數(shù)字化探究實驗在初中物理教學(xué)中的優(yōu)勢及應(yīng)用

張繼紅

（沈陽市第一二六中學(xué)）

《義務(wù)教育物理課程標準（2022年版）》指出，物理學(xué)由實驗和理論兩部分組成。物理實驗是人類認識世界的一種重要活動，是進行科學(xué)研究的基礎(chǔ)。學(xué)生經(jīng)歷過基本的科學(xué)探究過程，會受到科學(xué)精神的熏陶，提高科學(xué)素養(yǎng)，促進全面發(fā)展。

數(shù)字化探究實驗在國外較為普及，美國、日本、德國、英國、新加坡等國家的中學(xué)物理類教材中已頻繁出現(xiàn)應(yīng)用案例，成為學(xué)生科學(xué)探究的重要平臺。數(shù)字化探究實驗是指采用數(shù)據(jù)采集器、電腦等多個終端設(shè)備、傳感器及各種配套輔助器材來完成物理教材中的實驗。數(shù)字化探究實驗是對傳統(tǒng)實驗的有益補充，在傳統(tǒng)實驗中存在一些只能定性無法定量的實驗以及對一些微小或瞬間數(shù)據(jù)的測量不夠準確等問題，數(shù)字化實驗?zāi)転榻鉀Q這些問題發(fā)揮出重要作用。

一、數(shù)字化探究實驗的主要應(yīng)用器材

（一）數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器是傳感器與計算機的接口。它的作用是把實驗中各種傳感器輸出的電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并輸入到計算機中。采集器與計算機之間通過USB接口相連，具有優(yōu)異的兼容性、穩(wěn)定性和操作上的靈活性。

（二）實驗箱

將物理教學(xué)相關(guān)儀器、部件、配件、文字資料等，經(jīng)過科學(xué)設(shè)計集成至一個箱體中，這樣的實驗設(shè)備稱為實驗箱，其便于攜帶、保管，用于課堂教學(xué)、實驗培訓(xùn)等。

（三）傳感器

傳感器的作用是把實驗中測量的各種非電信號（如力、位移、光強、PH值、電流等）轉(zhuǎn)換成標準的電信號，并把這些電信號傳遞給采集器。

（四）數(shù)字化探究實驗專用軟件

數(shù)字化探究實驗軟件主要用于傳感器數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)表現(xiàn)與數(shù)據(jù)分析。軟件在數(shù)據(jù)表現(xiàn)上，提供了數(shù)據(jù)表格、數(shù)據(jù)曲線等表現(xiàn)形式，其操作簡單，使用方便。

二、數(shù)字化探究實驗在教學(xué)中的優(yōu)勢

（一）數(shù)字化探究實驗具有顯性的教學(xué)功能

首先，數(shù)字化探究實驗有利于全面推進實驗教學(xué)現(xiàn)代化。數(shù)字化探究實驗使數(shù)據(jù)實時采集、實時傳輸、實時記錄、實時繪圖、實時分析、實時分享等人類科學(xué)實驗的夢想成為現(xiàn)實，使“科學(xué)家的實驗室”走進普通的物理教學(xué)課堂。此外，教學(xué)實驗?zāi)０濉嶒灲Y(jié)果以及實驗報告的電子化，使得教學(xué)評價和教學(xué)指導(dǎo)模式更加現(xiàn)代化，從而可以進一步促進和優(yōu)化教學(xué)效果。

其次，數(shù)字化探究實驗有利于彌補傳統(tǒng)實驗的不足。以往傳統(tǒng)實驗中一些效果不好的、沒有辦法定量的、沒有辦法顯示的、沒有辦法分析的實驗，通過數(shù)字化探究實驗來做，往往能夠以可視的、可量的實驗效果展現(xiàn)在學(xué)生面前，使物理實驗教學(xué)效率大大提升，這對于教師演示實驗和學(xué)生分組實驗都是大有裨益的。

最后，數(shù)字化探究實驗有利于加深學(xué)生對實驗現(xiàn)象和原理的理解。由于數(shù)字化實驗的結(jié)果非常直觀、精確，學(xué)生對許多實驗現(xiàn)象的直接觀察和定量記錄得以實現(xiàn)，對實驗結(jié)果的認可度和把握性大大提高，能夠從傳統(tǒng)的“死記硬背”“照方抓藥”式的機械性學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸饬x的理解性、探究性學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)效率和效果也將隨之提高。

