摘 要：随着电子技术和信息技术的发展为学科教学带来了新的理念，教师在物理学科教学中，可以利用各种信息技术手段将物理实验、物理知识、物理规律、思维过程以及学生的学习反馈，形象地、及时地展现出来，形成可视化的教学与物理学科教学有机整合.以得到简谐运动图像为目的，可视化地展现简谐运动图像，降低学生思维难度，创设真实情境体验，提高物理课堂教学效率.

关键词：信息技术;可视化;简谐运动;物理实验

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）13-0063-03

作者简介：王驰明（1982-），男，安徽蚌埠人，本科，中学一级教师，研究方向：教育教学、实验创新.

1 问题的提出

对简谐运动位移—时间图像的获取，人教版高中物理选修3-4中给出的思路是：利用弹簧振子的频闪照片，频闪仪每隔0.05s闪光一次，拍摄时底片从下向上匀速运动，底片上留下小球和弹簧一系列的像，相邻两像之间相隔是0.05s，沿底片运动方向建立时间轴，振动方向建立位移轴，得到振子在平衡位置附近往复运动的位移—时间图像.具体参考案例在“做一做”栏目中采用的是数码相机和计算机绘制小球运动的位移—时间图像.按照教材提供的思路和参考案例，实际教学应用中发现四个突出问题：

（1）频闪照相要求拍摄时间间隔较短，当物体高速运动时拍摄图片模糊无法进行位移的精确测量.

（2）利用频闪照相记录弹簧振子的运动过程，后面的运动把前面的运动覆盖了，导致无法确定具体时刻的位置.

（3）按照教材参考案例的做法，建立一个幻灯片演示文稿，把这些照片插入文稿中的同一张空白幻灯片中，照片按拍摄时间的先后顺序一帧一帧地自动向右铺开，把这些图片上端对齐，虽然能够看到振子在不同时刻的位置与时间关系图线类似于三角函数曲线，但没有进一步验证振子位移—时间图像符合正弦函数规律便给出简谐运动的概念.这种教学模式让学生较多地关注抽象的物理知识，缺乏对实验过程和知识获取的思维进阶过程，以至于很多学生会认为弹簧振子位移—时间图像是弹簧振子运动的轨迹.

（4）很多老师是先让学生记住结论再进行图像的应用，这种做法不符合学生认知规律.

为了解决上述教学难点，本文以“探究弹簧振子的振动图像”为线索而展开教学，基于“信息技术”辅助教学，利用可视化教学实践手段，将学生的认知过程和探究过程合理链接，实现了物理知识和科学方法，实验探究和理论探究的有机融合，让学生在学习物理知识的同时应用物理思想方法，体验科学探究过程，实际教学中起到很好的教学效果.

2 基于教材方案的创新实验设计

2.1 设计思路

人教版教材中将弹簧的下端悬挂一个钢球，上端固定，组成一个振动系统如图1，用手把钢球向上托起一段距离然后释放，用数码相机拍摄钢球运动.实际操作过程中发现，频闪照相要求拍摄时间间隔较短，当物体高速运动时拍摄图片模糊无法进行位移的精确测量.为了解决这一难点，在原有方案的基础上做两点改进：一是用手机慢动作拍摄短视频，传入电脑，利用视频处理软件将视频转化成图片;二是在弹簧振子的后面放置一个有刻度的背板，小球的位置可以通过后面背板上的刻度确定，如图2所示.

2.2 用软件截取不同时刻的照片按时间顺序展开得到振动图像

用手机慢动作拍摄钢球振动的清晰短视频，利用视频播放软件KMPlayer在帧模式下批量截取视频图片.被截取的图片可以通过“帧模式”直接找到.然后将图片全部复制粘贴到PPT空白页面里，导入的图片会按照时间顺序依次分开一定的距离排列开，单击顶端对齐文件就会交错地排列开，如图3所示.

