運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)改進(jìn)初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)
——以比熱容教學(xué)為例

陳曉輝

（山東省日照市嵐山區(qū)安東衛(wèi)實(shí)驗(yàn)學(xué)校，山東 日照）

一、中學(xué)物理教材對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的拓展

在新課程理念的指導(dǎo)下，伴隨信息教育技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字化教學(xué)在課堂中發(fā)揮的優(yōu)勢(shì)也日漸顯著。信息技術(shù)與物理教學(xué)整合的新型教學(xué)模式，使一些物理現(xiàn)象展現(xiàn)得更加直觀具體，學(xué)生更加容易接受，能夠更好地達(dá)到教學(xué)目的。

其中傳感器在物理信息化教學(xué)的過(guò)程中起著舉足輕重的作用，筆者翻閱日照市所使用的物理課本（2013年人教版物理課本）八年級(jí)上下冊(cè)和九年級(jí)全一冊(cè)的教材用書(shū)，共22章，發(fā)現(xiàn)其中數(shù)字化教學(xué)的章節(jié)有5章，占比22.7%。分別是八年級(jí)上冊(cè)第1章第4節(jié)運(yùn)動(dòng)的快慢，這節(jié)中拓展講解了位置傳感器；第2章第2節(jié)聲音的特性這節(jié)，出現(xiàn)了示波器；第3章第1節(jié)溫度出現(xiàn)了熱電偶溫度計(jì)；八年級(jí)下冊(cè)第9章第4節(jié)出現(xiàn)了氣體壓強(qiáng)傳感器；九年級(jí)第13章第3節(jié)出現(xiàn)了溫度傳感器。其中傳感器利用最多，共出現(xiàn)3次，占比60%。

本文將詳細(xì)闡述傳感器在第13章第3節(jié)比熱容這一節(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，展現(xiàn)信息技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)中的優(yōu)勢(shì)。

二、利用傳感器比較不同物質(zhì)的吸熱情況，以水和食用色拉油為例

（一）分析教材

中學(xué)物理中“比熱容”這一節(jié)通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究認(rèn)識(shí)物體在溫度變化時(shí)吸收或放出熱量的能力，即研究物質(zhì)的比熱容。學(xué)生通過(guò)“比較不同物質(zhì)吸熱的情況”這個(gè)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析，發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律并形成概念，是這節(jié)課的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

本節(jié)人教版教材中設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)如圖所示，用到的實(shí)驗(yàn)器材分別有：兩個(gè)相同規(guī)格的電加熱器、溫度計(jì)、燒杯、水和食用油等。

具體實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程如下，利用兩個(gè)相同規(guī)格的電加熱器分別加熱質(zhì)量相同的水和食用油（電熱器每秒放出的熱量是一定的，當(dāng)它浸沒(méi)在液體中時(shí)，可認(rèn)為液體每秒吸收的熱量相同），使它們升高相同的溫度。學(xué)生使用溫度計(jì)采集液體溫度數(shù)據(jù)，使用秒表測(cè)量時(shí)間，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。分析采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，加熱質(zhì)量相等的水和食用油使其升高相同溫度時(shí)，加熱時(shí)間不同，水需要加熱的時(shí)間更長(zhǎng)，說(shuō)明水吸收的熱量更多。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同物質(zhì)在質(zhì)量相等、升高溫度相同時(shí)，吸收熱量不同。怎么表示不同物質(zhì)這種吸熱性質(zhì)上的差別呢？引入比熱容這個(gè)物理量。

本實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象較明顯，能夠說(shuō)明不同物質(zhì)的吸熱情況不同。但是筆者在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)有幾點(diǎn)不足之處：

1.無(wú)法保證相同時(shí)間內(nèi)水和食用油吸收的熱量相同

實(shí)驗(yàn)用的電加熱器體積大而且是部分在液體中部分在空氣中，有熱量損失，實(shí)驗(yàn)誤差較大。并且實(shí)驗(yàn)用的燒杯杯口過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致一部分熱量散失到空氣中。綜合這兩方面原因，用電加熱器作為加熱裝置無(wú)法保證液體在相同時(shí)間內(nèi)吸收相同的熱量。

