾何畫板、仿真物理實驗室、Adobe Flash、Algodoo和MATLAB等。網(wǎng)絡(luò)空間上的資源非常豐富且容易獲取，教師應(yīng)有選擇地收集、分類，并將其融入物理課堂教學(xué)。同時，教師也要熟練掌握常用軟件，具備開發(fā)數(shù)字化教學(xué)資源的能力，不斷提高數(shù)字化教學(xué)能力。

二、應(yīng)用幾何畫板探究八大行星的運動規(guī)律

幾何畫板最初是一款數(shù)學(xué)軟件，現(xiàn)在眾多物理教師也將其應(yīng)用于物理教學(xué)^[4]。筆者將結(jié)合課例，探討信息技術(shù)與高中物理課堂教學(xué)深度融合的路徑。八大行星繞太陽近似做勻速圓周運動，行星軌道半徑r越大，角速度ω、線速度v、加速度a越小，周期T越大。高一學(xué)生初次學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容時，難以掌握行星圓周運動的這些物理量與半徑的關(guān)系，不少學(xué)生無法利用萬有引力定律進行數(shù)學(xué)推理得到結(jié)論。高一學(xué)生普遍抽象思維能力和邏輯推理能力不強，解決問題多靠形象思維。如果學(xué)生頭腦中沒有建立生動形象的圖景，思維就存在障礙，不能調(diào)用已有的知識解決問題。為此，筆者查閱行星軌道半徑參數(shù)，依據(jù)萬有引力定律計算得到各行星圓周運動的線速度比值，利用幾何畫板軟件模擬行星的公轉(zhuǎn)運動（如圖1），引導(dǎo)學(xué)生觀察、思考。

人們可以依據(jù)各行星到太陽距離的實際數(shù)據(jù)，計算行星到太陽距離與地球到太陽距離的比值，按照比例確定各行星的軌跡半徑。如果操作者用鼠標(biāo)選中并移動課件中“R”點可以改變地球到太陽距離，各行星到太陽的距離將同步改變。筆者用網(wǎng)絡(luò)上找到的高清圖片表示各行星，生動逼真，能吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生探究的好奇心，體現(xiàn)多媒體教學(xué)資源開發(fā)的藝術(shù)性。用戶單擊圖中按鈕，行星即繞太陽運動，再次單擊，運動停止。這樣的課件具有交互功能，便于學(xué)生自主操作和探究。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認為新知識的學(xué)習(xí)應(yīng)與學(xué)習(xí)者已學(xué)的知識相互聯(lián)系，教師應(yīng)在學(xué)生原有知識基礎(chǔ)上加以擴充、深化、改造，完成學(xué)習(xí)者知識結(jié)構(gòu)的更新。依據(jù)建構(gòu)主義理論，筆者設(shè)計了如下教學(xué)過程。（以下為主要片段）

教師：請大家觀察各行星運動快慢，思考線速度和半徑有何關(guān)系。（教師演示課件）

學(xué)生1：行星軌道半徑越大，運動得越慢。

教師：“運動得越慢”是指哪個物理量？

學(xué)生1：線速度。軌道半徑越大，線速度v越小。

教師：軌道半徑r越大，周期T如何變化？

學(xué)生2：周期T越長。（學(xué)生通過課件演示直接觀察得到結(jié)論）

教師：能從理論上解釋為何半徑越大周期越長嗎？

（學(xué)生2無法遷移所學(xué)知識解決問題）

教師：行星的軌道半徑r和周期T有何定量關(guān)系？前面哪一節(jié)學(xué)習(xí)過？

學(xué)生（全體）：r³/T²是一個定值。

教師：根據(jù)開普勒行星運動的第三定律可知，行星軌道半徑越大運動周期越長。

教師：角速度ω與半徑有何關(guān)系？如何分析？

（停留20秒，留給學(xué)生時間思考）

學(xué)生3：半徑r越大，角速度越小。因為半徑r大，根據(jù)開普勒第三定律可得其周期T越大。根據(jù)ω=??????可知，周期越長，角速度越小。

教師：分析得很不錯！推理很嚴(yán)謹(jǐn)。如何理解軌道半徑r越大線速度v越??？根據(jù)v=ωr可以判斷出結(jié)果嗎？

學(xué)生4：無法判斷。r越大，角速度ω越小，無法判斷二者乘積與r的關(guān)系。

教師：能定量求解線速度與半徑的關(guān)系嗎？行星做勻速圓周運動，向心力由什么力提供？向心力與線速度、軌道半徑有何關(guān)系？

學(xué)生：太陽對行星的萬有引力提供向心力，向心力F_n=m。

教師：請根據(jù)萬有引力提供向心力，求解線速度的表達式，并分析線速度和行星軌道半徑的關(guān)系，推導(dǎo)加速度、角速度和周期與軌道半徑的定量關(guān)系。

