基于數字化技術的初中物理實驗教學研究

王雙虎

（甘肅省甘谷縣六峰鎮總門九年制學校，甘肅 甘谷 741200）

過去，初中物理教師在開展實驗教學的時候，多以物質化的實驗教學為主，帶領學生在真實的實驗室或者課堂中完成可以用手觸摸、用眼觀察等比較直觀具體的實驗項目。對于一些虛擬的實驗教學項目則是一帶而過，使得學生無法借助實驗去理解抽象的物理知識，也無法實現學科核心素養的有效培養。數字化技術被廣泛應用到物理學科中，讓虛擬的、無法直接感觸的實驗教學變成可能。

一、數字化技術的概述

數字化技術是將各種形式的信息，如聲音、圖像、溫度等，轉化為電信號，并利用計算機軟件將這些信號呈現出來的過程。數字化技術的組成包括傳感器、計算機、軟件、數據采集設備等，主要工作過程是用傳感器將非電學信號轉化為電學信號，然后借助數據采集設備將電學信號采集起來并傳輸到計算機設備上，最后利用計算機及軟件對采集的數據進行加工處理，并通過多媒體展示出來。數字化技術具有鮮明的特點：一是直觀性，可以將虛擬、微小的過程或者現象，在經過數字化處理之后直觀地呈現出來；二是高效性，數字化技術有著較強的數據收集和讀取能力，可以對獲取的各種數據進行“秒處理”，尤其是一些功能強大的傳感器，可以實現數據計算與結果展示的同步；三是精準性，在數字化技術中應用了非常多的算法、軟件，還要將各種非電信號轉變成電信號來處理，目的都是提高數據測量、計算的精準度，保證實驗教學結果的真實性。

二、數字化技術應用到初中物理實驗教學中的優勢

通過分析不難發現，數字化技術的特點與初中物理實驗教學要求高度一致。初中物理實驗本身就講究直觀性、高效性和精準性，這也是實驗的根本特征，這就充分保證了信息技術能夠高效應用到物理實驗課程中，同時可以讓學生的圖像處理能力、數據分析能力、合成能力、科學思維、科學態度、實驗能力和探究能力等得到充分的發展。

（一）有助于激發學生參與實驗教學的熱情

在傳統的初中物理實驗教學中，教師往往是實驗活動的“主角”，控制著實驗的進程，學生只能按照教師設定好的實驗步驟去完成。而且神奇的物理現象無法在物質實驗條件中得到很好的展示，這種實驗過程無法讓學生感受到樂趣，從而缺少參與實驗教學的熱情。而基于數字化技術的實驗教學，滿足了學生對神奇科學世界的好奇心，可以體會到看似難以觸摸的實驗過程，因為在數字化技術的“加持”下，一切似乎變得“唾手可得”了，學生仿佛置身于神奇的物理世界中，激發了學生參與實驗教學的熱情。在傳統的“伏安法測小燈泡伏安特性曲線”的實驗教學中，教師需要使用滑動變阻器來控制和改變電路中的電流情況，并且需進行多次測量以獲取準確的實驗數據，通過讓學生自己動手在U—I 坐標中描點連線來找到伏安曲線的普遍規律。但是由于滑動變阻器具有一定的不確定性，而且初中階段所使用的電流表和電壓表的精度不夠高，導致實驗結果無法完全符合教材中描述的實驗結果，需要教師進行介紹和修正。這種情況讓學生覺得這個實驗的價值和用途有限。再加上電流表、電壓表、滑動變阻器體積小，并不是每一個學生都能直接獲取上面的讀數，于是學生就沒有了參與實驗和思考實驗結果的熱情。但將數字化技術應用到這一實驗中，在電壓表和電流表之前加一個傳感器，這樣整個實驗過程就能通過多媒體展示出來，曲線也可以在計算機上自動繪制出來，整個實驗過程非常有趣，而且所有學生都能在大屏幕上觀看到實驗的過程，了解數據的變化，激發了學生參與實驗教學的熱情。

