初中物理實驗教學(xué)可視化的實踐探索

摘要 物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，實驗教學(xué)在初中物理教學(xué)中具有重要的地位與作用，但不少實驗教學(xué)效果并不理想。將計算機科學(xué)中的“可視化”引入物理實驗教學(xué)，通過實驗器材的改進與優(yōu)化，對初中物理力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)實驗進行教學(xué)實踐，從而提升實驗現(xiàn)象可視化效果，調(diào)動學(xué)生物理學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 初中物理 實驗教學(xué) 可視化

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》提出：義務(wù)教育物理課程是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)課程，要求教師靈活運用多種教學(xué)方式，倡導(dǎo)情境化教學(xué)，突出問題教學(xué)，注重“做中學(xué)”“用中學(xué)”，合理運用信息技術(shù)[1]，而信息技術(shù)的運用是把實驗現(xiàn)象可視化的有效途徑。教學(xué)實踐探索中，筆者發(fā)現(xiàn)初中物理教材有一些實驗存在觀察面小、現(xiàn)象不明顯、成功率低等不利于學(xué)生觀察和實驗的情況，針對教材中幾個效果不太理想的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)實驗，通過實驗器材的改進與優(yōu)化，提高物理實驗教學(xué)的可視化效果。

一、可視化概念釋義

可視化是計算機圖形學(xué)概念，就是把一些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成圖形，讓原本抽象的知識形象地展示出來，是一種使復(fù)雜信息能夠容易和快速被人理解的手段。[2]可視化結(jié)果便于人們記憶和理解，這是被腦科學(xué)研究所證實的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進步，在物理實驗教學(xué)中越來越多地使用了“可視化”的方式去開展教學(xué)。可視化教學(xué)使一些抽象的物理概念和物理現(xiàn)象更加直觀形象，降低學(xué)生認知負荷，促使學(xué)生更容易理解。為此我們就實驗教學(xué)可視化進行深入的教學(xué)實踐探索，通過在物理實驗教學(xué)中運用可視化方式，提升物理課堂教學(xué)質(zhì)量，促進學(xué)生物理核心素養(yǎng)的提高。

二、初中物理教學(xué)中實驗現(xiàn)象可視化的實踐

（一）改進實驗器材，使實驗現(xiàn)象放大，便于學(xué)生觀察思考

摩擦生電實驗往往受天氣等因素影響，容易實驗失敗。因此，教師做這類實驗時，可以使用干燥細長的彩色皺紋紙條代替碎紙屑，用餐巾紙摩擦過的吸管、PVC管或絲綢摩擦過的有機玻璃板靠近皺紋紙條，成功率高，實驗現(xiàn)象更加直觀明顯，增強了可視化效果。學(xué)生通過實驗很容易觀察到帶電體可以吸引輕小的皺紋紙條，從而認識到“帶電體可以吸引輕小物體”。但如果僅僅到此為止的話，學(xué)生容易產(chǎn)生“帶電體只能吸引輕小物體”的思維定式，不利于學(xué)生創(chuàng)新思維的發(fā)展。

怎么打破這個思維定式呢？既然帶電體可以吸引輕小物體，那么帶電的輕小物體能否吸引相對大而重的物體呢？采用放大法呈現(xiàn)以下兩個震撼學(xué)生的實驗：用餐巾紙摩擦過的吸管吸引放在水平桌面上的易拉罐實驗和用餐巾紙摩擦過的吸管吸引支架上的掃把實驗，打破了學(xué)生的思維定式，使學(xué)生深刻理解力的作用的相互性，學(xué)生充分體驗到學(xué)習(xí)的樂趣，更能感受到物理的魅力，從而達到培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神和科學(xué)方法的效果。

（二）優(yōu)化實驗裝置，使動態(tài)現(xiàn)象變慢，提升學(xué)生觀察效果

滬科粵教版教材“探究分子間的相互作用力”有一個“會收縮的液膜”實驗，操作發(fā)現(xiàn)一個問題：在戳破液膜的瞬間，棉線被迅速拉向另一側(cè)，棉線的運動速度太快，不利于學(xué)生觀察。筆者對實驗裝置進行了優(yōu)化，用銅絲做的長方形框代替鐵圈，滑桿代替棉線，其優(yōu)點是不易生銹，可反復(fù)使用；且實驗時滑桿的運動較慢，易于觀察，可視化效果好。為增加實驗的趣味性，可做成雙滑桿型，具體實驗裝置如圖1所示。