（二）數(shù)字化探究實驗具有物理學(xué)科素養(yǎng)的培育價值

首先，數(shù)字化探究實驗有助于培養(yǎng)學(xué)生的定量思維習(xí)慣。“定性—半定量—定量”是科學(xué)實驗的基本途徑，也是實驗研究逐步深入的必然過程。部分傳統(tǒng)實驗中，定量實驗手段的缺失制約了學(xué)生實驗方法的創(chuàng)新，也制約了學(xué)生的定量思維發(fā)展。而采集高頻化、記錄自動化、數(shù)據(jù)精確化、分析智能化、存儲便捷化的數(shù)字化實驗則可以彌補此類缺失，使學(xué)生養(yǎng)成定量思維的習(xí)慣。

其次，數(shù)字化探究實驗有助于培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維、創(chuàng)造性思維。“工欲善其事，必先利其器”，教育推動科技發(fā)展，但科技成果需要及時反哺教育，否則教育會越來越落后于科技發(fā)展。數(shù)字化探究實驗通過新的科技手段，使傳統(tǒng)的實驗教學(xué)效果得到了質(zhì)的提升，拓展了學(xué)生發(fā)散性思維、創(chuàng)造性思維的寬度和深度，能夠使學(xué)生的發(fā)散性思維、創(chuàng)造性思維得到開發(fā)和培養(yǎng)。

再次，數(shù)字化探究實驗有助于培養(yǎng)學(xué)生的綜合探究能力。面臨問題困境—提出科學(xué)假設(shè)—設(shè)計驗證步驟—實施探究過程—重新假設(shè)—校正步驟—重新探究直到解決問題，這是科學(xué)探究的基本模式，而探究教學(xué)的過程就是教會學(xué)生模擬科學(xué)家發(fā)現(xiàn)真理的過程。由于科學(xué)探究過程的難點在于實證，數(shù)字化實驗系統(tǒng)為廣大師生提供了實證的機會和手段。數(shù)字化探究實驗還為學(xué)生發(fā)展現(xiàn)代科技素養(yǎng)提供了契機，學(xué)生可以運用各類傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦以及必要的實驗配件等硬件，通過開放性的軟件進行各類實驗操作，提高實驗的綜合性和現(xiàn)代化水平。

最后，數(shù)字化探究實驗有助于培養(yǎng)學(xué)生合作學(xué)習(xí)的習(xí)慣。合作是現(xiàn)代人必備的基本素質(zhì)之一，學(xué)生的合作意識在數(shù)字化實驗中會不斷強化。由于數(shù)字化實驗過程需要用到傳感器、數(shù)據(jù)采集器和電腦，而硬件及軟件的操作往往一個人難以實現(xiàn)，需要2人一組或者多人合作才能圓滿完成，這可讓學(xué)生體驗到合作的重要性和樂趣。

三、數(shù)字化探究實驗在教學(xué)中的應(yīng)用案例

（一）數(shù)字化探究實驗在“聲音的特性”中的應(yīng)用

“聲音的特性”是人教版物理實驗教材八年級上冊第一章第三節(jié)的教學(xué)內(nèi)容。本節(jié)課的教學(xué)重點是在學(xué)習(xí)了聲音的產(chǎn)生與傳播的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生進一步理解聲音、了解聲音現(xiàn)象的豐富多彩。本節(jié)課是研究聲音現(xiàn)象非常重要的一部分內(nèi)容，學(xué)生對音調(diào)、響度、音色等概念容易混淆，所以可用聲音傳感器采集聲音，讓學(xué)生通過聽、看、想、做等活動，來感知聲音的特性，完成教學(xué)目標。主動性、獨立性、體驗性、問題性是現(xiàn)代學(xué)習(xí)方式的重要特征，基于此，結(jié)合教材要求和學(xué)生特點，本節(jié)課在探究音調(diào)、響度的影響因素時，可采用教師指導(dǎo)下的探究性教學(xué)方法。在教學(xué)中，教師應(yīng)創(chuàng)設(shè)合適的情境，激發(fā)學(xué)生的問題意識，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗，協(xié)助學(xué)生歸納、理解，使剛剛接觸物理的學(xué)生既能發(fā)揮自主性又能避免盲目性。在學(xué)生對概念進行理解和辨析時，教師可采用實驗和多媒體相結(jié)合的教學(xué)方式。教學(xué)中，教師可通過創(chuàng)設(shè)情境、演示探究，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會使用傳感器，掌握多種信息技術(shù)，使抽象的聲音教學(xué)變得生動。為了完成本節(jié)課的聲音采集，我主要應(yīng)用了以下教學(xué)資源：聲音傳感器、不同頻率的音叉、小錘、架子鼓、小提琴、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)分析軟件等。在多媒體資源的使用方面，則以Powerpoint軟件、Realplay播放器、虛擬示波器軟件、視頻文件、音頻文件等進行配合。

