鄭華云

（福清第二中學，福建 福清 350300）

隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，人類社會已全面進入信息化時代，而面對種類繁多的信息以及隨之產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，人腦已經(jīng)無法勝任這些數(shù)據(jù)的解析?！翱梢暬夹g(shù)”就是在這個背景下應運而生的解決方法之一?？梢暬夹g(shù)（Visualization）是指利用計算機圖形學和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來的技術(shù)。它涉及多個領(lǐng)域，成為研究數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)處理、決策分析等一系列問題的綜合技術(shù)。該技術(shù)在我們中學物理教學中的應用，主要指通過信息技術(shù)手段，使物理知識以圖示、圖表、圖象等形式直觀地呈現(xiàn)給學生，增加物理教學的可視化程度，提高課堂的效率等。

一、抽象概念可視化，突破教學難點

高中物理教學中，有很多的物理量比較抽象，比如必修1 第一章中的“加速度”這個物理量，它是動力學中的重要概念，也是學生初入高中時，物理學習中遇到的較難理解的概念之一。尤其在涉及加速度定義及矢量性問題時，初學者往往感覺一知半解。教學實踐中筆者依托希沃一體機配合Excel 表格工具高效構(gòu)圖，突破“加速度定義”教學難點；借助智能手機軟件，形象直觀表達加速度的矢量性。具體做法如下：

（一）Excel 表格高效構(gòu)圖，助力加速度比值定義法的理解

中學物理有很多物理量是根據(jù)比值來定義的，即用兩個基本物理量的“比”來定義一個新的物理量，比值法定義的物理量基本特點是被定義的物理量往往是反映物質(zhì)的最本質(zhì)屬性，或者如速度、加速度，反映的是運動的基本特征，它們不隨定義所用的物理量的大小變化而改變。［1］

在“加速度”新課教學中，筆者類比速度定義方法給出了加速度的定義，但初學者對這個比值定義往往無法理解透徹。因此，在“加速度”第二課時中，筆者利用某個物體速度隨時間變化的幾個數(shù)據(jù)，在課堂中借助教室希沃一體機打開Excel 表格，實時呈現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入過程，師生共同“見證”圖表上點跡的生成，及時板演Δv、Δt（如表1）。緊接著教師及時板書加速度的定義a=。我們可以看到，在同一直線中，Δv變大，Δt也隨著變大，但二者的比值卻保持不變。再次輸入另一個物體的速度隨時間變化的數(shù)據(jù)，在Excel 表格中，實時呈現(xiàn)兩條直線（如表2），在表格中直觀地呈現(xiàn)出斜率不同的兩條直線，即兩個不同的加速度。教師還可以進一步引導學生明確：速度-時間圖象中，直線斜率越大，加速度越大。通過Excel 表格工具的實時高效構(gòu)圖，既促進了學生對加速度比值定義方法的理解，又呼應了本章第二節(jié)所學的“位移-時間圖象”的構(gòu)建，完成數(shù)理結(jié)合的教學銜接，為后續(xù)各種圖象的應用，奠定良好的基礎(chǔ)。

表1 Excel 表格（截圖）

表2 Excel 表格（截圖）

（二）數(shù)據(jù)圖示化，化抽象為形象,展現(xiàn)加速度的矢量性

從初中到高中存在多個思維“臺階”，這給高中的物理教學帶來了一定的難度，尤其從初中的標量進階到高中的矢量，以及隨之而來的從代數(shù)運算到幾何運算的提升，這些對初學者來說難度頗大。在“加速度”教學中，由于牛頓力學還沒接觸，學生對加速度的方向尤其難以理解。筆者在實際教學中，通過形象直觀的矢量圖示、圖象，呈現(xiàn)加速度的矢量性，為學生鋪就思維“臺階”。當然，在本單元教學中，加速度的矢量性不宜做過多的拓展，只需要通過教學讓學生明確加速度也和速度、位移一樣,它具有方向性，也是矢量。具體做法如下：

1.矢量圖示，化抽象為形象

物體做加速直線運動，即vt＞v0，Δv方向與v0方向相同；物體做減速直線運動，即vt＜v0，Δv方向與v0方向相反。從加速度定義可知，加速度方向與Δv方向相同，結(jié)合圖示可得：物體若加速則a與v0同向；反之，a與v0反向（如圖1、圖2）。通過幾個簡單的“箭頭”，讓學生直接觀察到速度、速度變化、加速度的方向，理解幾個運動學物理量的矢量性。同時，也通過教師的示范，讓學生養(yǎng)成動手作圖的好習慣。引導學生在今后的解題過程中，能夠通過作圖，化抽象為形象以輔助分析物理過程或規(guī)律。

