NB物理實驗在初中物理實驗教學中的應用*
——以“探究固體熔化時溫度的變化規(guī)律”為例

王婉嬌 李秀燕

(閩南師范大學物理與信息工程學院 福建 漳州 363000)

1 引言

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2011-2020年)》強調要推進教育信息化能力體系建設，推動信息技術與教育雙向融合創(chuàng)新[1].《義務教育物理課程標準》指出：義務教育物理課程是一門重視實驗的自然基礎課程[2],物理實驗教學是培養(yǎng)學生良好科學素養(yǎng)的重要途徑.隨著信息技術與教育教學的融合日漸加深，虛擬仿真實驗正逐步進入物理課堂.2020年春季受“新型冠狀病毒”疫情的影響，中小學遠程線上教學變成“新常態(tài)”，而開展物理課堂演示實驗的線上教學同樣離不開虛擬仿真實驗的介入.

目前，市場上常見的虛擬仿真實驗軟件有瑞典Algoryx Simulation AB公司于2009年推出的Algodoo趣味仿真實驗平臺；美國國家儀器有限公司推出的主要用于原理電路設計、電路功能測試的虛擬仿真軟件multisim；德國RWTHAACHEN大學設計研發(fā)的一款手機應用軟件Phyphox以及NOBOOK物理實驗等.

2 NOBOOK虛擬實驗平臺簡介

NOBOOK虛擬實驗平臺是北京樂步教育科技有限公司開發(fā)的一款虛擬實驗教學軟件.它包含NB物理實驗、NB化學實驗與NB生物實驗.NB物理實驗覆蓋了課程標準中要求的大多數(shù)初中、高中物理實驗.

NB物理實驗室支持電腦、平板等多終端平臺隨意轉換，且多終端設備一帳號通用；它擁有豐富的實驗儀器模板和實驗器件庫，實驗者可自由創(chuàng)建與組裝實驗，可以有效彌補學校缺少實驗設備、實驗室器材老化等問題，從而打破了時間、空間上的限制.在《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》的通知中明確指出[1]：要將信息技術真正地融合到教育領域，促進學科教學效果和學生學習效果的真正提高.NB物理實驗提供視頻講解功能，具備逼真的實驗畫面與聲效，能夠把學生在真實情景中無法觀察到的如電流、磁感線等實驗現(xiàn)象形象地展現(xiàn)出來；針對“自由落體運動實驗”這一類過程短暫的實驗，還可通過合理設置，實現(xiàn)小球下落過程的緩慢化，以方便學生的觀察與思考；此外，針對無法在常規(guī)實驗條件實現(xiàn)的實驗、過程費時的實驗或者是危險性高、不適合學生獨立操作的實驗等，借助NB物理實驗的虛擬仿真，可突破實驗條件的限制，排除各種干擾因素的影響，清晰快速地呈現(xiàn)出理想的實驗結果，從而提高課堂效率，增強實驗教學效果和學生的學習效果.

3 NOBOOK應用于“探究固體熔化時溫度的變化規(guī)律”的案例分析

“探究固體熔化時溫度的變化規(guī)律”實驗是人教版八年級物理上冊第三章第2節(jié)的內容，課標要求：經(jīng)歷物態(tài)變化的實驗探究過程，知道物質的熔點、凝固點和沸點，了解物態(tài)變化過程中的吸熱和放熱現(xiàn)象[2].

“海波熔化實驗”是用于演示晶體在熔化時溫度保持不變的典型實驗，但是，該實驗的溫度難以控制、對海波純度要求高、海波自身化學性質不穩(wěn)定、對溫度計的靈敏度要求高、測溫位置和最佳測溫區(qū)的選擇要求嚴格，而且實驗過程緩慢費時，這些因素都使其成為一個難以控制的演示實驗.目前已有很多學者對此物理實驗進行了改裝[3～5]，甚至利用傳感器技術進行改進[6]，但仍未從根本上解決實驗現(xiàn)象不理想、費時等弊端.在線下課堂講解實驗時，亦或是進行線上教學，師生離開實驗室實驗儀器的支撐時，可借助NB物理實驗平臺讓學生在虛擬實驗中體驗實驗過程，觀察實現(xiàn)現(xiàn)象，總結實驗結論.

下面就如何利用NB物理實驗平臺，進行“探究晶體非晶體熔化實驗”虛擬實驗教學過程作詳細介紹.

第一步，添加實驗模板.在NB物理實驗的熱學實驗中搜索“觀察晶體非晶體熔化實驗”，插入該實驗模板，實驗裝置如圖1所示.而為了記錄海波與石蠟在熔化過程中溫度隨時間的變化情況，提醒學生添加“秒表”作為計時工具，插入記錄數(shù)據(jù)的表格.

圖1 晶體與非晶體熔化實驗裝置

第二步，介紹實驗裝置，重點提醒左側試管中的固體是石蠟，右側試管中的固體是海波.設置好溫度計量程的實驗參數(shù)，引導學生閱讀實驗操作頁面右上方實驗目的、原理、器材、步驟等，讓學生對該實驗有一個整體的認識.該軟件一大優(yōu)勢是自帶“探究固體熔化時溫度變化規(guī)律”的講解視頻，通過觀看視頻可提高預習效率.另一優(yōu)勢是具備逼真的實驗畫面與聲效，例如水溫達到100 ℃時會發(fā)出沸騰聲及時提醒學生.