筆者用幾何畫板創(chuàng)設(shè)模擬情境引入生動逼真的教學(xué)內(nèi)容，引發(fā)學(xué)生的好奇心。借助技術(shù)工具，筆者模擬行星的運動，引導(dǎo)學(xué)生得到行星線速度、周期和軌道半徑的關(guān)系。筆者通過啟發(fā)式教學(xué)，通過問題鏈對學(xué)生進行啟發(fā)、提示，引導(dǎo)學(xué)生推理分析，使其觀察結(jié)果建立在嚴(yán)密的邏輯推理上，新內(nèi)容的學(xué)習(xí)建立在所學(xué)知識基礎(chǔ)上，進而發(fā)展其科學(xué)思維和數(shù)理推理能力。

三、信息技術(shù)輔助探究行星沖日問題

人教版《物理》必修第2冊72頁第6題：太陽系各行星幾乎在同一平面內(nèi)沿同一方向繞太陽做圓周運動。當(dāng)?shù)厍蚯『眠\行到某地外行星和太陽之間，且三者幾乎排成一條直線的現(xiàn)象，天文學(xué)稱為“行星沖日”。已知地球及各地外行星繞太陽運動的軌道半徑（見表1），根據(jù)題中信息，試計算木星相鄰兩次沖日的時間間隔，哪顆地外行星相鄰兩次沖日的時間間隔最短？

審題是解決問題的第一步，學(xué)生通過讀題、分析題目條件，理解題目情境，建構(gòu)物理模型。對于純文本題型，學(xué)生審題后應(yīng)能用示意圖重構(gòu)題目情境，在示意圖上標(biāo)出關(guān)鍵狀態(tài)、物理量、受力、速度、加速度等信息。不少學(xué)生不會解題，原因之一是沒有讀懂題目，不能用圖畫表征題目情境，頭腦中沒有建立情境畫面，不能建立動態(tài)的情境畫面，難以模擬物體的運動情境動畫。對于此題，學(xué)生解題的困難之一是想象行星的運動圖景，在頭腦中想象各行星的運動及位置關(guān)系。

為引導(dǎo)學(xué)生解題，筆者在信息技術(shù)支持下開展了如下教學(xué)。

教師：請畫出第一次木星沖日時，木星、地球和太陽的位置關(guān)系。

絕大多數(shù)學(xué)生能畫出木星沖日時三者位置關(guān)系。

教師：第一次木星沖日，木星和地球繞太陽做圓周運動，哪顆行星轉(zhuǎn)動得快，哪顆行星轉(zhuǎn)動得慢？請想象不同行星繞太陽運動的動態(tài)畫面。

很多學(xué)生顯露茫然的表情，不能判斷木星和地球轉(zhuǎn)動快慢，無法建立木星和地球繞太陽轉(zhuǎn)動的動態(tài)情境。教師打開制作的幾何畫板課件，模擬木星沖日。學(xué)生觀看課件，尋找運動規(guī)律。

教師 ：木星和地球繞太陽做勻速圓周運動的角速度相等嗎？為什么？

學(xué)生：木星的角速度小于地球的角速度。木星軌道半徑大，根據(jù)開普勒第三定律可知，木星繞日運動的周期大，運動角速度較小。

教師：第二次木星沖日，地球和木星轉(zhuǎn)過的圓心角相等嗎？有何關(guān)系？

學(xué)生1：地球轉(zhuǎn)過的圓心角大。

教師：地球和木星轉(zhuǎn)過的圓心角有何定量關(guān)系？

學(xué)生1無法解答該問題。教師再次演示模擬動畫（如圖2）。再次觀看后，不少學(xué)生觀察出地球轉(zhuǎn)過的圓心角與木星轉(zhuǎn)過的圓心角之差為2π，但仍有部分學(xué)生無法理解該定量關(guān)系。教師安排如下學(xué)生分組做模擬實驗。

分組實驗：學(xué)生兩人一組，用紙揉成兩個大小不同的紙球，分別代表木星和地球;在白紙上畫半徑不同的兩個同心圓，圓心表示太陽，大圓、小圓分別表示木星和地球繞太陽運動的軌道。學(xué)生A手持“木星”，學(xué)生B手持“地球”。初始時，“木星”“地球”和“太陽”三者共線，且“木星”和“地球”位于“太陽”的同側(cè)。學(xué)生B手持“地球”繞“太陽”運動較快，學(xué)生A手持“木星”繞“太陽”運動較慢，當(dāng)“木星”與“地球”再次位于“太陽”同側(cè)且三者共線時，停止運動。