首先，往塑料盤中倒入適量配制好的洗潔精水溶液。把單滑桿實驗器材中的滑桿撥到中間位置，平放入盤內(nèi)的溶液中；提起時，使滑桿的左右兩側(cè)均有一層液膜。然后，用手指戳破右側(cè)的液膜，左側(cè)的液膜收縮，滑桿被拉動向左移動，這時若用手指輕輕按著滑桿的兩端向右慢慢拉一段距離（注意液膜不能破）后放開，滑桿又向左移動；反之，若戳破左側(cè)的液膜，右側(cè)的液膜收縮，滑桿被拉動向右移動。還可以把裝置中的滑桿撥到左邊位置，讓左端浸入盤內(nèi)的溶液中，取出后豎握，用手指輕輕按著滑桿的兩端向下慢慢拉一段距離（注意保持液膜不破），再放手，液膜收縮，同時滑桿被拉動緩慢地向上移動。

用雙滑桿型器材操作時，當(dāng)戳破兩滑桿中間的液膜后，兩側(cè)的液膜收縮，兩根滑桿會被分別拉向左右兩邊；當(dāng)戳破左滑桿左側(cè)的液膜時，右側(cè)的液膜收縮，兩根滑桿都會被拉向右側(cè)；當(dāng)戳破右滑桿右側(cè)的液膜時，左側(cè)的液膜收縮，兩根滑桿都會被拉向左側(cè)。

（三）選用數(shù)字化器材，使實驗數(shù)據(jù)實時呈現(xiàn)，助力學(xué)生思維理解

1.數(shù)字溫度計同步顯示實驗過程中溫度的變化

做功改變物體的內(nèi)能實驗時，空氣壓縮引火儀存在以下缺陷：雖然能壓出火花，但火花只是一閃而過，顯示時間非常短暫，且不能顯示實驗過程中的溫度變化，不能連續(xù)使用，長時間使用后，密封圈密封效果差，導(dǎo)致儀器失效。筆者用AB膠將硬塑料管固定在瓶底的孔上，并密封好，將電子溫度計的感溫探頭穿過玻璃瓶側(cè)壁的小孔，然后將小孔密封好，電子溫度計的顯示屏固定在瓶壁上，用黑色塑料板做成支架和背景，用小螺絲把細線固定在瓶塞上，細線的另一端系在瓶底的硬塑料管上，具體實驗裝置如圖2所示。

實驗時，將本教具放置在水平桌面上，瓶底的塑料管套上橡皮管，橡皮管的另一端接上打氣筒，可往瓶內(nèi)噴少許水或酒精，塞緊瓶塞，緊貼瓶底的塑料管處固定一激光筆，使光束從瓶底射向瓶塞，慢慢向瓶內(nèi)打氣，溫度計示數(shù)變大，說明瓶內(nèi)氣體溫度上升，當(dāng)瓶內(nèi)氣體壓強增大到一定程度時，瓶塞被沖出，同時瓶內(nèi)出現(xiàn)白霧，瓶中出現(xiàn)一條明顯的紅色光束，溫度計示數(shù)下降。改進后的實驗裝置確保了物理演示實驗成功率，利用電子溫度計，可以實時同步顯示實驗過程中瓶內(nèi)的溫度，而激光照射提高了實驗現(xiàn)象的直觀性，可視化程度高，這些視覺素材的刺激，很好地調(diào)動學(xué)生直覺思維，生成新知識，助力科學(xué)思維能力培養(yǎng)。

2.電流電壓電功率組合數(shù)字電表同步顯示白熾燈電流、電壓和電功率的大小變化

教師用亮度調(diào)節(jié)開關(guān)和電流電壓電功率組合數(shù)字電表組裝成電功率探究示教板，可進行電功率與電流、電壓具體關(guān)系的定量探究，也可以探究燈泡實際亮度與實際電功率的定性關(guān)系。由于電流電壓電功率組合數(shù)字電表可實時顯示燈泡亮度、電流、電壓和電功率，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可視化。該實驗操作簡單，燈泡亮暗現(xiàn)象明顯。由于實驗的連續(xù)性，能夠?qū)崟r、直觀、全面地顯示電功率大小、電流大小、電壓大小，降低了學(xué)生思維難度，學(xué)生很容易得出燈泡的實際亮度與實際電功率關(guān)系，進而歸納得出燈泡的電功率大小等于燈泡兩端電壓與通過燈泡電流乘積的結(jié)論。

綜上所述，在初中物理實驗教學(xué)中，通過實驗器材的改進與優(yōu)化，使得實驗教學(xué)可視化，為學(xué)生提供一個直觀、生動，甚至驚奇的物理情境，能極大地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，調(diào)動其學(xué)習(xí)積極性、主動性和創(chuàng)造性，有效提升其思維能力和創(chuàng)新能力，形成物理觀念，進而實現(xiàn)學(xué)生核心素養(yǎng)的全面發(fā)展。

[參考文獻]

[1]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：42-43.

[2]黃連鳳，施生晶.提高實驗可視化突破教學(xué)難點——以“波的干涉”實驗設(shè)計為例[J].湖南中學(xué)物理，2024（1）：61-64.

（責(zé)任編輯：劉艷超）