基于核心素养下的信息技术与物理课堂融合——以《多普勒效应》为例

朱文瑜

(浙江省杭州第四中学 310002)

新课程改革其中重要的一点就是重视对学生核心素养的培养.高中物理核心素养可分为四个方面，分别是“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”和“科学态度与责任”.高中物理教学要认识到核心素养培养的重要意义，采取合适的教学方法组织活动.选取以信息技术融合物理课，在教学以学生为主体的前提下，可以利用相关的技术构建一些吸引学生兴趣的和平时生活密切相关的场景，让学生主动参与，培养学生的观察、分析能力，切实优化一些实验的教学过程和功能，从而更新一些教学理念和手段，最终完成培养学生核心素养的目标.

然而目前传统教学中，针对《多普勒效应》一节，有不少教师并没有很好的将信息技术应用于课堂，局限于先放个视频，举个例子，就从头到尾讲到底，究其原因，是既没有准备将信息技术与本节课融入的理念，也没有相关的实验设备.教材上还使用“多人步行”模拟多普勒现象，虽然能够带给学生直观的感受，但假如学习能力普通或抽象能力较弱的学生仅仅使用教材上的例子，可能依然对“多人步行”和多普勒现象的相关联系表示难以理解.

本文以人教版高中物理《多普勒效应》教学为例，阐述通过利用信息技术融合物理的教学和实验方法，解决以上问题，落实核心素养.

1 创设真实情境，提出问题

教师活动(以下简称“师”)：回忆当行驶的火车鸣笛时或飞驰的赛车靠近看台时，你注意过它们发出的声音有什么变化吗？

学生活动(以下简称“生”)：学生回答声音有所变化.好像由低到高，从低沉到越来越刺耳.之后集体观看由教师所放的火车或汽车驶近观察者的视频.

师：看完视频后，不考虑单纯的音量变化，别的方面有无区别，声音有无变得尖锐或低沉？音调变高还是变低，音调的高或低是由什么因素决定？了解音量、音调、频率这三者之间的关系.学生回答之后，教师展示音调频率对照表再详细解释其基本概念.

师：火车进站发出声音的频率是固定不变的还是经常改变的？在火车边的路人听到声音变化的根本原因是什么？如果是火车里的乘客，能感受到声音的变化吗？

生：火车发出频率应该没有变化.不清楚车里的人是否能感觉到有变化.当火车向路人驶来，路人听到音调变高.声音变尖锐—音调变高—频率变大.

师：这些现象就是多普勒效应.随后在课件中简介多普勒历史.

设计意图与信息技术应用：通过观看火车视频材料，在学生心中缔造出了真实生活中的一段情境，课堂内容变得丰富、生动而又具体，由于这类火车视频与学生熟悉的生活紧密相关，较易调动学生的兴趣，使学生学习更为主动.选用视频素材时，要进行适当的编辑，排除干扰信息.引导学生多留心关注日常生活现象，鼓励学生在生活中有意识的培养自己观察能力，用所学的掌握到的物理知识来审视日常生活中常见的各种物理现象，从而了解基本物理观念，锻炼观察能力和科学思维.

2 运用信息技术，简单体验多普勒效应

师：在初步了解完多普勒效应和历史后，课堂上学生自我参与用手机体验下.打开手机phyphox应用程序，介绍其“音频发生器”功能：能发出各种固定不变频率的声音.利用音频软件发出声音的频率是恒定的，手持手机拉远拉近身体，即可以体验到不同效果.这里使用默认设置频率440Hz，如图1 .这里频率范围建议设置在200-2500Hz之间，假如设置过低的固定频率，则会造成实验效果不显著，也易受环境杂音干扰.假如设置频率较高，而音量又不低，则造成人耳听觉不适.

图1

生：在教师示范实验后，手持手机在自己身边做从远到近的动作，体验各种不同效果.也可让学生1人手持手机在课堂里运动，其他同学感受声音的变化.

设计意图与信息技术应用：优化了实验器具，又让学生自行体验实验，调动了学生的主观能动性.因手机屏幕较小，为方便学生集体观摩，建议将手机屏幕共享到教室电脑直至大屏幕.

3 现场集体感受软件模拟实验

师：每个人感受完刚才手机实验后，也可以集体感受使用计算机软件来模拟多普勒效应的效果.教师用教室计算机打开之前安装好的Audition音频软件.开始先制作生成固定声源，新建采样率为44100Hz，单声道，16位的波形文件，之后点击菜单栏 “生成”—“音调，然后在基础频率选项中任意输入声源频率数值，在额外特性中输入1，即可生成输出频率的正弦音频信号.试听可听到原始声音效果.使用鼠标滚轮可对声波图形放大，可见正弦波形.然后在软件中依次点击菜单栏窗口—“工作区”—“最大化波形编辑”，“效果”—“立体声声像—“多普勒效应”.

在这里轨迹类型选直线，远距离起始200米，如图2所示，点击试听体验，尝试改变其远距离起始和速率数据，再点击试听，体验不同效果.

图2

学生活动：观看并现场体验多普勒效应.

设计意图与信息技术应用：运用计算机技术软件模拟多普勒效应，学生集体听到音调从低到高再从高到底，由于是计算机软件控制各种因素，完全可以自主控制声音变化的高低快慢.再一次加深学生实验体验的感受，顺带观看声波波形，有助于知识的理解.

