基于信息技術的初中物理實驗可視化教學策略

摘 要：物理實驗教學能形象具體地再現物理概念、規律的形成和發展過程，為學生提供感性材料，強化學生的感知，使學生更清晰知識的來源、易于理解和應用，從而達到發展智力、培養能力的目的.但是，在教學中我們常常遇到很多物理實驗的“可視化”還不夠，嚴重影響了實驗教學的功效，解決這一現象的方法有很多.本文就此談談筆者在日常物理實驗教學實踐中，基于信息技術手段的一些解決辦法.

關鍵詞：可視化;物理實驗;信息技術

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）12-0055-03

物理實驗是指在人為控制條件下利用科學儀器、設備，使物理現象反復再現，從而有目的地進行觀測研究的一種方法.它的最直接作用是為學生提供豐富的感性材料，而有些物理實驗現象的視覺效果并不理想，學生很難從中獲得直觀的感受，借助多媒體信息技術手段，可以幫助我們有效地解決教學中遇到的這一困難.

1 繪聲繪影，創設物理實驗情境的可視化

“興趣是最好的老師”，信息技術多媒體具有聲、圖、像、文并茂的特點，有利于在物理實驗教學中創設一種學生喜聞樂見的情境，激發學生強烈的操作興趣和求知欲，使學生在一種積極主動的心理狀態下進入物理實驗學習.

例如，在“測量速度”實驗教學時，先播放與實驗相關的視頻“緩慢爬行的蝸牛”“獵豹追捕鹿”，與學生的生活建立共同經驗體驗，幫助學生形成并明確研究問題，將學生的注意力集中到研究的情景上來，激發學生進行實驗的需要和欲望，為實驗教學做好鋪墊.又如，在研究“機械能的相互轉化”實驗中，利用多媒體讓學生聽到水流聲，感受到氣勢磅礴的長江、黃河所產生的巨大能量帶動水輪機轉動而發電的情景，將大型水電站的運轉過程形象生動地呈現在學生面前，通過這樣的情境創設來激發學生實驗的興趣.

2 動靜結合，實現物理實驗過程的可視化

2.1 動畫模擬，實現可視化

對于在課堂上無法完成的實驗，如：宏觀實驗、微觀實驗、理想實驗、物理過程復雜的實驗、存在很大安全隱患的實驗等，我們可以通過動畫模擬突破時間與空間的束縛，進行逼真的演示，通過操作靈活縮小或放大物理場景，將物理過程生動展現于學生眼前，加強學生印象、易于理解.

2.1.1 變抽象為形象，理解實驗

對于一些比較抽象的宏觀、微觀或理想實驗，可以利用動畫模擬實現物理實驗過程的可視化.如，動畫模擬周游世界的小水滴、人造地球衛星的勻速圓周運動、地球同步通訊衛星等宏觀現象實驗;模擬電流的形成、硫酸銅溶液的擴散、固體的擴散、分子的無規則運動、裂變、聚變等微觀現象實驗;模擬牛頓第一定律、伽利略斜面實驗等理想實驗.

在有些物理實驗中，物理的本質學生是無法觀測到的，用信息技術動畫模擬可以解決這一問題.例如，光纖教學，教師在課堂演示時，學生只能看到光從一端進去，從另一端出來的表面現象.而利用動畫模擬直觀展示光在光纖中不斷反射前進，讓學生形成鮮明的表象，學生理解也就更容易、更深刻了.相同的實驗還有“電磁波傳播信息”等.

2.1.2 變動為靜，定格實驗過程

有些物理實驗在課堂上是不可能完成的，例如，內燃機的工作過程實驗教學，教師不可能把內燃機搬到教室中來，即便是可以，學生也無法觀測其內部工作過程.這時利用信息技術實現動畫模擬，逐一、有序地展示其四個沖程的工作過程，每個沖程的機器結構特點，特別是通過圖像的色彩變化、范圍變化，學生更容易理解其各個過程的工作原理.相同的實驗還有電動機、發電機的工作過程等.

2.1.3 變真為假，優化實驗探索過程

利用計算機的虛擬技術，構建仿真物理實驗室，創設出一個探索物理現象和規律的虛擬環境.學生在輕松的學習氛圍中操作模擬仿真的實驗，學習實驗方法、實驗技能，為動手實驗做好準備.學生在這個虛擬環境中，可以按照自己的想法去探索研究，學生通過自主探究達到發現和總結規律的目的.

例如，在學習電學時，學生可以利用仿真實驗室，按照自己設計的電路連接進行實驗，如果操作不規范，還會顯示燈炮燒壞、電表超量程、保險絲燒斷等現象.

2.2 實景重現，實現可視化

很多傳統的物理實驗中，由于實驗器材或實驗現象本身（如發生時間快、范圍小等等）限制，常常使得實驗效果的可視化受到影響.信息技術能為這些物理實驗的“可視化”提供物質平臺和技術保障.即只要將適當的傳感器通過接口技術與電腦連接起來，電腦就可以把正在發生的物理現象，特別是正在進行的物理實驗的真實情景，以連續動畫的方式記錄下來，所記錄的真實情景可以隨時在電腦的屏幕上顯示出來，從而實現實景重現.