通过截取排列的照片可以让学生定性地猜测弹簧振子的位移随时间变化的规律可能是什么样的.这种处理方法是小球每隔相同时间所处位置的实物图片依次排列出来的结果，体现出振子在不同时刻所处位置，容易理解位移—时间图像的物理意义是描绘振子不同时刻所处的位置，而不是振子运动的轨迹.同时也解决了弹簧振子的运动过程，后面的运动把前面的运动覆盖，导致无法确定具体时刻的位置问题，对学生来说更为形象、真实，有利于学生掌握.

2.3 利用照片记录位移，结合Excel定量探究弹簧振子位移随时间变化的规律

从图3可以看出，小球运动的位移与时间的关系很像正弦函数关系.对弹簧振子的位移与时间的关系做深入研究，用视频播放软件在帧模式下每隔1/30s截取视频图片中找到位移为零的图片，并从这张图片开始，每两张图片读取一个位置，记录在表1第二列.利用记录的第一列和第二列数据作出位移—时间图像如图4所示.此过程让学生分组实验参与描点的过程性体验，通过对简谐运动图像的绘制，激发兴趣、猜想结果，培养认真、严谨的科学思维，经历真实的情境体验和实验探究过程.

在Excel表格中设置正弦函数，在第三列第三行输入函数：6*SIN（2*3.14*A2/0.64），依次下拉就会出现如图5所示的曲线系列.从对比图形中明显看出通过实验数据作出的位移—时间图像与正弦函数图像在误差允许范围内完全重合，学生认识弹簧振子振动的图像是一条正弦曲线.有效地突破了该节课的教学难点.

3 利用计算机和传感器描绘水平弹簧振子简谐运动的图像

如图6所示，以位移传感器的发射模块作为弹簧振子，平放固定在滑块上并可做水平振动.接收模块固定在气垫导轨的一端连接数据采集器，两个模块处于同一水平面且基本正对.接收模块上的小盒通过数据采集器与计算机相连.打开DISLab6.9软件，进入“通用软件”，打开位移传感器发射模块的电源开关、气源，滑块静止时点击“调零”按钮，选择采样时间间隔为0.02s，开始读数，使滑块A開始水平振动，弹簧振子振动的数据通过数据采集器传入计算机中，点击“绘图”横轴为时间t，纵轴为S1，确定后自动拟合出滑块的位移—时间图像如图7所示.

通过真实的实验情境，让学生经历实验探究过程，得到弹簧振子的位移—时间图像，知道简谐运动的位移—时间图像确实是一条正弦曲线，形成正确的物理观念.

4 结束语

关于“可视化教学”的研究，早在2009年墨尔本大学教授约翰·哈蒂撰写的《可见的学习——最大程度地促进学习》一书一经面世，就引起了教育界的广泛热议，也在实际应用中开启了教与学的新模式.他提出“让教与学可视化“的教学理论，由认知教育组织（Cognition Education Group）牵头，探讨可视化学习，在全球竭力倡导“可视化学习”理念.

物理实验可视化教学通过对实验内容和现象的可视化表达，有效精炼出知识的核心内容，实现隐形知识的显性化，使学生将模糊不清的思想转化成为清晰的外在形态，降低了实验学习的复杂度和认知难度，促进了学生认知结构和认知水平的提高，从而实现了知识的系统化、结构化.因此，将“信息技术”用于物理实验助力可视化教学是教学的智慧所在，也是教育者的思想、方法、技能、手段的智慧体现.

本文以“探索弹簧振子的振动图像”为线索展开，将学生的认知过程和实验探究过程合理链接，实现了物理知识和科学方法、实验探究和理论探究的有机融合.让学生在学习物理知识的同时应用物理思想方法，体验科学探究的一般过程.

参考文献：

[1]王驰明，王芳.基于教材实验方案的改进与创新——胡克定律的实验研究[J].物理教师，2019，40（01）：62-64.

[2]邓颖.利用智能手机和电脑软件探究简谐运动规律的案例赏析[J].物理通报，2019（03）：83-86.

[3]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理（选修3-4）[M].北京：人民教育出版社，2010.

（收稿日期：2021-02-22）