4 回顾知识，分组讨论归纳基本规律.

师：体验完模拟实验后，回顾前面机械波所学知识，单位时间内发出波的个数叫声源频率，观察者在单位时间内接受到波的个数是指接收到的频率.声源的频率是保持不变的.播放模拟动画后如图3，试结合教材“排队数人”自主学习，分组讨论总结归纳多普勒效应的规律.

图3

生：观看模拟动画，自主学习后分组讨论模拟“排队数人”问题来类比声源频率与接收频率的关系.学习讨论后，归纳简单规律：观察者与声源与相对位置如果发生变化，会导致观察者收到频率发生变化.

设计意图与信息技术应用：之前是体验实验，现在是探究现象背后的原理.通过模拟动画的观看和教材例子的结合研究，增加具体动画演示，减轻抽象想象难度，学生先自主学习，后小组合作攻克难点.通过现象了解背后的原理，锻炼了学生推理归纳规律的能力和科学思维.

5 分组实验验证之前的规律.

师：分组合作实验，探究学生归纳出的规律究竟是否正确，需要科学的数字量化验证.首先教师使用2台手机示范演示，A手机作为声源播放，A手机中打开phyphox软件中的“音频发生器”，频率设置为2000赫兹.B手机作为观察接收者不动，打开phyphox软件中的“多普勒效应”，基准频率同样设置为2000赫兹.A手机从远方靠近B手机后离开之后，B手机可得图4所示.观察其波峰和波谷，可以看出接收到的频率是先增加，再下降.

图4

手机运动结束后，点击右上角导出统计的数据，生成文件，将数据传输到教室计算机(网络传输或数据线均可).计算机打开接收到的EXCEL文件查看数据，顶部分别是时间、频率、速度，查看原始数据如图5，1秒前的几项是由于打开软件的先后时间差，属于无效数值.频率那一项是指观察者B手机接收到的频率，时间是指A运动靠近B，再远离B的过程时间.依据图5此表格数据，也可以清楚的看见频率随着时间而增加，而增加之后又迅速下降，对照表格数据和手机B上的波形图可相互验证，从而加深理解多普勒效应.

图5

生：教师示范实验后，学生分组实验，2人为一组使用2个手机，如下图6所示：女生和男生两人分别手持手机作为声源和观察接收者.女生手持一个手机移动，男生手持另一手机保持不动，则声源和观察接收者产生了相对运动.女生将手机声源从左侧移动经过男生手机后到右侧，随着女生和男生的相对靠近，男生手机显示频率越来越高，女生手机经过男生手机后又相对远离，频率降低.之后，让女生保持不动，让男生向女生靠近后远离，使用同类方法和步骤重复多次，验证刚才得出的规律.之后将下表填下完整.

图6

设计意图与信息技术应用：通过学生小组合作，分组实验，使学生完全享受在沉浸式体验实验和探究，不觉得学习是一种负担，兴趣和主动性完全被激发.教师传授完知识方法，引导发挥学生的创新思维，开动智慧亲自动手解决问题，进一步锻炼了科学思维和动手探究能力.最后得出结果再与之前提出的规律相互验证，整体过程科学态度严谨，逻辑过程严密.实验完成后表格填写，又一次加深对知识的理解，培养了核心素养中的科学思维和科学探究.

6 了解多普勒效应的简单应用

师：布置任务，组织学生网络搜索多普勒效应的应用并要求展示.

生：学生使用手机通过网页查询，自行拓展其应用的相关知识.依据自己查询到的信息，综合处理和组织后在课堂上讲解具体用在哪些方面.比如在高速公路上用于交通测速和在医学上用于超声检测等等.

设计意图与信息技术应用：学生通过网络查询本节课相关知识的应用，就能意识到当代社会科学、日常生活与他们在学校里所学到的物理知识是有紧密相关.在理解科学、技术、社会、环境的关系基础上形成对科学和技术应有的正确态度以及责任感.

7 总结评价和练习

师：使用课前教师制作生成的问卷星调查问卷，发送链接共享.

生：在线完成调查问卷和习题.

设计意图与信息技术应用：通过问卷星程序制作问卷下发给学生，问卷里含有相关调查信息和课后习题，可以及时巩固课后学习评价，有助于加深知识理解，通过问卷调查后直接生成快捷的数据统计，有助于教师了解本节课学习效果以及合作交流情况.其中91.3%的学生评价对本节课兴趣浓厚，具体见以下表格.

对本节课兴趣互动情况信息技术的帮助合作情况学习氛围完成学习目标较好以上91.3%95.65%93.48%75.22%95.65%100%

综上所述，本文阐述了物理课与信息技术有机融合中，对传统的实验操作方法及工具设备进行了优化创新，无论是便捷度还是教学效果都有显著提高.本文按照先提出物理问题、体验分析，到小结规律，验证规律最后到拓展知识、学习评价的主线，运用信息技术作为辅助手段融合教学理念和方法，完成了课程教学任务，并且发挥学生的学习主体，学会在日常生活中培养科学的观念和态度，运用科学思维去探究解决问题，进一步落实了核心素养.