基于現(xiàn)代信息技術(shù)的物理教學(xué)實驗改進(jìn)

張駿

物質(zhì)的熔化與凝固是平時生活中較為常見的物態(tài)變化現(xiàn)象，學(xué)生比較熟悉，但沒有深入了解，僅停留在感性認(rèn)知層面。教科書先大致比較冰和石蠟的熔化，試圖利用學(xué)生已有的生活經(jīng)驗，初步認(rèn)識到不同的固體，熔化的特點并非相同。在此基礎(chǔ)上，再以海波和松香為實驗材料，記錄在熔化過程中兩者的溫度變化數(shù)據(jù)，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出熔化圖像，反映兩種固體在加熱時溫度隨時間的變化規(guī)律，總結(jié)出晶體和非晶體熔化的規(guī)律，引出熔點、晶體和非晶體等概念。

一、傳統(tǒng)實驗存在的問題分析

教材中海波熔化的實驗具體操作如下：把裝有海波的試管放在盛水的燒杯里，緩慢加熱，觀察海波狀態(tài)的變化（如圖1）。待溫度上升到40℃開始，每隔0.5分鐘記錄一次溫度，到海波完全熔化后再記錄幾次。該實驗完成后，再將實驗材料改為松香，重復(fù)上述實驗步驟。

1、探究的材料選取不理想，實驗操作繁瑣

海波是熱的不良導(dǎo)體，在水浴加熱的過程中，不同部位的海波溫度不一樣。若溫度計插入的位置不合適，便不能將熔化時的真實溫度測量出來。而且，當(dāng)海波開始熔化時，由于液態(tài)海波的形成，會產(chǎn)生了對流，使得還未熔化的海波迅速熔化，最終得不到晶體熔化時溫度保持不變的過程。

該實驗結(jié)束后，溫度計和海波會黏在一起并凝固在試管中，若要將溫度計取出，則須對其進(jìn)行再次加熱，而且對海波的回收也要進(jìn)行再次加熱至熔化后倒入回收容器進(jìn)行回收。松香的熔化實驗同樣存在著實驗結(jié)束后，實驗器材清洗比較困難的情況。

2、實驗的時間緊張，學(xué)生參與度低，實驗現(xiàn)象難以觀察

在教學(xué)參考書中，“熔化與凝固”這一節(jié)課只安排了一個課時，為了順利完成教學(xué)任務(wù)，教師在實際操作過程中，會將海波、松香熔化的兩個演示實驗同時進(jìn)行：兩套試驗儀器放在講臺的兩邊，每套儀器都請3個學(xué)生幫忙，1人報時，1人讀溫度計示數(shù)，1人在黑板上記錄數(shù)據(jù)。其余的同學(xué)在下面聽取匯報，并記錄實驗數(shù)據(jù)。再根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，繪制兩個固體熔化的圖像，從圖像中找出相同點和不同點，進(jìn)行比較后將其規(guī)律推廣到兩類不同的固體：晶體和非晶體。

從上述教學(xué)過程不難發(fā)現(xiàn)，對于海波和松香熔化實驗的具體過程，能夠直接參與實驗操作的學(xué)生是很少的，而且對于實驗現(xiàn)象，除了兩位讀取溫度數(shù)據(jù)的同學(xué)能夠觀察得到，其余學(xué)生由于位置的關(guān)系均無法觀察。觀察的困難必然導(dǎo)致學(xué)生對晶體熔點的理解不夠深入和透徹，使得學(xué)生在晶體達(dá)到熔點后能夠處于何種物態(tài)的判斷帶來困難。從培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)層面來看，學(xué)生的實驗操作能力和實驗現(xiàn)象觀察能力也得不到培養(yǎng)和發(fā)展。

二、實驗的改進(jìn)措施

針對實驗中存在的以上問題，筆者對實驗進(jìn)行了以下改進(jìn)。首先，將實驗材料由海波和松香分別替換成常見的冰塊和石蠟，便于學(xué)生課后進(jìn)行重復(fù)實驗;其次，利用DISLab系統(tǒng)完成實驗數(shù)據(jù)的采集和處理，得到物質(zhì)熔化的溫度—時間圖像，并在實驗過程中利用投屏軟件放大實驗現(xiàn)象;最后，利用帶顯示器的便攜式溫度傳感器，讓學(xué)生在課外自行探究和驗證常見物質(zhì)的熔化特點。具體操作如下：