2.采集溫度數(shù)據(jù)時(shí)誤差較大

教材中用來(lái)采集溫度的器材是溫度計(jì)，器材本身的限制，或者讀數(shù)時(shí)視線偏差等都會(huì)導(dǎo)致采集的溫度數(shù)據(jù)誤差較大。

3.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在用電安全隱患

學(xué)生做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，還沒(méi)有學(xué)習(xí)安全用電的知識(shí)，在操作實(shí)驗(yàn)時(shí)沒(méi)有安全用電的意識(shí)。此類(lèi)型的電加熱器在220V電壓下工作，放在水里加熱，有漏電的風(fēng)險(xiǎn)，不利于學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

（二）實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

改進(jìn)加熱方式，去除教材中使用的電加熱器，用熱傳遞的方式進(jìn)行加熱。把試管里裝上質(zhì)量、初溫相同的水和食用色拉油，直接放到裝有熱水的燒杯中（水面高于試管內(nèi)液體深度），這樣既能保證相同時(shí)間內(nèi)水和食用油吸收熱量相同，又能排除實(shí)驗(yàn)中存在的用電安全隱患。溫度傳感器替代溫度計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集溫度數(shù)據(jù)，并且可以用軟件繪制出溫度隨時(shí)間變化的圖像，更直觀地反映實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

具體實(shí)驗(yàn)操作步驟如下：

1.利用托盤(pán)天平，把試管內(nèi)稱(chēng)取相同質(zhì)量的水和酒精，將兩個(gè)試管放到盛有涼水的燒杯中，目的是使兩試管中液體初始溫度相同。

2.把兩個(gè)試管同時(shí)放到裝有熱水的燒杯中，燒杯中水面高于試管內(nèi)液面，試管中液體吸收熱量溫度會(huì)上升。

3.用溫度傳感器連接采集器和電腦，采集水和油的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，并用繪圖軟件同步繪制出溫度隨時(shí)間變化的圖像，如圖所示。

分析圖像，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量相同的水和食用油，在吸收相同熱量時(shí)，食用油升溫快，水升溫慢。所以不同物質(zhì)，在質(zhì)量相等、升高的溫度相同時(shí)，吸收熱量不同。怎么來(lái)表示物質(zhì)這種吸熱能力不同的差別呢？引入比熱容的概念。

（三）實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)

1.改變了傳統(tǒng)課本上的實(shí)驗(yàn)器材，利用數(shù)字化教學(xué)器材，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)讀數(shù)更加準(zhǔn)確，使實(shí)驗(yàn)誤差更小，并且利用軟件繪制出溫度隨時(shí)間變化的圖像，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更直觀，有利于得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

2.教材上的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行兩次加熱測(cè)量，改進(jìn)后將試管同時(shí)放入涼水和熱水中，除了保證了兩種液體吸收熱量相同、縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間之外，還去除了加熱裝置電加熱器，排除用電安全隱患，使實(shí)驗(yàn)更加安全環(huán)保。

3.簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)器材，器材的準(zhǔn)備簡(jiǎn)單易行，學(xué)生能夠分組合作完成，提高了實(shí)驗(yàn)的可操作性。

三、小結(jié)

很多物理實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)有的學(xué)校傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室里很難較好地完成，或者較難達(dá)到預(yù)期的效果，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)過(guò)于抽象等現(xiàn)象，信息技術(shù)與物理教學(xué)的有機(jī)結(jié)合在很大程度上彌補(bǔ)了這一不足。本節(jié)采用溫度傳感器和繪圖軟件，把采集的溫度數(shù)據(jù)繪制成圖像，再通過(guò)對(duì)圖像的觀察和分析，幫助學(xué)生增強(qiáng)對(duì)物理概念的理解，加深對(duì)物理規(guī)律的記憶。在今后的教學(xué)中我們應(yīng)該積極探索，結(jié)合實(shí)際教學(xué)，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)數(shù)字化教學(xué)實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和效率，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式向多元化轉(zhuǎn)變。