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摘要：随着科技的不断发展，各种数字化技术被应用到教学当中。数字化赋能教学已成为现代化教学的必要手段。从数字化应用的角度可以分为物理思维可视化和物理实验仿真模拟。围绕这两方面应用分别对力学、热学、光学、电磁学及近代物理中的抽象物理过程实现物理思维可视化和对典型物理实验进行模拟仿真。通过各种数字化技术实现物理教学与数字化教学手段的深度融合。

关键字：数字化赋能；物理教学；课例研究

引言：2019年3月20日，教育部《关于实施全国中小学教师信息技术应用能力提升工程2.0的意见》中提出到2022年构建以校为本、基于课堂、应用驱动、注重创新、精准测评的教师信息素养发展新机制，通过示范项目带动各地开展教师信息技术应用能力培训基本实现“三提升一全面”的总体发展目标。而且《新课标》也提出教材编写可以在教材中适当介绍一些有利于物理教学或物理实验的软件工具，辅助学生学习物理或进行物理实验等。可见国家教育部非常重视信息技术在教学中的应用，其中数字化技术做为一种重要的教学方法已经应用到高中物理教学中，各种数字化软件成为教育教学的重要工具，让我们的教学更加高效，让学生的学习更加轻松，同时也顺应当下国家“双减”的教育教学方针政策。

一、数字化赋能物理教学的重要性

1.数字化赋能物理教学可以有效提高物理实验过程的可视度

在物理实验教学过程中，我们经常做一些演示实验，但是演示实验存在可视度不强的问题。通常的演示实验只能演示实验结果，无法演示具体的实验过程和实验原理。例如，在演示分子引力时，我们看到两块铅块吸引在一起，而且悬挂很重的重物都不会分开，说明分子引力存在。但是分子引力是怎样产生的呢？学生是无法观察到的，那么借助数字化技术就可以将分子引力演示出来。

2.数字化赋能物理教学可以打破教学时空限制，突破教学重，难点

随着数字化技术的不断深入，数字化技术与课堂教学整合也在不断加强。二者的结合使物理实验教学效果得到很大提高，不仅可以突出物理实验教学的重、难点，还可以不受空间条件的限制。通过数字化软件对物理现象的内在发展规律进行形象展示，使学生在学习过程中更加轻松，让学生能够应用物理知识解决生活中遇到的问题。

3.数字化赋能物理教学通过情景式教学让课堂更有趣，让教学更高效

由于高中物理教学大部分为理论知识教学，物理课堂相对比较枯燥，部分学生对物理知识的学习积极性不高。我们可以利用这些数字化技术调动学生的学习积极性和对物理学科的兴趣。大部分的数字化技术都可以让学生进行互动，让学生参与。这都会激发学生的学习兴趣并让我们的课堂丰富多彩。例如在利用中学电学实验室进行电学实验模拟教学时，可以让学生连接实物电路（在多媒体大屏上就可以进行），不但可以提高学生的动手能力，同时可以练习电路的实物连接，提高学生的解题能力。数字化软件可以随时提出连接过程中的问题让学生及时纠正，提高学生的学习效率。

4.数字化赋能物理教学操作简单，便于师生操作

数字化软件设计操作比较简单经过简单的培训学生就可以进行操作。同时数字化实验具有一定的便捷性，如学生电学实验中实物连线和故障电路的排查的练习，在没有实验器材的情况下，在家里电脑上就可很好地练习，简单方便。例如可以在假期布置一些利用数字化软件操作的作业，让我们的作业更加多元化同时也可以提高学生的自主学习能力。

二、数字化赋能物理教学的教学策略

1.利用数字化手段实现HPS辅助教学

HPS需要在课堂导入环节重温科学家的研究历程，传统教学很难实现。可以利用豆包等人工智能AI实现学生与智能体进行人机对话。将物理研究过程形象的展现给学生，通过人工智能软件将科学史、科学哲学、科学社会学有机融合在一起，从而实现HPS辅助教学。例如《自由落体运动》一节的导入环节，可以利用人工智能体制作亚里士多德伽利略的对话短视频，还可以制作伽利略人工智能体，让学生提问。培养学生的质疑精神。在体验科学家的研究历程中，让学生找到经典实验存在的问题，并对存在的问题进行纠正，从而提出新的观点和认知，培养学生的科学态度与责任。