1、基于DISLab系統(tǒng)的實驗設(shè)計

在實驗桌面上放置兩個鐵架臺，選擇直徑適當(dāng)?shù)脑嚬軆芍?，不能太?xì)，以免實驗過程時間過短，不利于實驗現(xiàn)象的觀察。將盛水量和裝石蠟量均為約三分之一的兩個試管分別固定在鐵架臺上。取兩個溫度傳感器，固定在試管中，并調(diào)整其位置，使探頭的能夠處在實驗材料的中間位置，保證實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。其中，在石蠟中的溫度傳感器探頭固定時，可在將石蠟加熱熔化的過程中將其固定好，再讓其自然冷卻，這樣可以確保探頭處于最佳測量位置。將溫度傳感器與DISLab數(shù)據(jù)采集器連接，并把數(shù)據(jù)采集器連上計算機(jī)，讓測量的溫度數(shù)據(jù)通過DISLab系統(tǒng)中的通用軟件進(jìn)行處理。

圖2實驗裝置結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)上圖的設(shè)計連接好實驗裝置，開始進(jìn)行實驗前，將課前準(zhǔn)備的冷凍成塊狀的飽和濃鹽水，從保溫杯中取出放在燒杯中，作為冷卻媒介，將試管中的純凈水冷凍成固體。冷凍完成后，接下來便可以進(jìn)行熔化實驗。為避免熔化的時間過短，溫度數(shù)據(jù)采集不充分，可準(zhǔn)備兩燒杯，一杯裝溫水，一杯裝開水，將裝有冰和石蠟的兩試管分別放在其中進(jìn)行水浴加熱。

打開DISLab系統(tǒng)，開始熔化實驗，溫度傳感器會采集冰和石蠟熔化溫度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳給計算機(jī)，系統(tǒng)的通用軟件會將數(shù)據(jù)直接進(jìn)行處理，得到兩者的熔化溫度—時間曲線圖，如圖所示：

圖3冰塊熔化溫度—時間曲線圖圖4石蠟熔化溫度—時間曲線圖

通過以上系統(tǒng)生成的圖像對比，學(xué)生可以比較明顯地看出兩種物質(zhì)在熔化過程中具有不同的特點，在此基礎(chǔ)上要求學(xué)生對兩組實驗圖像進(jìn)行分析，尋找出兩種物質(zhì)各自的熔化特點，最終通過分析，總結(jié)出晶體與非晶體熔化的特點。

2、利用投屏軟件，放大實驗現(xiàn)象

在操作實驗的過程中，利用蘋果手機(jī)自帶的屏幕鏡像功能，打開手機(jī)的視屏拍攝功能，結(jié)合電腦端AirPlay程序，實現(xiàn)實時投屏功能。使用Airplay技術(shù)將手機(jī)畫面投屏后，只需找個好角度對準(zhǔn)學(xué)生需觀察的部分實驗器材即可，這樣全班學(xué)生都能很清楚地通過教室大屏幕觀察固體熔化的實驗現(xiàn)象。

圖5投屏裝置結(jié)構(gòu)圖

以上投屏裝置的正常使用，需要讓教室電腦和手機(jī)連接的是同一個無線網(wǎng)絡(luò)，如果教室沒有實現(xiàn)無線覆蓋，可以通過安裝USB隨身wifi，把電腦端的互聯(lián)網(wǎng)連接轉(zhuǎn)換成wifi信號，然后將手機(jī)再連接該信號。其中，手機(jī)的類型并不局限于筆者使用的ios操作系統(tǒng)的蘋果手機(jī)，Android操作系統(tǒng)的手機(jī)同樣也可以實現(xiàn)實時投屏功能，如在Android操作系統(tǒng)的移動設(shè)備端和電腦端同時下載希沃授課助手，點擊里面的對應(yīng)的功能，便可實現(xiàn)實時投屏。