【實驗過程】

首先，教師用情境導(dǎo)入法引出聲音的概念——播放五種不同的聲音，引起學(xué)生聽覺上的沖突，讓學(xué)生直觀地感受噪聲與樂音的區(qū)別，以方便學(xué)生理解樂音的定義。在此基礎(chǔ)上，教師提出樂音和噪聲的區(qū)別，從而引出這節(jié)課的主題——樂音的特征。為了讓學(xué)生對音調(diào)的概念有更清晰的認識，教師找出兩名女同學(xué)唱歌，一個是女低音，一個是女高音，讓學(xué)生聽一聽這兩個聲音的區(qū)別。學(xué)生發(fā)現(xiàn)，聽覺上的區(qū)別無法用具體的東西來表征，因此還需要用實驗來驗證。于是，教師引導(dǎo)學(xué)生連接數(shù)據(jù)采集器和聲音傳感器，打開數(shù)據(jù)采集軟件，用大小相同的力敲擊不同頻率的音叉，從而采集到的不同頻率的聲音數(shù)據(jù)。學(xué)生根據(jù)實時采集到的數(shù)據(jù)，分析實驗結(jié)論，得出音調(diào)與頻率的關(guān)系圖像，并根據(jù)波形圖分析得出疏密程度不同的波形圖。（如圖1）

圖1

通過波形圖，教師可引導(dǎo)學(xué)生探究聲音的響度與振幅的關(guān)系：波形越密—振動越快—頻率越高—音調(diào)越高；波形越稀—振動越慢—頻率越低—音調(diào)越低。

為了讓學(xué)生感受到聲音是有大小的，教師可用情境導(dǎo)入法，引導(dǎo)學(xué)生用大小不同的力敲擊，通過波形圖，使學(xué)生得出響度的定義。（如圖2）

圖2

響度的定義：重敲架子鼓—聲音大—響度大；輕敲架子鼓—聲音小—響度小。

其次，教師引導(dǎo)學(xué)生連接聲音傳感器和數(shù)據(jù)采集器，采集同一個頻率音叉的聲音（同一個音叉，敲擊力的大小不同）。學(xué)生根據(jù)產(chǎn)生的波形，分析實驗的波形圖，得出結(jié)論：聲音越大—振幅越大—響度越大；聲音越小—振幅越小—響度越小。

最后，教師引導(dǎo)學(xué)生探究音色的形成過程：用聲音播放器模擬鋼琴聲、葫蘆絲聲、吉他聲，用聲音傳感器去采集，從而形成不同的波形，根據(jù)波形圖分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論：不同的發(fā)聲體發(fā)出聲音的波形不同，音色不同，所以音色取決于發(fā)聲體本身。

（二）數(shù)字化探究實驗在“水沸騰時的溫度變化規(guī)律”中的應(yīng)用

“探究水沸騰時的溫度變化規(guī)律”是人教版初中物理教材八年級上冊第三章第三節(jié)的熱學(xué)重點實驗，實驗?zāi)康氖亲寣W(xué)生通過實驗，知道水的沸點，讓學(xué)生經(jīng)歷用圖像法探究物理量變化規(guī)律的過程，理解液體沸騰的條件和特點，學(xué)會觀察，在實驗中培養(yǎng)實事求是的科學(xué)態(tài)度。在探究“水沸騰時的溫度變化規(guī)律”的數(shù)字化探究實驗中，需要用到如下器材：電腦（顯示屏）、數(shù)字化探究軟件、溫度傳感器、電加熱器、鐵架臺、燒杯、水。

