數字化技術在初中物理實驗教學中的應用

在義務教育階段，物理實驗教學不僅承擔著傳授科學知識的任務，更是培養學生科學邏輯思維和實踐能力的重要途徑。《義務教育物理課程標準（2022年版）》明確指出，學生應了解流體壓強與流速的關系及其在生產生活中的應用。然而，傳統實驗器材在測量和觀察方面存在局限，造成學生難以直觀感受和理解這些物理概念。數字化技術的引入，為突破這一教學瓶頸提供了新的思路。筆者以“飛機機翼升力實驗”為例，結合自制飛機機翼升力演示實驗裝置的設計與應用，介紹初中物理實驗數字化教學方法，探究如何利用數字化技術提升教學效果和學生的學習體驗。

一、教材分析與教學難點解析

《義務教育物理課程標準（2022年版）》強調學生需掌握流體壓強與流速的關系，并理解其在生活中的應用。本節內容涵蓋“流體壓強與流速的關系”和“飛機的升力”。教學的核心在于梳理流體壓強與流速的關系，讓學生掌握飛機升力概念是教學的難點。學生對于流體壓強與流速的聯系缺乏生活經驗。教材借助“吹紙”實驗引入新課^[1]，讓學生在實驗前預測紙條的運動情況并陳述理由。基于對大氣壓強的初步認識，學生會認為紙條上下兩側的大氣壓相等，紙條不會運動，或者根據生活經驗，認為紙條會因前方吹氣而向后方飄動，結合重力作用，預測紙條會向下運動。然而，實驗結果出乎學生意料——紙條向上運動。學生分析這一現象，可以了解到吹氣后紙條上、下表面受力的變化，從而推斷出上方氣壓減小（如圖1）。教師借此引導學生提出問題，并從多個實驗中總結規律，理解流體壓強與流速關系。

在理解流體壓強與流速的關系后，學生需進一步認識飛機機翼的特殊造型，并分析升力產生的原因，這對他們來說是一個較大的挑戰。由于缺乏可靠的測量流體壓強的手段，學生通常只能分析現象進而推理壓強與流速的關系。若能讓學生觀察實驗現象，并測量流經機翼的氣流流速、機翼表面壓強、升力數據，驗證教材中的理論與公式，將抽象概念具體量化，這將有助于加深學生對流體壓強與流速關系的理解。這樣不僅可以增強學生學習的趣味性，還能培養學生的實驗觀察、數據分析和科學推理能力，實現從被動接受知識到主動探索知識的轉變。

用傳統的實驗器材做實驗難以采集流經機翼的氣流流速、機翼表面壓強、升力等數據。為了解決這一問題，筆者采用數字化技術自制了一套飛機機翼升力演示裝置（如圖2），包括機翼模型和風洞系統。定制機翼采用EPP*XPS擠硬塑板材質。為了獲得快速且穩定的氣流以滿足精確數據測量的需求，使用了3kW的大型離心風機作為風源，并借助外接調速器調節風速。筆者將風機出口與有機玻璃管連接，構建成一套風洞系統。在實驗過程中，操作者將不同規格的機翼配件放置于有機玻璃管內，并配合數字測量器材，實現對不同數據的精確測量。

二、教學過程與關鍵環節的精細化設計

筆者利用自制的數字化實驗器材，按照以下步驟開展飛機機翼升力部分的教學（如圖3）。

（一）測量機翼上下表面氣流的流速

氣流流經機翼的情況通常不可見，學生難以直觀理解“飛機機翼上下表面的氣流同時從機翼前方出發，同時到達機翼后方，時間相同，因此上表面氣流速度較大，下表面氣流速度較小”的原理，這是推導的難點。為此，筆者采用HT-9829熱敏式風速儀測量機翼上下表面的氣流流速，引導學生開展實驗活動以驗證理論推導。在風洞中固定飛機機翼模型并接通電源，使氣流沿機翼表面流動，通過風洞側壁小孔將風速儀探頭分別置于機翼上下表面，測量氣流流速。實驗結果顯示，機翼上表面的氣流速度為12.30m/s，下表面為9.02m/s，上表面氣流流速大于下表面。這一實驗數據強有力地支持了教材中關于機翼形狀影響氣流速度的理論分析，驗證了其正確性。

（二）測量機翼上下表面的壓強數據

在探討“飛機的升力”之前，我們已經得出“在氣體和液體中，流速越大的位置壓強越小”的結論。鑒于上一個實驗已測得機翼上表面氣流流速大于下表面，筆者引導學生思考機翼上表面與下表面的壓強關系，并利用壓強數據采集裝置進行測量驗證。該裝置基于51單片機系統，使用BPM180氣壓傳感器在機翼上下表面進行數據采集。實驗結果顯示在1602液晶屏上。BPM180氣壓傳感器具有高精度、快響應、體積小的特點，對機翼表面氣流流動的影響降到最低。