（二）有助于學生發現普遍的物理規律

實驗教學是初中物理教學的重要組成部分，探究性實驗是學生領悟物理知識規律的主要途徑。探究性實驗主要是通過合適的實驗假設，推動學生在認知上產生沖突，以此拓展物理思維，理順物理規律。所以，物理知識的規律不是單純依靠背誦來記憶的，而應該在理解的基礎上去記憶。基于數字化技術上的初中物理探究實驗，可以引導學生根據不同的實驗原理、采用不同的實驗環節、結合不同的實驗思路，在反復實驗和比較中，培養學生分析和解決問題的能力，讓學生認識到物理知識的具體規律，形成發散思維。如在“驗證相互作用力”的實驗中，用力傳感器代替機械測力計，能讓學生直觀地看到不同施加力所對應的圖像曲線變化趨勢，學生通過改變大小不同的力拉傳感器，得到連續的圖線。這樣學生就能在大腦中建立動態的模型，形成整體的印象，把握相互作用力的物理規律，實現力學思維的培養。

（三）有助于學生創新思維的培養

在這個大眾創業、萬眾創新的時代，物理學科最容易培養學生的創新思維，也正因為學生有了創新思維，才能創造性地完成實驗教學任務。在實驗教學過程中，通過引導學生用實驗去驗證自己的猜想，尤其是跳出常規實驗的舒適圈，在數字化技術的幫助下，去打造變化萬千的實驗模式，對于學生創新思維的培養是極為有利的。如“帕斯卡定律”實驗的對象是液體，這時如果將實驗對象換成氣體，是否也具有相同的表現呢？這就是學生需要探究的問題，也是學生創新思維培養的重要契機。針對這一設想，教師可以帶領學生借助數字化技術，將壓強傳感器安裝在封閉的容器中，然后施加壓力，通過計算機來觀察其中氣體產生的力的傳遞方向，得出密閉容器中不同方向的氣體對器壁產生的壓強也是相等的。這就是在數字化技術的基礎上所實現的創新實驗，有效驗證了學生的猜想，培養了學生的創新思維。

三、物理教師借助數字化技術開展實驗教學的原則要求

數字化技術雖然擁有強大的數字采集、加工和顯示功能，可以實現物質世界無法達到的虛擬抽象實驗過程，而且其中神奇的組成部分也深受學生的喜愛，但并不意味著數字化技術適用于所有的初中物理實驗，教師也不是可以無限制地使用，而需要遵循一定的原則，滿足一定的要求。

（一）以發揮過程性應用為原則

在教學現實中，一些初中物理教師在利用數字化技術的時候，側重于多樣化展示實驗的結果，而忽視了實驗的過程分析，不能將精彩的實驗全流程展示在學生面前，或者引導學生參與到實驗全流程中，發揮不了數字化技術的價值。為此，初中物理教師在應用數字化技術開展實驗教學的時候，既要保證實驗結果可以多樣化展示，也要保證學生有更多參與實驗全過程中的切入點，促進學生借助數字化技術對實驗過程進行探究。這樣學生可以在實驗過程中學到更多的知識，實現學科核心素養的持續培養。

（二）以突出實驗教學重點為原則

在實驗教學過程中，教師會明確本實驗需要重點解決的問題，希望學生通過實驗教學能重點學習到哪些知識點。所以，初中物理教師在借助數字化技術來開展實驗教學的時候，也需要充分把握這一原則，始終突出實驗教學的重點內容、關鍵要求。因為數字化技術具有方便編輯、有效標注、適時提醒等功能，為了防止學生在神奇的數字化技術中“迷失”學習的重點內容，教師可以在軟件中安裝提醒功能，在實驗涉及重要知識點的時候，通過語音提醒、字體標注提醒等方式，將學生的注意力及時集中到關鍵知識點的理解和驗證中。這樣不僅能完成實驗教學，還能幫助學生高效理解關鍵知識點。如“牛頓第二定律”的實驗教學，其中的關鍵知識點是深入理解平衡摩擦力的本質內涵。因為傳統實驗器材打點計時器在判斷小車運動是否勻速的時候，需要花非常長的時間，這時教師可以用光電門傳感器代替打點計時器，以實現更快速、更準確的實驗教學。在應用光電門傳感器的時候，教師要通過“閃光燈”的形式，來提醒學生注重理解平衡摩擦力產生的條件及本質內容，以此把握本節知識點的重點與難點。