2.2.1 變小為大，放大演示實驗

可以將局部區域放大，觀察分析局部微觀現象.例如，在“能量轉化的基本規律”一課中，在給學生演示水滴實驗的時候，由于水滴本身就比較小，無法照顧到各個位置的學生，這種情況就利用信息技術將實驗的過程呈現到大屏幕上，可以將實驗現象清晰地展現給每一個學生.在演示“磁體”周圍磁場及磁感線分布時也采用了實景重現、變小為大，放大演示實驗的方法.又如，電流表、電壓表、電能表、溫度計等測量工具的使用及讀數也可利用這一技術進行放大，不但有利于學生觀察、掌握它們的正確使用方法，還可以讓全體學生能夠進行準確讀數練習.

另外，掌握一些測量儀器的使用方法時，必須先了解其內部構造，可利用這一技術呈現并放大拆卸的過程.如了解測電筆的內部結構，了解電流表、電壓表的內部結構等等.

2.2.2 變快為慢，看清演示實驗

有些物理實驗現象，發生的時間較短，過程進行得很快，學生用肉眼無法觀測，我們可以利用實景重現進行慢鏡頭播放（當然，也可以快速播放，觀察物理過程的連續性），甚至定格，以便學生仔細地觀察和分析.例如，在研究“機械能相互轉化”的實驗中，利用這一技術使網球撞在球拍上時被壓扁后又恢復的過程及球拍運動過程與發生形變的過程，這種發生時間短、變化快速的過程均變為可視，且在碰撞過程中發生的微小變形也可以進行放大，便于學生仔細觀察和分析.其最大的優點是可以放大物理現象，放慢演示速度，在緩慢的演示過程中，讓學生清楚全面地把握物理的真實過程.又如，在演示“繩波實驗”時，利用傳感器和接口技術，電腦當堂記錄繩波演示實驗的真實情景，實驗完成后，把實驗過程在電腦屏幕上緩慢地顯示出來，師生一起進行仔細的觀察研究和分析，從而提高了研究的可信度.

2.2.3 變瞬間為長久，定格演示實驗

實驗過程中，有些實驗的瞬間很有研究價值，此時，我們可以利用技術將瞬間定格，從而實現細節分析.在“長度的測量”實驗中筆者定格了學生操作過程中的錯誤，并讓學生糾正自己和同伴間的錯誤.由于定格的是學生自己的操作情景，比書本上的圖片更有真實感.糾錯的過程也就是認知碰撞的過程，讓學生印象深刻.

有些時候，我們還會遇到一些課堂上操作起來很麻煩、耗時比較長，或者很難達到既定效果的實驗，如，在探究“杠桿平衡條件”的實驗中，對于改變拉力方向，再測量對應力臂這一環節，由于力臂不再落在杠桿上，學生分組實驗時很難測量，現場演示可視性又比較差，也很難準確測量，所以筆者就采用了這一實景重現技術并作聚焦定格處理，讓學生清晰準確地看到彈簧測力計示數的變化，實現實驗過程的可視化，這樣既可以更有效地解決課堂不方便解決的問題，還可以節省課堂時間，達到高效學習的目的.

3 圖文并茂，達到物理實驗結果的可視化

在初中物理實驗教學中，學生不管用表格法還是圖像法來處理實驗數據都會花費很多時間，一個課時是無法完成的.教師可采用信息技術，利用實時監控、實時測量、數據處理、圖像處理等手段對實驗數據進行快速處理，并對實驗結果進行分析，最終總結出物理量所遵循的規律.

例如，在“歐姆定律”的實驗教學中，先讓學生用常規儀器按照傳統方式分組實驗，在學生完成實驗操作并記錄實驗數據后，我們一起快速用多媒體進行數據處理，并自動生成了I-U和I-R圖像，總結出了正比、反比的關系，這種一氣呵成的方法，形象直觀且具有準確性，使學生對實驗有了清晰又完整的認識，從而提高了課堂教學的效率.

對于實驗的結果，我們還有很多方法使其可視化.如，在“直線運動”這一節課中，我們借助了Excel軟件，來幫助學生快速地將多組學生的實驗數據匯總到一張坐標圖中.可以更直觀地引導學生總結出勻速運動過程中，路程與時間的正比關系，最重要的是能快速整合多組數據，可以方便學生對比學習，而且這樣做不僅節省了手繪圖的時間，也實現了小組同學實驗結果共享的問題，使實驗結果更具有可信度.又如，在探究相互作用力的實驗時，為了讓學生認識到一對相互作用力的關系，我們借助力學傳感器來完成實驗，將這個力學信號，轉換成電信號，傳輸到電腦中去，學生通過屏幕上展現出來的兩個完全對稱的折線圖，可以更準確地認識相互作用力的關系.

當然，在實驗教學中提高實驗“可視化”的方法很多，并且隨著時代的發展將日新月異.例如，利用信息技術強大的交互性構建起來的網絡交互實驗室，必然成為教育發展的光輝前景.這就要求我們在教學實踐中，要始終樹立以生為本、與時俱進的理念，不斷學習、交流、探索，且行且學，我們一直在前行.

另外，我們必須始終明確，信息技術輔助物理實驗教學僅僅是對傳統實驗教學的一種補充和發展，學生動手實驗，親自經歷、體驗實驗的過程是任何技術手段都無法替代的，找準多媒體輔助教學手段與傳統實驗教學手段的最佳結合點，使之更好地輔助物理實驗教學，是物理教師研究的永恒課題.

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（收稿日期：2020-12-29）