圖1

圖2

2.借Phyphox 手機軟件，形象直觀表達加速度的正負性

手機軟件Phyphox 全稱是“Physical Phone Experiments，是2016 年德國亞琛工業(yè)大學基于傳感器設(shè)計開發(fā)的一款專門針對物理實驗的手機軟件，安卓系統(tǒng)和IOS 系統(tǒng)均可直接下載使用。［2］在“加速度”這節(jié)課的第二課時，我們運用的是Phyphox 軟件中的加速度功能（如圖3）。課堂上，利用希沃白板的“手機投屏”功能，將軟件內(nèi)容“同屏”到希沃上，教師手持手機，演示手機從靜止到運動，再從運動到靜止，即先加速后減速的過程。在屏幕上，師生共同見證手機加速度的變化，加速度先是正值，然后負值，如圖4。

圖3 Phyphox 功能界面

圖4 Phyphox 界面加速度正負圖象

Phyphox 軟件讓手機秒變物理實驗室，實驗室不再是實驗教學的固定場地，教師還可以把軟件推送給學生，讓學生憑借手機在家也能輕松自行探究，學生擁有更廣泛的空間自由。利用這些電子設(shè)備，教師不但能幫助學生獲得真實的物理實驗體驗,還可以增強學生運用手機等電子設(shè)備進行物理探究的意識，轉(zhuǎn)變學生只將手機和電腦看作是娛樂消遣工具的固有想法，培養(yǎng)學生的科學探究能力。［3］

課堂上我們所做的各種努力都旨在化抽象為形象，利用圖象的“凸”和“凹”形象地表達加速度的正與負，將“看不見”的概念，用“看得見”的圖象形象地呈現(xiàn)出來。與“口述”式的推理講授相比，這種形象直觀的數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)方式，更容易引起學生的關(guān)注與學習的興趣，從而讓學生在“眼見為實”的情況下，輕松收獲知識，突破我們的教學難點。另外，教師還可以留給學生一份家庭作業(yè)：利用Phyphox 軟件,觀察手機在不同運動狀態(tài)時的三個軸向加速度的輸出值，上網(wǎng)查詢資料“手機搖一搖和計步功能是如何實現(xiàn)的”等。教學中不斷滲透這樣的思想：物理知識就在我們身邊，它來源于生活，又服務于生活。讓學生帶著幾分好奇幾分熱愛去探究物理知識，相信會有更多的學生愛上物理。

二、實驗數(shù)據(jù)可視化，提高課堂效率

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的學科，物理概念、定律和理論，都是在實驗的基礎(chǔ)上建立起來的，因此，在教學實踐中做好實驗教學，是我們的重中之重。以下，筆者以牛頓三大定律的加速度定律、作用力與反作用力定律的實驗教學為例，和同仁們探討數(shù)據(jù)可視化技術(shù)在實驗教學中應用。

（一）傳感器的使用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，提高實驗精確度和教學效率

筆者所在學校在實驗室為學生配備了朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)（DISLab，簡稱DIS），該系統(tǒng)包含傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機和配套軟件，為實驗教學提供了準確、實時、直觀等便利，優(yōu)化了實驗內(nèi)容、提高實驗的精確度和教學效率。［4］以下，筆者以魯科版高中物理必修一第五章第四節(jié)《牛頓第三運動定律》教學中力傳感器的使用為例，介紹DIS 實驗系統(tǒng)如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。

在實驗室沒有力傳感器之前，我們往往是利用兩個彈簧測力計對拉的方式，讓學生展開實驗研究，如圖5。該實驗在彈簧測力計使用前需要調(diào)零，讀數(shù)時需要在兩個測力計間不斷觀察對比，比較費時，且不夠精確。有了力傳感器，教師可以讓兩個學生面對面拉動力傳感器，他們或靜止或走動，電腦屏幕上都能實時呈現(xiàn)一對作用力和反作用力等大反向關(guān)系,如圖6。千言萬語都抵不過這份由DIS 實驗系統(tǒng)所獲得的圖象有說服力，這就是數(shù)據(jù)可視化的魅力，在提高實驗精確度的同時，大大提高了課堂的教學效率。

圖5

圖6

（二）Excel 表格實時繪制圖象，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，挖掘?qū)嶒炓?guī)律