（三）以學生為實驗中心原則

根據教育新理念要求，一切教學都需要以學生為中心，在借助數字化技術開展實驗教學的時候，也需要以學生為中心，包括實驗器材的選擇、實驗過程的推進、實驗結果的展示，都應該充分考慮到學生的需求和愛好，要關注學生的認知發展特點，這樣的實驗教學才能幫助學生更好地學習物理知識，培養學生的學科核心素養。在實驗教學中應用數字化技術，可以更好地集中學生的注意力，激發學生的創造力，讓學生全身心投入實驗教學中。在推進實驗過程中，教師要鼓勵學生積極嘗試應用數字化技術，對于一些比較高深的數字化技術也可以讓學生去探究。還可以引導學生加強課外學習，把握數字化技術的主要原理，這樣就可以有效推動數字化技術與實驗教學的融合，幫助學生獲取專業知識，提高學科核心素養。

（四）以與傳統實驗教學優勢互補為原則

正如前文所述，雖然數字化技術基礎上的實驗教學具有強大的教學功能，但并不意味著數字化實驗教學可以完全替代傳統實驗教學。傳統實驗教學也具有很多的價值，包括具有更好的直觀感，尤其是學生自主操作的傳統實驗，可以帶給學生更好的過程體驗，還能培養學生的實驗合作精神。由此可見，數字化技術支撐下的實驗教學與傳統的實驗教學各有優勢，教師需要在實驗教學之前，根據實驗對象靈活選擇合適的實驗形式。而且在很多時候，需要將傳統實驗與數字化技術穿插起來，相互配合、相互補充，在優勢互補中實現實驗成效。

四、基于數字化技術的物理實驗教學案例——以“聲音的特性”為例

本實驗教學的目標是引導學生通過對自己及身邊物體的發聲的波形，來了解聲音的特性。這一實驗目標是教材的重點，也是學生掌握的難點，整個實驗過程比較虛擬，借助傳統實驗難以讓學生直接觀察到發聲的波形，所以必須要借助數字化技術來實現。

本實驗選擇的數字化技術是聲波傳感器、數據采集器、手持分析儀、計算機等，需要將聲波傳感器與數據采集器連接起來，并打開手持分析儀的實驗模塊。在實驗過程中，聲波傳感器搜集聲音信號，并傳遞給數據采集器，通過手持分析儀展示出聲波的形狀，然后將聲波形狀傳輸到計算機中，計算機軟件將聲波形狀描繪在坐標系中，形成實時的聲音振動波形圖，最后學生就可以根據波形圖對教材中描述的聲音特性進行深入研究。這一實驗教學過程是傳統實驗所不能實現的，可以幫助學生更直觀地認識和理解聲音的特性。

為了用好信息技術輔助教學，教師可以引導學生通過對傳感器說話的方式，嘗試不同響度的音量，同時觀察聲波圖形的振幅變化。當學生停止說話時，傳感器上的波形會變成一條直線，這表明聲音是一種由外部力量產生的聲波。接著引導男生和女生分別以不同大小的聲音對著傳感器說話，可以發現在傳感器中形成了兩條不同的聲波，其中女生的音調高，聲波的振動頻率就比較高，這說明聲波的頻率與聲音的音調大小成正比關系。教師還可以利用數字化技術開展噪聲實驗教學，引導學生利用聲波傳感器和手持分析儀測量一天中不同時間段教室內的聲音響度，并且思考如何才能控制噪音，避免噪聲污染。

在傳統聲學實驗教學中，通常使用鼓面上小物體的跳動高度來說明聲音和聲波的振幅，同時使用電動機齒輪的轉速來說明振動頻率。至于音色，一般教材會直接給出對應的圖形。所以，在傳統實驗教學中學生難以直觀感受到聲音的特性，更多時候是在閱讀與背誦中記憶，難以體會到聲波的神奇變化。但是在數字化技術的支撐下，學生可以直觀觀察到聲波因為不同的因素發生了不同的變化，并且簡化了測量和記錄方法，豐富了聲學實驗的方法。

綜上所述，初中物理教學的物質支撐是實驗，教師在開展實驗教學的時候，不能固守在傳統的物質化實驗室教學中，而要充分借助數字化技術，為物理實驗教學帶來革命性的變化。在具體應用過程中，教師需要把握一定的原則要求，堅持以發揮過程性應用為原則、以突出實驗教學重點為原則、以學生為實驗中心原則、以與傳統實驗教學優勢互補為原則。保證數字化技術在初中物理教學中有效有力應用，以此提高實驗教學成效，培養學生學科核心素養。