2.利用模拟仿真实验辅助完成或替代传统实验

高中物理存在较多危险系数高，实验过程耗时较长，不易观察，前沿科技等方面的实验。通过仿真软件或仿真平台对教学中需要仿真的实验进行模拟，利用数字化模拟试验弥补传统实验的不足，增加学生操作实验的途径，锻炼学生的自我探究能力，开拓学生视野。通过仿真模拟实验平台，打破实验的时空限制，使学生能够在家里进行实验。根据个人需求，利用仿真模拟平台进行模拟实验操作，强化对实验操作的练习。

3.利用数字化工具实现物理思维可视化

高中物理存在很多抽象的物理问题，包括力的动态平衡、波的叠加、光的干涉、衍射、带电粒子在磁场中动态旋转圆、平移圆、放缩圆等问题。以上问题用传统画图的方法无法显示其动态变化过程，教学效果较差。利用数字化软件展现、放慢这些物理过程，可以让思维可视化，降低思维梯度，对于思维过程具有一定的辅助作用。

三、数字化赋能物理教学典型课例

课例一：利用Vpython模拟点电荷的电场及电场线

在人教版《必修三》中关于电场线的特点中讲到：电场线是为了研究电场方便而人为画出的一些线，通过电场线的疏密及切线可以分别表示电场强度的大小和方向。教材中实验铁屑来模拟电场的分布及电场线的图像。按照这种思路我们也可以利用电脑软件进行模拟，下面利用当下非常流行的Vpython电脑编程语言对各种点电荷的电场线进行模拟。

例1：单个点电荷编程语言如下：

模拟电场可以分为三部分：

第一部分设置基础参数：k = 9*10**9（静电常数）   size = 0.1   a_N = 36    Q1_charge = 10**（-5） #电荷的电量   Q1_position = vector（0， 0， 0） #电荷的位置

Q1 = sphere（pos = Q1_position ， radius = size ， color = color.blue）------模拟单个点电荷

第二部分设置电场线：field_ball_1=[]；  for a in range（0，a_N，1）：

field_ball_1.append（sphere（pos=vector（size*cos（2*pi*a/a_N）， size*sin（2*pi*a/a_N），0）+Q1_position，radius=0.01，color=vector（1，1，0），make_trail=1，v=vector（0，0，0）））     def Force_E（r， q）：#库伦公式   r0 = r - Q1_position

return k*q*Q1_charge*r0.norm（）/（r0.mag*r0.mag）

第三部分模拟电场形成过程：

t = 0    dt = 0.001    while t<2：    t += dt   rate（1000）

for a in field_ball_1：    a.v = Force_E（a.pos，2）.norm（）       a.pos += a.v*dt

课例二：配速法解决带电粒子在复合场中运动类问题[1]

题型概述：习题是检验学生学习情况的常用方法，通过习题课可以巩固知识，提升成绩。带电粒子在复合场中运动是高考的热门考点。由于其运动的复杂性在实际教学中学生很难接受，通过数字化手段将运动分解并用动画展示可以降低学生的思维梯度。近两年分别在2023年江苏卷16和2022年全国甲卷18题出现了关于带电粒子在复合场中做旋轮线运动。其中全国甲卷让学生判断运动轨迹，江苏卷16题让学生分析带电粒子的具体运动过程，两个题异曲同工。