3、借助便攜式溫度傳感器，學(xué)生課后進(jìn)行自行探究

通過以上信息技術(shù)協(xié)助實驗教學(xué)，非常的高效化和智能化，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實驗耗時的缺點，但同時也淡化了學(xué)生對實驗的參與感。學(xué)生缺少了傳統(tǒng)實驗中的體驗體會過程，無法親自動手實踐去創(chuàng)造、觀察和體會物理現(xiàn)象，沒有了施展的實驗平臺，不利于學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的激發(fā)，不利于學(xué)生觀察能力和動手實踐能力的提高。

為了彌補(bǔ)這樣的缺憾，筆者在完成該堂課的教學(xué)任務(wù)后，借助便攜式溫度傳感器（如圖6），讓學(xué)生放學(xué)回家后自行設(shè)計實驗來驗證課堂上探究的晶體和非晶體的熔化特點。便攜式溫度傳感器，集成了數(shù)字顯示屏，具有良好的線性和靈敏度，而且體積小，便于使用，打破了傳統(tǒng)溫度測量的局限性，為實驗的開展提供了寬松的環(huán)境，讓學(xué)生可以更加順利的開展自主探究實驗，能夠在鞏固課堂知識的同時，也能夠讓學(xué)生的主體意識和創(chuàng)新意識在主動探究過程中得以發(fā)揮，提高實驗物理教學(xué)的質(zhì)量。

三、小結(jié)和反思

日常的實驗教學(xué)能為學(xué)生提供知識本源認(rèn)知的最優(yōu)化情境，運(yùn)用實驗展示物理現(xiàn)象和過程，不但可以使學(xué)生對物理現(xiàn)象及過程產(chǎn)生必要的感性認(rèn)識，還能提高學(xué)生的專注度，引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。然而在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，偶爾會存在實驗操作耗時耗力，現(xiàn)象不易觀察，數(shù)據(jù)處理繁瑣，測量誤差大，從而導(dǎo)致實驗效率低下，這樣不僅會影響學(xué)生對物理現(xiàn)象和規(guī)律的深人理解，還會影響教師的課程設(shè)計思路和教學(xué)過程。如在完成上述教學(xué)過程后，剩余的課堂教學(xué)時間已不足以支持再去完成凝固實驗。因此，很多老師就在教學(xué)設(shè)計的過程中把與凝固相關(guān)的知識放在次要的位置，也不會安排與熔化實驗對應(yīng)的凝固實驗，也就沒有了通過實際測量得出的與熔化圖像對稱的凝固圖像，全憑學(xué)生通過凝固是熔化的逆過程來推理。

本文教學(xué)演示實驗的改進(jìn)，是現(xiàn)代信息技術(shù)與傳統(tǒng)實驗整合的嘗試，通過DISLab系統(tǒng)來協(xié)助實驗教學(xué)，操作便捷、測量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，實驗過程中以投屏軟件放大實驗現(xiàn)象，便于學(xué)生觀察熔化過程中的物態(tài)變化，最后DISLab系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)還可以“數(shù)形結(jié)合”，以圖象的形式呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，讓學(xué)生能夠?qū)深惒煌奈镔|(zhì)熔化的溫度特性進(jìn)行比較分析，總結(jié)出物質(zhì)的熔化規(guī)律。

當(dāng)然，現(xiàn)代信息技術(shù)的引入，能夠讓課堂實驗高效率、智能化，能夠迅速得出物理規(guī)律，但也淡化了學(xué)生參與實驗的過程，缺失了傳統(tǒng)實驗中的操作體驗感，這些是在將現(xiàn)代信息技術(shù)與課堂實驗教學(xué)融合的過程中需要注意的地方，筆者在本節(jié)課后為學(xué)生設(shè)計的自主探究環(huán)節(jié)，便是為降低其負(fù)面影響所作出的嘗試，供大家參考。

（作者單位：浙江省杭州市杭州英特外國語學(xué)校）