第三步，介紹水浴法的原理與目的，預熱海波和石蠟.

第四步，記錄實驗數(shù)據(jù).提前告知學生海波的熔點約為48 ℃.提醒學生待海波溫度達到40 ℃左右要開始記錄數(shù)據(jù)，并將裝有海波與石蠟的試管與溫度計進行局部放大處理，方便讀數(shù).記錄海波與石蠟的初始溫度后，點擊秒表開始計時，熔化前每隔10 s記錄一次海波與石蠟的溫度計示數(shù)；由于熔化時間較短，熔化時每隔2 s記錄一次數(shù)據(jù)，直至海波與石蠟完全熔化，之后再每隔10 s記錄一次數(shù)據(jù)，具體的數(shù)據(jù)如圖2所示.期間，可穿插指導學生如何正確使用溫度計和酒精燈.

時間t/s石蠟溫度T/℃海波溫度T/℃040401041412042423043434044445045456046467047478048488248.2488448.448時間t/s石蠟溫度T/℃海波溫度T/℃8648.6488848.8489049499549.549.51005050110515112052521305353140545415055551605656

(a)數(shù)據(jù)記錄表

(b)數(shù)據(jù)變化曲線圖

第五步，處理實驗數(shù)據(jù)，分析實驗結果.以橫軸代表時間，縱軸代表溫度，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)生成如圖2所示溫度隨時間的變化曲線.虛擬軟件所得的實驗曲線相對理想化，因此，通過實驗曲線呈現(xiàn)的規(guī)律，學生可直觀獲得晶體與非晶體的熔化特點.如海波的溫度變化曲線顯示：當海波從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的熔化過程中，溫度保持48 ℃不變；而石蠟從50 ℃開始熔化，溫度卻持續(xù)升高；待海波與石蠟完全熔化后，兩者均持續(xù)吸熱，溫度繼續(xù)升高.學生經(jīng)歷了虛擬實驗對海波與石蠟的熔化過程的仿真體驗，理解了有固定熔化溫度的物質叫晶體；沒有固定熔化溫度的物質叫非晶體這一概念.也對熔點的概念以及熔化過程和熔化吸熱的特性有明確的感性認識，大大提升了教學效果.

第六步，創(chuàng)新實驗裝置，提高實驗觀測效果.通過以上的操作，學生體會到普通溫度計示數(shù)的靈敏性，會影響海波與石蠟的熔化過程的觀察.此時，教師可鼓勵學生探索可否利用NB實驗模板，重新設計實驗，克服原有裝置溫度計的不足.通過教師的指導與學生的探索，學生將實驗裝置中的“水銀溫度計”改為“溫度傳感器”，組成如圖3所示的實驗裝置.以此裝置重復以上實驗操作時，學生發(fā)現(xiàn)溫度傳感器的電子顯示屏可實時呈現(xiàn)兩種材質加熱過程中的溫度變化，清晰地呈現(xiàn)出海波熔化過程中溫度保持在48 ℃，而石蠟在熔化的過程中溫度不斷升高的實驗現(xiàn)象.可見，借助這一平臺，引導學生進行合理的科學探究，有助于學生從理解與應用的低階思維過渡到分析、創(chuàng)新的高階思維，提升學生的學科核心素養(yǎng).

圖3 晶體與非晶體熔化實驗裝置

本實驗通過虛擬仿真實驗平臺進行實驗，存在諸多益處.首先，NB物理實驗將實驗環(huán)境理想化，可有效規(guī)避海波與空氣中的O2，CO2，H2O等發(fā)生化學反應的可能，杜絕因海波純度或受熱不均勻或過冷等因素而影響實驗結果.忽略了這些次要因素，更能突顯實驗探究的主要問題.其次，在NB物理實驗平臺中，可通過設置實驗參數(shù)控制水溫及質量；可對溫度計示數(shù)、海波與石蠟進行局部放大，也能對整個實驗裝置進行縮小與放大，方便學生觀察固體熔化過程.再者，仿真實驗最大限度地呈現(xiàn)了實驗的過程，能根據(jù)不同的參數(shù)給出不同的實驗結果，準確反映晶體與非晶體的熔化過程特點，給出理想的實驗結果，有助于學生根據(jù)實驗現(xiàn)象總結物理規(guī)律.此外，運用NB物理實驗操作簡單，無實驗裝置成本，不論是正確還是錯誤的操作，教師都可重復演示，有助于加深學生對實驗現(xiàn)象的理解.而且實驗累計用時約5 min，縮短了實驗時間，很好地解決傳統(tǒng)實驗方案存在的實驗耗時長的問題，不論是教師講解實驗，還是學生操作實驗，都大大提高了課堂效率.

4 結束語

本文以NB虛擬實驗在探究晶體與非晶體熔化實驗教學中的應用為案例，引導學生創(chuàng)設不同的實驗方案，探究海波與石蠟的熔化特性.模擬利用普通溫度計與溫度傳感器兩種方案觀察石蠟與海波熔化時的溫度變化特點.該方案克服了傳統(tǒng)實驗的不足，極大提高了課堂效率和實驗的教學效果，既能為線上教學提供參考方案，又將信息技術有效融合到日常教學之中，還可以引導學生進行科學探索，提升學生的學科核心素養(yǎng).