题型命题特点：题型情境由电场和磁场的复合场构成，电场的方向为竖直方向，磁场的方向为垂直纸面方向。带电粒子在这样的复合场中既受电场力也受洛伦兹力，从综合运动的角度分析粒子运动非常复杂，这里可以采用运动分解的方法其核心思路就是配速法将原有速度分解为两个速度其中一个速度用于平衡电场力从而做匀速直线运动，另一个速度所受洛伦兹力使物体做匀速圆周运动。这种方法对于基础非常好的同学很好理解但是对于中等及基础较差的同学很难理解，教学往往通过画图的方法但是由于运动非常复杂很难直观的向学生们展示具体的过程。为了解决这一难题可以利用geogebra软件制作动态课件展示具体运动过程，降低学生的思维难度。

已知电磁场方向垂直纸面向外，电场强度方向竖直向上，大小分别是B和E。质量为m的质子当入射速度等于v1时做匀速直线运动那么初速度v0大于v1时，粒子如何运动？轨迹如何？

解题思路：沿水平方向初速度大于v1为利用配速法分解两个分速度，其中一个水平分速度v1不变使水平方向做匀速运动，由于合速度大于v1所以另一个分速度v2=v0-v1通过geogebra模拟质子的圆轨迹在x轴下方轨迹

总结：通过动画演示及理论总结可以发现入射速度不管是大于或小于v1，粒子的运动轨迹都不会越过x轴，通过这一结论可以确定粒子在运动过程中的最大速度及最小速度，同时可以确定粒子距x轴的最远距离或某一位置的距离。

课例三：实验验证平行四边形定则

应用思路：在人教版必修一第三章第四节力的合成分解一节需要通过实验验证力的平行四边形定则[2]。按照教材中的实验是采用等效替代的思路，在实际数据处理中要求学生画出两种情况下合力进行对比。由于有误差的原因会导致单独一个力的合力与两个力图像画出的合力是不重合的。出现这种现象的原因是什么呢？在这里可以向学生讲解误差的来源分别是系统误差和偶然误差，但是要强调误差是不可避免的。为了说明这个问题这里利用计算机软件设计程序对比手绘图与计算机绘图让学生体会。

总结：以上程序可以快速准确的绘制合力图像，同时对比验证平行四边形定则。通过观察以上图像不难发现即使用计算计绘图依然存在误差。通过以上分析让学生明白实验误差是不可避免的，在此基础上还可以让学生分析误差的来源。在这个过程中培养学生的科学态度与责任。

四、数字化赋能高中物理教学总结

为了更好的实施数字化教学国家教育部提出了教育信息化2.0计划，这一计划是党的十九大作出中国特色社会主义进入新时代的重要举措。意在加快教育现代化建设，教育强国新征程。通过快速推进“三通两平台”建设使教师信息技术能力显著提高，信息化技术水平显著提高。教育信息化2.0是顺应智能化教学的发展必然趋势.随着人工智能、大数据、区域链等技术的迅猛发展，新兴的信息化工具必将改变人才需求和教育形态。智能教育不仅改变教学的方法而且也在改变教育的理念文化和生态。教育信息化已经成为顺应教育改革势在必行的教育措施。作为一线教师更应该顺应时代的发展，不断更新教学方法，将各种数字化教学工具引入到实际教学当中，制作出越来越多可视化的教学资源。通过这些教学资源帮助学生降低思维梯度，最终实现培养学生物理核心素养的教学目的。同时，教师还需注重培养学生的信息素养，引导他们有效利用数字化资源，提升自主学习能力。通过线上线下相结合的教学模式，打破时空限制，拓宽学习渠道，使教育更加个性化、精准化。这样，不仅能提高教学效率，还能促进学生全面发展，为培养适应未来社会需求的高素质人才奠定坚实基础。

参考文献

[1]李晓龙，刘海霞.深度解析配速法在高考考题中的应用[J].中学生理科应试，2025，（03）：33-36.

[2].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.普通高中教科书物理（必修一）[M].北京：人民教育出版社，2019.

[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.普通高中教科书物理（必修三）[M].北京：人民教育出版社，2019.

本论文是河北省保定市教育科学研究“十四五”规划课题《数字化赋能的物理教学课例研究》，编号2501092的主要成果。