基于“真实实验”的中学物理可视化教学的实践研究

基于“真实实验”的中学物理可视化教学的实践研究

陈文南

常州市武进区潘家初级中学，邮编： 213179

摘要：可视化教学是我们从科学计算范围模仿而来的。本文尝试通过应用真实实验的教学方法设计教学，联合中学物理教学中的几个案例并且提取可视化教学观点的内在思想运用到中学物理教学过程中，力图使的中学物理的概念及其规律的形成过程可视化，科学思维的过程可视化，从而改进和有效的提高中学物理教学的水平，促进学生学科核心素养的培养。

关键词：可视化教学；中学物理；真实实验

通过将具有科学性的数据转变成图形或者图像呈现出来，随着时间或者空间的推移而变化的现象或过程形象的展现在研究者面前的教学方法是可视化教学，可视化教学原先是在科学计算范围中的一个概念。近年来，信息技术的不断发展和进步，例如像VR，AI等技术，许多中学教师在物理教学过程中也开始通过运用这些信息技术来模拟真实的物理原理的过程，同时这些信息技术也使得某些物理原理变化的过程更为“可视”。在反应物理的原理现象和规律方面，真实实验的效果更有效且具有深层的意义，是信息技术手段不可替代的，而现代先进的信息技术的方法显示的是对微观或者抽象的物理过程，是基于虚拟平台上的一种模拟方式。

据此，我们提议在探索实践教学过程中，将可视化教学理念融入物理教学过程中，通过真实实验的方式，将学生不易认识和理解的概念和规律，不容易观测到的物理现象或物理反应的过程通过真实实验的方式亲身体验展示出来，这种方式使得学生更有效的，直观形象的了解到物理概念，科学思维的形成的过程。这种方式对中学生慢慢进入学习物理专业知识有更好的效果，不仅提高物理教学水平的质量，而且还促进学生学科核心素养的培养。

1 “滑轮”教学的可视化设计

教师在对于滑轮的认识方面通过两种比较常见的教学模式进行解析，一种是将对滑轮的静止状态进行解析，把滑轮简化为杠杆，得出其支点，动力，阻力及其动力臂和阻力臂，这种教学方式需要学生具有比较强的科学思维能力，但是缺乏对物理概念知识的建构过程。而另一个是根据建构主义理论，教师通过引导学生亲身体验从杠杆到滑轮的逐步演变过程。教师在教学中先建构真实情境，从学生已学过的杠杆知识点入手，启发引导学生去思考如何解决杠杆在提升物体时提高高度有限的问题，学生通过小组讨论后，得到两个杠杆垂直使用的装置，引导学生去思考，装置在提升物体时，从一个杠杆到另一个杠杆时物体会发生较明显的晃动；为了减小这种晃动，可以考虑增加杠杆的个数，继续引导学生思考，如果将许多杠杆连接起来使用，就相当于一个圆面，为了使物体平稳地上升，用一个带滑槽的轮来代替，就可以得到滑轮的结构。这种设计是基于杠杆在提升物体时的逐步改进，从而很好地展示了从杠杆到滑轮的演变过程，使滑轮的杠杆本质可视化，更具有直观性。学生在教师的逐步引导下，完成了一次从杠杆到滑轮的创新设计过程。这种设计，也蕴涵着科学（Ｓｃｉｅｎｃｅ）、技术（Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）、工程（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）、数学（Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ）的ＳＴＥＭ理念。

2 面对“浮力＂知识点的可视化教学设计

2.1可视化教学设计——浮力产生的原因

液体或者气体对浸在其中的物体向上的压力与向下的压力之差产生了浮力。教师通常将一个瓶子低端开口倒置，瓶中倒入水放入小球，球被水压在瓶口而不会向上浮起，堵住瓶口，让小球的底部积蓄水后和瓶内水相连，则小球就会向上浮起来。这个实验采用了一个小球的两次变化展示浮力的产生，需要学生能够掌握重点观察得点在什么位置，了解重点观察水进入底部的过程，并分析在水进入底部时小球的受力有什么不同的变化。通过实验证明球被浮起来的过程是比较复杂的过程^[4]。有些教师则通过将两个小球进行比较，在开口的瓶中放入两个相同的小球，倒入水后其中的一个小球会浮到水面，而另一个小球则会被压下瓶口只是受到了水对球向下的压力，没有受到浮力的运用。如果将瓶口堵住，则原先被压住的瓶口的球会因为底部的水进入而受到浮力向上浮起。这种两个小球做对比的教学设计可以更直观的分别出两个小球再底部有没有受到水的压力的影响，将两个小球的不同状态定格，使得学生有更充裕的时间去思考两个球所受的力有什么不同之处，从而提高了对浮力所产生原因的可视化教学的研究效果。

2.2浮力方向的可视化演示

教师在面对浮力方面的知识教学时，一般会使用一个漂浮的物体进行解析，根据二力平衡的知识可知浮力与重力是一对平衡力，由于物体受到的重力方向是竖直向下的，从而得出浮力的方向应该竖直向上这个结论。在这种教学模式中，因为重力的方向是不可见的，学生们需要通过发挥自己的想象力，想象重力的方向来推理浮力的方向，这对学生自身的想象力和推理能力有更高的要求，而学生对浮力方向的直观认识是欠缺的。应用可视化的教学方式对比实验的设计，会使得浮力方向更加的直观

^[5]。例如1，用重锤通过细线悬挂一个乒乓球浸没在水中，在浮力的作用下，悬线呈竖直状态，与容器外悬挂的乒乓球进行对照，两条悬线均为竖直。其中，容器外的细线呈竖直状态可以使重力方向可视化，容器内的细线呈竖直状态使浮力的方向可视化。例如2，将容器倾斜一个角度，静止后发现两条悬线仍都为竖直状态，与1中的实验对比，学生很容易理解浮力的方向始终是竖直向上。本实验中，悬线是使物理概念可视化的重要载体，这种设计将学生不能直接观察到的“方向”可视化，使浮力的方向是竖直的这一结论更为直观地展示在学生面前。

总体而言，在初中物理教学过程中，教师应该通过有效的发挥真实饰演的优点，在物理教学过程中力求真实的情境展示，使得物理概念的形成过程，科学思维和实验研究的过程更为直观，可视化，让学生能够更贴合实际，直观的感受实验的研究过程，掌握物理的原理和规律，教师则通过可视化教学方式能够更好的去提高物理教学的质量，促进物理学科核心素养的有效培养。

参考文献

[1] 教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.1：4—6．

[2] 义务教育教科书.物理（物理八年级上册）.刘炳生，李容. 江苏科学技术出版社. 2013.

[3] 义务教育教科书.物理（物理八年级下册）.刘炳生，李容. 江苏科学技术出版社. 2013.

[4] 义务教育教科书.物理（物理九年级上册）.刘炳生，李容. 江苏科学技术出版社. 2013.

[5] 义务教育教科书.物理（物理九年级下册）.刘炳生，李容. 江苏科学技术出版社. 2013.