實驗前，液晶屏顯示機翼上下表面的氣壓值均為100.59kPa，表明機翼上下表面的壓強相等。接通風機電源后，氣流沿機翼上下表面流動，機翼上下表面的氣壓值分別變化為100.33kPa和100.44kPa，顯示機翼上表面氣壓小于下表面氣壓。

（三）測量機翼的受力情況

機翼上下表面存在的壓強差導致壓力差，筆者利用自制數字測力計進行測量。該測力計基于51單片機系統，采用壓力傳感器采集數據，并借助hx71124位AD模塊進行數模轉換，測量結果在1.5寸數碼管上顯示。同時，測力計配備箭頭數碼管指示力的方向，可直觀呈現測量結果。操作時，首先將機翼模型與壓力傳感器固定，正向水平放置在風洞內，并清零測力計。接通電源后，調節調速器增大氣流流速，數碼管示數隨氣流流速增大而增大。穩定氣流流速后，測力計顯示升力為1.00N，箭頭顯示力的方向向上。反向放置機翼模型并重復操作，測得下壓力為0.73N。

此外，在筆者的提示下，學生調整氣流流速，還測量了機翼所受升力與重力的合力數值。數碼管示數為0表示機翼受升力與重力的合力為0N，即所受重力等于升力。繼續增大氣流流速，合力增至0.81N，方向向上，表明機翼所受重力小于升力。

（四）演示機翼模型的運動情況

筆者將飛機機翼模型正放于風洞中并接通電源，調節調速器逐漸加大風速。學生觀察到飛機機翼模型沿軌道上升，證實正放的飛機機翼因受到向上的升力而上升。

為檢測學生的理解程度，筆者將機翼模型反放于風洞中，接通電源并逐漸加大風速。學生發現機翼模型不會上升。此時，手動上托機翼模型，可感受到明顯的下壓力，且風速越大，下壓力越大。教師可借助此類實驗，引導學生思考機翼模型作為汽車定風翼的應用問題，培養學生的知識遷移能力。

三、教學效果與育人價值顯著

為了客觀評估數字化實驗教學的效果，筆者在兩個水平相當的班級中實施了對比教學。針對一個班級采用傳統方法教學，讓學生用紙制作機翼模型，并用嘴吹氣使其懸空；針對另一個班級則采用本文所述的數字化實驗的方法來教學。觀察結果表明，采用數字化實驗教學的班級學生展現出更高的學習積極性。他們不僅掌握了多種數字化實驗技巧來測量機翼升力，而且能夠利用實驗數據支持自己的假設，并深入探究物理現象的本質。

令人欣喜的是，課堂教學結束后，學生提出了許多有趣的問題，并主動利用實驗裝置進行探索。例如，一位學生詢問風洞的最高風速，并使用風速儀測量，發現最高風速可達120km/h。另一位學生則好奇在時速120km/h的敞篷跑車中吹風的感受。筆者隨即讓學生站在風洞出風口前親身體驗。這些愉快的探究體驗促進了學生創造性思維的發展。

筆者開展這一系列教學活動，讓學生不僅深刻理解了流體力學的基本原理，而且在邏輯推理和模型建構能力上得到了提升，為科學思維的發展打下了堅實基礎^[2]。尤為重要的是，用這種方法教學極大地激發了學生對科學技術的興趣和探索欲望，培養了學生尊重科學、勇于創新的科學態度，為提升他們的科學素養和綜合能力提供了有力支持。

筆者自制的飛機機翼演示實驗裝置，整合了風洞、風速儀、自制氣壓計、自制數字測力計等多種實驗器材和技術，是一套綜合性的演示裝置。借助該裝置使學生深入理解飛機機翼的結構特點。學生利用裝置中的風速儀提供的機翼上下表面的風速數據，以及氣壓傳感器直觀呈現的機翼上下表面的氣壓差異，深刻認識到氣壓變化對飛機升力的影響。最終，筆者利用自制的數字測力計，將合力的大小和方向直觀呈現給學生，結合飛機機翼模型在導軌上的運動情況，有效闡釋了與飛機機翼產生升力相關的物理原理。顯然，數字化實驗突破了傳統物理教學的局限，為解決傳統實驗教學中的問題提供了新的思路和方法。未來，筆者將繼續探索數字化實驗在初中物理教學中的應用，以期進一步提高教學效果。

注：本文系人民教育出版社課程教材研究所2021年立項課題“義務教育教科書物理實驗優化研究”（課題批準號：KC2021-008、KC2021-010）項目研究成果。

參考文獻

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.義務教育教科書物理八年級上冊[M].北京：人民教育出版社，2012.

[2]中華人民共和國教育部.義務教育課程方案：2022年版[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

（作者系廣東省廣州市廣園中學高級教師）

責任編輯：祝元志