在魯科版物理必修一第五章第二節(jié)《科學探究：加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》即牛頓第二定律的實驗探究中，教材中采用傳統(tǒng)的打點計時器來測算加速度進行實驗探究，學生需要對于紙帶上點與點之間的距離進行反復的人工測量，再利用逐差法計算加速度。然而，測量的誤差、學生計算能力低下等帶來的失誤，往往導致學生難以驗證該實驗定律。面對繁瑣的測量與計算，學生往往望而生畏，從而放棄該實驗的探究。因此，在教學實踐中，筆者借助氣墊導軌系統(tǒng)、數(shù)字計時器等實驗儀器，替代教材中打點計時器、小車等實驗系統(tǒng)，配合Excel 表格工具實現(xiàn)學生實時繪制圖象，通過圖象得出實驗探究規(guī)律。通過Excel 表格公式計算，節(jié)省大量人工的運算時間，而且Excel 表格工具能夠根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制擬合圖象。實驗數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn)，使學生更加直觀地觀察到實驗結(jié)果，從而更好地完成實驗相關(guān)規(guī)律與結(jié)論的驗證與分析。具體做法如下：

如圖7，安裝實驗裝置，首先保持滑塊質(zhì)量不變，改變鉤碼質(zhì)量（對應滑塊所受合外力大小），通過光電計時器讀取、記錄擋光片經(jīng)過光電門時間，在事先編寫好公式的Excel 表格中陸續(xù)輸入t1、t2，緊接著Excel表格實時生成擋光片經(jīng)過光電門的速度，以及速度平方差、加速度的數(shù)值。關(guān)于表格中用到的計算公式，學生有任何不理解的地方，都可以通過移動鼠標單擊該數(shù)據(jù)，來顯示該數(shù)據(jù)的計算公式，如表3，fx=500/D5即對應v1==52.6cm/s。（其中d 為擋光片的寬度）。

圖7 氣墊導軌實驗套裝

表3 Excel 表格（截圖）

不同于DIS 實驗數(shù)據(jù)的處理方法，這種利用Excel表格工具處理數(shù)據(jù)的方法在節(jié)省學生計算時間的同時，讓學生同時參與到數(shù)據(jù)生成的整個過程，培養(yǎng)了獲取和處理信息的能力。在多次改變滑塊所受的合外力之后，采集足夠數(shù)據(jù)，選中數(shù)據(jù)欄“鉤碼質(zhì)量”（合外力）和“加速度a”，插入“圖表—散點圖”。由于實驗存在一定誤差，這些點不在一條直線上，但我們可以從中找到一條合適的直線，使各散點到這條直線的縱向距離之和最小，即尋找這些散點的一元線性回歸直線。筆者所教班級在本次實驗中，90%以上同學都可以得到一條幾乎過原點的直線（如表4），即得到實驗探究結(jié)論：對同一物體，當質(zhì)量不變時，加速度與合外力成正比。

表4 Excel 表格（截圖）

同理，保持鉤碼質(zhì)量不變（合外力不變），改變滑塊質(zhì)量，探究加速度與物體質(zhì)量的關(guān)系。各散點無法擬合線性回歸直線，更接近一條反比例函數(shù)圖象。由于曲線規(guī)律較難驗證相應的變量間關(guān)系，教師可以引導學生變a為，去驗證加速度倒數(shù)與物體質(zhì)量的關(guān)系，如表5。擬合直線時，剔除偶然誤差較大的一個點，最后實驗結(jié)果：對不同物體，當合外力不變時，加速度倒數(shù)與物體質(zhì)量成正比，即得到加速度與物體質(zhì)量成反比的規(guī)律。

表5 Excel 表格（截圖）

傳統(tǒng)實驗探究中，學生也是經(jīng)歷上述數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、得出結(jié)論的過程。不同的是，我們通過Excel 表格工具快速運算，實時描點，軟件擬合圖象，又快又準得出結(jié)論。省去煩瑣的運算時間，課堂上，學生有更多的時間去挖掘數(shù)據(jù)背后的實驗規(guī)律，從而更從容地展開分析、論證、交流與合作。

當然，可視化技術(shù)在實驗教學中的應用遠不止這些。如，利用仿真物理實驗室，可以讓實驗隨時“播放”“暫停”或改變參數(shù)等，讓學生對實驗過程有更深刻的認識。再如軟件模擬電流流動，將“看不見”的電子流動顯現(xiàn)出來以輔助學生進行電路分析等。通過可視化技術(shù)，還原物體運動規(guī)律的本質(zhì)，實現(xiàn)抽象知識直觀化、微觀現(xiàn)象可視化、復雜問題簡單化的最終目標。這里就不一一詳述。

