巧用數字實驗，體會物理圖景之美
——例談數字實驗促進初中物理圖景教學

萬芷宏，何 曉*

（新疆師范大學物理與電子工程學院，新疆 烏魯木齊 830054）

中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發的《加快推進教育現代化實施方案（2018－2022年）》指出“大力推進教育信息化，促進信息技術與教育教學深度融合，支持學校充分利用信息技術開展人才培養模式和教學方法改革，逐步實現信息化教與學應用師生全覆蓋。[1]”基于Vernier實驗平臺的數字實驗就是將信息技術與物理教育教學的深度融合，發揮信息技術的優勢輔助物理教學的設計和實施，滿足學生有效利用實驗室資源的自主學習和個性化發展的需求，促進學生“學會知識構建、學會問題解決、學會身份構建、學會高階思維[2]”的深度學習。

1 物理圖景概念界定

對于圖景，郭喬、李婷認為“物理圖景是人腦中形成的對物理過程兼具形象思維與抽象思維的動態圖像，是學生解決物理問題時由感性認識到理性認識的橋梁，是幫助學生成功解題的關鍵環節。物理圖景一般包括圖式文本、知識框圖、示意圖、函數圖像等。[3]”在教學中，圖景對物理概念的構建、規律的理解和習題的解決都有不可忽視的作用，物理圖景形象直觀地進行表達，更好地將文字轉化為圖示有助于提高學生的數理思維能力，提升學生觀察力和想象力。

2 數字實驗的特點

數字實驗是基于計算機真實發生的實驗，相較于傳統實驗，數字實驗有很多優勢。（1）數字實驗精確性高；（2）數字實驗直觀性強[4]；（3）數字實驗能完成一些傳統實驗無法做或者做不好的實驗。這也是數字實驗在中國快速成長的重要原因之一，才促使數字實驗在上海乃至全國各個學科推廣使用開來。

3 例談數字實驗促進初中物理圖景教學

人教版義務教育物理教科書中容納了很多數字實驗的案例，例如八年級上冊《測量平均速度》拓展性實驗就展示了利用傳感器測量運動小車在不同位置時的速度；九年級《比熱容》一節展示利用傳感器比較不同物質的比熱容，除此以外，還有很多沒有容納的概念、規律、習題等可以使用數字實驗進行突破。

3.1 巧用數字實驗圖景突破“液體壓強大小的影響因素”

《液體的壓強》是人教版八年級下冊具有承上啟下作用的一節內容，這一節教材首先從生活經驗感受液體壓強的存在，再利用傳統實驗探究液體壓強的特點，最后利用邏輯推演液體壓強的大小計算公式，并進行練習，達到了解生活中和液體壓強有關的現象，如連通器、船閘等。

這種設計看似從定性走向定量，讓學生在體驗式的學習中能夠多層次、多感官的感受液體壓強，但在傳統實驗教學中，往往使用兩到三種液體進行對比得出“同一深度，液體密度越大，壓強越大”的結論，無法通過實驗現象明確液體壓強到底是怎樣隨液體密度變化的？是正比關系還是平方關系呢？

我們采用Vernier數字實驗平臺來取代教材中第34頁“探究液體內部的壓強”實驗，實驗器材有：計算機、數據采集器、氣體壓強傳感器、透明盛液桶、PVC管（約30厘米）。

使用Vernier數字實驗平臺“探究液體內部的壓強”影響因素實驗步驟：（1）將傳感器、數據采集器和計算機連接；（2）在PVC管的5厘米、10厘米、15厘米和20厘米處做好標記，將傳感器的探頭插進PVC管的一端；（3）打開logger3.15軟件界面，編輯好傳感器接收的壓強減去大氣壓強就等于此時的液體壓強；（4）透明盛液桶裝滿清水，將PVC管的一端插入同種液體5厘米、10厘米、15厘米和20厘米深度處，采集同種液體不同深度處的液體壓強，所得同種液體不同深度壓強數據及實時生成圖像如圖1（左）（P230）。（5）在透明盛液桶依次裝入酒精、清水、鹽水和醬油，將PVC管的一端插入相同深度，所得不同液體相同深度處壓強數據及實時生成圖像如圖1右。

圖1 液體壓強和深度關系圖（左），液體壓強和密度關系圖（右）

通過Vernier數字實驗平臺“探究液體內部的壓強”，利用實時的精確數據采集和圖景分析可直接得到“在同種液體內部，液體壓強和深度成正比”及“在同一深度，液體壓強和液體密度成正比”的結論，學生不僅明確液體壓強的影響因素深度和液體密度，同時還能由圖景進一步判斷深度和液體密度到底是怎樣影響液體壓強的，促進學生“學會讀圖、用圖，”這是對傳統實驗進一步的補充和完善。

3.2 巧用數字實驗繪制浮力經典題型的圖景

在學習人教版八年級下冊《浮力》一章時，我們總會遇到一道典型題目：

例1：在彈簧測力計下掛一圓柱體，將圓柱體從盛有水的燒杯上方離水面某一高度處緩緩下降，然后將其逐漸浸入水中（水=1.0×103kg/m3；g取10N/kg）。當圓柱體下降2cm時，彈簧測力計示數為2.76N，6cm時，0.11N，之后隨著圓柱體下降，彈簧測力計示數保持0.11N不變。

在實際教學中，圓柱體下降2至6厘米時，隨著圓柱體的下降，浸入水中的體積越來越大，所以彈簧測力計的示數越來越小，但很少有老師解釋“為什么彈簧測力計的示數和下降的高度是一條傾斜的直線段而不是曲線呢？如果是傾斜的直線段，斜率能不能計算呢？”

我們利用基于Vernier數字實驗平臺能實時采集彈簧測力計的示數F，生成彈簧測力計的示數F和圓柱體下降高度 的圖景，如圖2。

圖2 彈簧測力計示數與物體下降高度關系圖

針對圓柱體下降2至6厘米時，設物理重力為G，物體底面積為，液體密度為，彈簧測力計的示數F和下降的高度h（浸沒深度）的關系可以進一步從理論進行分析，因為和是常數，所以，彈簧測力計的示數F是浸沒深度 的一次函數，該線段斜率為。

生動直觀的數字實驗圖景能輔助學生從實驗和理論兩方面理解“二次稱重”計算浮力的方法，實驗現象明晰、易見。這就要求老師在備課中，要突破教材的“貯存狀態的知識”，厘清知識的內在邏輯，選擇合適的方法把“貯存狀態的知識”轉化為“傳輸狀態的知識”，為學生所理解和接受。

4 結語

利用好數字實驗的物理圖景，能幫助學生理解物理實驗過程、掌握物理規律、解決物理問題。本研究僅呈現了兩個實例供一線教師參考和使用，數字實驗的圖景在教學中怎么實施與評價還有待進一步討論和研究。