學(xué)生分組實驗后，教師請兩名學(xué)生在黑板上模擬木星和地球的運動，演示木星沖日現(xiàn)象，在黑板上記錄下兩次沖日時地球和木星的位置關(guān)系。

設(shè)計意圖：教師組織學(xué)生分組實驗，培養(yǎng)學(xué)生協(xié)作學(xué)習(xí)意識和合作學(xué)習(xí)能力。兩名學(xué)生只有多次磨合，彼此協(xié)作才能取得較好的演示效果。學(xué)生在模擬活動實驗過程可體會、感悟行星運動快慢，總結(jié)兩次沖日間隔地球和木星轉(zhuǎn)過的圓心角關(guān)系。

教師：通過實驗，兩次木星沖日間隔，大家發(fā)現(xiàn)地球和木星轉(zhuǎn)過的圓心角有何關(guān)系？

學(xué)生2：ω_地t-ω_木t=2π。

教師：題目中沒有說明地球和木星的角速度，地球公轉(zhuǎn)周期T_地=1年作為已知量。如何表示上述關(guān)系？

學(xué)生2：t=2π。根據(jù)開普勒第三定律有?????????????????，解出木星公轉(zhuǎn)周期。

教師：請按照上述思路推導(dǎo)木星沖日的時間間隔表達式。

學(xué)生推理得到木星沖日時間間隔表達式，并根據(jù)表達式分析發(fā)現(xiàn)，行星運動周期越大，兩次沖日時間間隔越短，海王星的軌道半徑大，周期最大，海王星兩次沖日的時間間隔最短。

教師：能提出一個新問題并進行解答嗎？

（學(xué)生沉默不語，無法提出新的問題。）

教師：兩次木星沖日時，木星距離地球最近。（教師加強“最近”兩個字的語氣）能提出一個類似問題嗎？

學(xué)生：可以詢問第一次木星沖日到下一次木星和地球距離最遠時經(jīng)過的時間間隔。

教師：這是一個不錯的問題。請大家畫圖分析，下一次木星和地球距離最遠時兩行星轉(zhuǎn)過的圓心角的關(guān)系。

學(xué)生：地球比木星轉(zhuǎn)過的圓心角多1個π。

部分學(xué)生很快看出結(jié)果，教師保持沉默，繼續(xù)讓學(xué)生畫圖分析，留給學(xué)生時間思索、解決問題。教師使用幾何畫板（課件）演示從第一次木星沖日到下一次木星和地球距離最遠的模擬動畫，引導(dǎo)學(xué)生觀看動畫演示，探究木星和地球轉(zhuǎn)過的圓心角關(guān)系。學(xué)生通過動畫知曉，地球和木星距離最遠時，二者轉(zhuǎn)過的圓心角相差π，根據(jù)圓心角關(guān)系求解時間。2分鐘后，教師請2名學(xué)生將寫在紙上的求解過程和結(jié)果上交，用交互式電子白板的投屏功能進行投影，分析作答情況。

教師借助幾何畫板進行動畫模擬解決了教學(xué)中的難點問題。很多工具既支持教師課堂講授演示使用，又支持學(xué)生在課內(nèi)外自主探究。仿真實驗技術(shù)為學(xué)生提供自主探究的技術(shù)支撐，促進了教與學(xué)方式的改進。此課例的教學(xué)既體現(xiàn)了教師的課堂引導(dǎo)作用，又彰顯了學(xué)生的學(xué)習(xí)主體性，學(xué)生在學(xué)習(xí)中不僅聆聽教師講解，還在教師提示下積極思索，解決問題。

21世紀(jì)，教師要培養(yǎng)的是具有創(chuàng)造能力的創(chuàng)新型人才，而信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)深度融合是實現(xiàn)教育教學(xué)目標(biāo)的重要途徑。信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)深度融合是提高教師教育教學(xué)能力、促進教師專業(yè)發(fā)展的重要時代機遇。教師是教育改革的踐行者，應(yīng)積極投身于新一輪課程改革，積極探索信息技術(shù)與各學(xué)科教學(xué)深度融合的教學(xué)方法和路徑，探索有效支持“主導(dǎo)—主體相結(jié)合”教學(xué)結(jié)構(gòu)的帶有教師個人烙印的新型教學(xué)方法。

注：本文系安徽省阜陽市2021年教育科學(xué)規(guī)劃課題“信息技術(shù)與高中物理教學(xué)深度融合的資源開發(fā)、路徑與教學(xué)的實踐研究”（課題批準(zhǔn)號：FJK21032）的研究成果。

參考文獻

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（作者系安徽省臨泉第一中學(xué)物理教師）

責(zé)任編輯：祝元志