三、測試數(shù)據(jù)可視化，助力精準教學

根據(jù)教學的規(guī)律，結(jié)合學生的實際情況，我校每個學期都舉行期中考、期末考。測試依托“智學網(wǎng)”智能化分析平臺，通過學生答題數(shù)據(jù)，分析、挖掘考試價值。每次測試數(shù)據(jù)，平臺根據(jù)學生答題情況提供給教師四個層次答題結(jié)果，即“困難”“較難”“一般”“較易”四檔以及每道客觀題的正答率。教師課堂講評可以根據(jù)難易程度選擇詳評、簡評以及每道題不同選項講評的詳略處理。

通過平臺數(shù)據(jù)分析，教師可以輕松獲得試卷難易度、題目得分率、知識點等的分析，試題重難點分析躍然“紙上”，這些數(shù)據(jù)主要是針對班級的總體情況進行分析。此外，系統(tǒng)還能記錄幾次測試數(shù)據(jù)的橫向與縱向比較，進步、退步、臨界生的關(guān)注等，關(guān)注到每個學生的答題情況。通過測試數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn)，教師可以輕松地把握班級或?qū)W生個體存在的問題，從而“對癥下藥”。在這樣的環(huán)境下，我們課堂教學的針對性就大大增強，從而實現(xiàn)我們的精準教學，提高課堂教學效率，減少教學盲目性。

四、課堂反饋可視化，提升教學反思深度

如今在我們教室里坐著的是一群“數(shù)字土著”。教師應逐步學習成為“熟練應用信息技術(shù)的新型教師”，去“適應信息化、人工智能等新技術(shù)變革”。［5］目前，教師的教學環(huán)境已逐步從多媒體教學環(huán)境向混合學習環(huán)境過渡，并開始探索智慧環(huán)境下的教學。筆者所在學校，智慧教室里給每位學生配備一臺平板，課堂上教師依托清大學堂——電子書包展開互動課堂，課后可上傳“課堂記錄”，方便課后進行教學反思。平臺上的應用“課堂回顧”，以各種數(shù)據(jù)、圖表、圖象等可視化的方式再現(xiàn)課堂上的“痕跡”，從而為教師的教學反思提供有力的素材。以下，筆者以《牛頓第三運動定律》這節(jié)課的“課堂回顧”為例，介紹如何利用可視化的課堂反饋，提升教學反思的深度。

（一）整體綜合分析

如圖8，從課堂參與度、課堂交互度、目標達成度三個維度分析本堂課的整體情況。通過數(shù)據(jù)及相應的雷達圖，教師可以輕松了解到，雖然各區(qū)學情不同，三個維度未必會一致，但明顯本堂課的“交互度”遠遠低于全國水平，因此在今后教學集備中，應重點討論如何實現(xiàn)師生、生生間的“交互”。

圖8

（二）教學環(huán)節(jié)分析

如圖9，按照本堂課教師開展教學活動的順序，平臺上呈現(xiàn)每個活動的名稱、參與人數(shù)、活動類型、所占時間及總時間，幫助教師更好地回顧本堂課的教學節(jié)點。特別是環(huán)狀圖，以不同顏色標示每個教學環(huán)節(jié)的時間分配。從圖可知，本堂課作為新課講授，“答題/測試”時間過長。

圖9

（三）學生活動數(shù)據(jù)分析

課堂測試的數(shù)據(jù)結(jié)果，會按照正確率或者表揚榜高低排名；還會從各題整體正答率和具體到每一個學生的作答情況來呈現(xiàn)學生活動數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)以餅狀圖、表格等數(shù)據(jù)可視化的反饋方式，使學生的課堂活動情況清晰明了。而傳統(tǒng)的課堂，由于條件的限制，教師的講授只能針對大部分學生，無法關(guān)注到所有的學生。現(xiàn)在，借助平臺的“課堂回顧”功能，我們可以及時發(fā)現(xiàn)教學中存在的問題，及時利用課后輔導時間展開個性化的培優(yōu)輔差工作，提高教學管理的效率。

目前，我校還無法做到每個教室為每生配備一臺平板（智慧教室是公用教室），但相信不久的將來，隨著學校的發(fā)展，必然能實現(xiàn)智慧環(huán)境覆蓋全校，打造智慧校園。到那時只要教師在下課時將答題、書寫、隨堂測試數(shù)據(jù)回傳到云端，不僅教師可以及時回顧課堂情況進行反思，學生、家長也可以共同參與到教學反思中來，加強家校的聯(lián)系，同時讓學生加深對知識的理解，總結(jié)學習中的經(jīng)驗，以更好地服務教學。