運用數字化技術優化初中物理實驗教學①

黃興國 陳美琴

(1.江蘇省泰興市實驗初中教育集團,江蘇 泰州 225400;2.江蘇省南京市第二十九中學柳洲東路分校,江蘇 南京 210031)

《基礎教育課程改革綱要(試行)》要求:大力推進信息技術在教學過程中的普遍應用,促進信息技術與學科課程的整合,逐步實現教學內容的呈現方式、學生的學習方式、教師的教學方式和師生互動方式的變革,充分發揮信息技術的優勢,為學生的學習和發展提供豐富多彩的教育環境和有力的學習工具。數字化信息系統(Digital Information System,簡稱DIS)能夠實時記錄實驗的過程,并且能把轉瞬即逝的實驗數據高效、直觀地記錄下來,以前不能做或做不好的一些實驗都可以開展了。[1]

1 數字化信息系統簡介

數字化信息系統由傳感器、數據采集器、計算機和數據處理軟件組成,它可實時采集、處理實驗數據,實驗結果以數字、圖像等形式顯示在屏幕上。傳感器對于初學者來說比較陌生,使用時也有許多困難,教師要以學生的生活經驗為起點,聯系生活實際設計具有實踐意義的研究性課題,激發他們探究的興趣。

數字化實驗是指使用數字化技術替代傳統的實驗數據采集和分析處理,從而形成新型的實驗模式。在初中物理教學中引入DIS,對學生學習物理有非常大的幫助作用,DIS非常適合具有理論性、科學性、實踐性的教學內容。[2]DIS通過傳感器、數據采集器把非電信號轉換成數字信號,再通過計算機處理,以數字、圖像等形式顯示出來(圖1)。

圖1

DIS解決了初中物理實驗中精確采集數據的難題,同時輔以相對完善的軟件系統,可以開展利用傳統實驗器材想做而又做不到的實驗。例如,利用兩個聲傳感器可以在實驗室里測出聲速,利用位移傳感器、光電門可以完整地呈現出小車做勻速直線運動的s-t和v-t圖像,利用電流傳感器和電壓傳感器可以描繪定值電阻和小燈泡的伏安特性曲線。DIS的運用為學生開啟了一扇窗,使他們也感受到科技進步所帶來的便利。

2 DIS的教學功能

2.1 實驗過程“可視化”,有利于學生理解物理規律

DIS應用于物理實驗的顯著特點是可運用圖像法分析、處理數據。DIS可以捕捉瞬間變化的數據,如探究作用力與反作用力時,兩人用力傳感器相互對拉,當甲把乙拉向自己一邊時,我們常說“甲的力氣大”,那么是否意味著甲拉乙的力大于乙拉甲的力呢?用DIS可以同時顯示兩個力隨時間變化的圖像,學生可以直觀地發現兩者之間的關系(圖2)。

圖2

2.2 DIS數據處理能力強大,利于學生分析物理過程

DIS能夠在短時間內采集和處理大量的數據,利用圖像來呈現物理量的變化過程,例如在探究冰和燭蠟的熔化的規律時,利用溫度傳感器代替溫度計進行測量,讓學生在定性與定量的分析相結合的基礎上來認識物理規律,可以達成的效果如下:(1) 實時的、直觀的圖像呈現了物體熔化時溫度隨時間變化的現象,晶體熔化與凝固的溫度—時間圖像如圖3所示,燭蠟的熔化的溫度—時間圖像如圖4所示;(2) 由于這節課的重點并不在于培養學生讀數和描點作圖的能力,使用DIS后可以省去上述環節,縮短實驗時間,使學生專注于探尋規律,著重觀察、總結晶體和非晶體在熔化過程中溫度變化的特點。

圖3

圖4

2.3 DIS測量精度高,可以測量微小量

DIS實驗與傳統實驗相比優勢明顯,傳統實驗器材測量精度有限,讀數誤差也相對較大。DIS配備了多種傳感器,所測實驗數值可直接顯示在電腦屏幕上,而且精度更高。如在“探究感應電流產生的條件”實驗中,產生的感應電流較小,用電流計演示時學生不易觀察,我們可以用微電流傳感器顯示出微弱電流的變化(圖5、圖6),學生能深刻理解實驗過程,得出實驗結論。

圖5

圖6

2.4 利用DIS可以節約課堂時間,給學生的自主探究提供充足的時間

傳統實驗探究的數據采集與處理占去了大量時間,沒有足夠的時間讓學生充分自由表達、質疑和提問。而DIS實驗由傳感器和數據采集器代替人讀取數據,用計算機軟件取代手工方式記錄數據,用計算機代替人腦對數據進行處理和分析,使學生擺脫繁瑣的計算過程,按照學生探究的要求,將相關圖像直接顯示出來,從而讓學生能夠將更多的時間、精力用于設計實驗、提出和驗證猜想,有利于探究教學的實施。

3 DIS實驗的教學功能

3.1 加強學生的交流與合作

傳統的分組實驗容易出現“做的做、看的看”的現象,限于時間、空間、器材、觀察角度等條件,很難讓每個學生都能動手體驗。將DIS引入初中物理實驗教學中,在實驗中學生可以明確分工、各司其職、完成實驗,還可以交換角色,有機會實現沉浸式體驗。交流合作能夠真正地落到實處,比如,在注射器內封閉一部分氣體,將壓強傳感器連接到注射器上(圖7),同組學生明確分工,向外推或向內拉注射器的活塞,觀察壓強隨時間變化的圖像,可促進學生理解推注射器活塞的過程類似于汽油機的壓縮沖程,松開活塞后的過程類似于汽油機的做功沖程,這樣就能方便地得出結論:汽油機壓縮沖程氣缸內氣體壓強增大,做功沖程氣缸內氣體壓強減小。這樣的合作過程提高了學生交流和合作的能力。

圖7

3.2 提高學生數形結合解決實際問題的能力

DIS應用于初中物理實驗可以拓展學生的思維,為學生提供創造性設計物理實驗的機會,培養學生的創造性思維,使學生體會到實驗設計和實驗創新的重要性。

蘇教版初中物理教科書中 安排了“探究浮力產生的原因”的實驗,常規的實驗器材無法直接測出物體上下表面的壓力差,只能通過數學推導得出結論,實驗探究浮于表面。我們可以引導學生利用DIS進行創新設計:將兩個壓強計改裝后背對背粘在一起(圖8),再分別將兩個壓強計的橡皮管接入兩只壓強傳感器,將實驗裝置浸入水中,上下移動,在電腦屏幕上就會有成對的圖像出現(圖9),學生根據圖像很快就可以找到浮力產生的原因。這樣的實驗創新既可以提升學生的實驗探究能力,又能夠提供大量的、實時的、直觀的、動態的證據信息。

圖8

圖9

自制實驗探究器材,可培養學生的動手能力,使學生主動參與整個實驗的設計過程,體會實驗成功的成就感,從而激發學生創新實驗的內在動機。因此,運用數字化技術進行實驗探究,不僅是實驗教學手段的一種創新,更是教學理念的變革。

4 結語

許多初中物理實驗由于受到條件的限制,有時候并不能直觀地展現實驗的整體面貌,特別是一些瞬間即逝的物理現象與過程,既難以觀察,也難以捕捉。而利用數字化實驗技術就可以實時記錄數據,實驗結果能夠以多種方式直觀地呈現出來,為改進教學打開了新窗口,提供了新思路,教師應該充分發揮數字化實驗技術的優勢,揚長補短,努力提升初中物理實驗教學的質量。