【實驗過程】

首先，連接好數(shù)字化探究軟件、溫度傳感器，連接好電加熱器和電源。

其次，用量杯量取適量的熱水，放在電加熱器上進行加熱。

再次，溫度傳感器探頭放入水中，注意不要碰到容器底和容器側(cè)壁。

最后，點擊開始鍵，采集數(shù)據(jù)。注意給水加熱的過程中觀察水沸騰前和沸騰后的氣泡大小變化。

學(xué)生根據(jù)實時采集的數(shù)據(jù)可以形成圖像分析和實驗結(jié)果分析：沸騰前水吸熱，溫度升高，在燒杯底部產(chǎn)生許多氣泡，氣泡在上升的過程中逐漸變小。水沸騰時水繼續(xù)吸熱，但是溫度不變，氣泡在上升的過程中逐漸變大）。液體沸騰的條件，達到一定的溫度，繼續(xù)吸熱。

該數(shù)字化探究實驗比起傳統(tǒng)實驗，主要有以下改進：實驗數(shù)據(jù)實時采集、實時傳輸、實時記錄、實時繪圖、實時分析、實時分享；教學(xué)實驗?zāi)０濉嶒灲Y(jié)果以及實驗報告電子化、信息化；用電加熱器代替酒精燈，提高了熱效率，縮短了實驗時間，加快了物理過程的變化，得出了更科學(xué)的實驗結(jié)論。

（三）數(shù)字化探究實驗在探究“伏安法測電阻”中的應(yīng)用

“伏安法測電阻”是人教版初中九年級物理教材“部分電學(xué)”“歐姆定律”一章中的重點電學(xué)實驗，傳統(tǒng)實驗用電流表電壓表做這個實驗時，只能采集幾組數(shù)據(jù)，然后進行描點、連線形成圖像，得出規(guī)律。由于數(shù)據(jù)的讀取是非連貫的，學(xué)生只能讀取幾組，實驗誤差較大。采用數(shù)字化實驗完成探究過程則可以有效解決這些問題。數(shù)字化實驗的原理是通過I=U/R得出R=U/I。

為了高精度完成此次實驗，我使用了如下器材：計算機、數(shù)字化系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)采集器、電壓傳感器、電流傳感器、滑動變阻器、待測電阻、導(dǎo)線。電壓傳感器、電流傳感器與傳統(tǒng)的電壓表、電流表一樣使用，用紅色鱷魚夾接正極，用黑色鱷魚夾接負極，與電學(xué)實驗板上的紅色接線柱、黑色接線柱相對應(yīng)。傳感器使用前，先調(diào)零，在使用過程中，應(yīng)注意電壓和電流不要超過傳感器的量程。

【實驗過程】

首先，連接計算機、數(shù)據(jù)采集器及電壓傳感器、電流傳感器。如圖3所示，將電流傳感器、待測電阻、滑動變阻器、學(xué)生電源、開關(guān)組合成串聯(lián)電路（斷開），將電壓傳感器并聯(lián)在待測電阻的兩端。

圖3

其次，打開軟件系統(tǒng)中的自動識別傳感器，選擇菜單欄中的“實驗配置—采集參數(shù)—手動記錄”，然后點擊“確定”。點擊菜單欄“實驗控制”，選擇“調(diào)零”，選中電流、電壓傳感器，然后點擊“確定”。右擊數(shù)據(jù)列表，選擇“增加數(shù)據(jù)列”，在“名稱”中輸入R，在“單位”中輸入Ω，在分類中選擇“計算項”，并輸入表達式U/I。

打開學(xué)生電源，閉合電路，點擊“開始”，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，點擊“記點”。

最后，調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后點擊“記點”，采集到多組數(shù)據(jù)。（如表1）。

表1滑動變阻器阻值數(shù)據(jù)

實驗結(jié)果顯示，數(shù)字化探究實驗的實驗數(shù)據(jù)精確度較傳統(tǒng)實驗有大幅提高，數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定，能夠把獲得的實驗數(shù)據(jù)快速生成圖形、表格及實驗報告，方便完成多組數(shù)據(jù)在同一圖形界面進行對比分析。此外，數(shù)字化探究實驗對于學(xué)習(xí)的主體——學(xué)生來說，能同時觀察測量過程與繪圖分析過程的同步，實現(xiàn)了強大的數(shù)據(jù)處理功能，大大提高了實驗效率。