信息技術(shù)賦能物理實驗：電流熱效應(yīng)教學創(chuàng)新

隨著信息技術(shù)與教育教學的深度融合，物理實驗教學迎來了轉(zhuǎn)型的機遇。《義務(wù)教育物理課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課標”）明確提出“通過實驗了解焦耳定律，運用科學探究發(fā)展核心素養(yǎng)”的要求。然而，傳統(tǒng)焦耳定律實驗存在諸多局限，如教材中溫度計讀數(shù)耗時、氣體熱膨脹法難以定量分析、實驗現(xiàn)象受環(huán)境干擾顯著等。一些教師雖嘗試改進，但仍難以解決數(shù)據(jù)采集效率低、學生參與度不足等問題。針對上述問題，筆者以滬科技版教材為基礎(chǔ)，整合數(shù)字化實驗系統(tǒng)（Digital Information System，DIS），創(chuàng)新設(shè)計焦耳定律定量探究方案，利用溫度傳感器實時采集數(shù)據(jù)、Excel快速處理信息、動態(tài)圖像直觀呈現(xiàn)規(guī)律，構(gòu)建“現(xiàn)象可視—數(shù)據(jù)可測—結(jié)論可證”的實驗閉環(huán)。本文以“探究電流熱效應(yīng)影響因素”為例，闡述如何借助信息技術(shù)優(yōu)化實驗流程，讓學生在真實探究中提升科學思維與創(chuàng)新能力。

一、實驗改進的動因與路徑

“探究影響電流通過導(dǎo)體時產(chǎn)生的熱量多少的因素”實驗是人教版物理九年級全一冊第十八章電功率第4節(jié)“焦耳定律”教學中的重要演示實驗。該實驗對學生的知識綜合運用能力有較高要求，學生借此實驗?zāi)芨钊氲乩斫怆娐分心芰哭D(zhuǎn)化的現(xiàn)象。課標指出：“通過實驗，了解焦耳定律。能用焦耳定律說明生產(chǎn)生活中的有關(guān)現(xiàn)象。”課標要求學生通過實驗探究對焦耳定律的內(nèi)容形成科學認知。焦耳定律實驗的教學重點除了讓學生在實驗過程中感受完整的科學探究過程外，還可讓學生聯(lián)系已學知識，設(shè)計兩種實驗電路，以及間接測量電流通過導(dǎo)體時產(chǎn)生的熱量的方法。不同的電路設(shè)計和表示電熱的方法可以組合出多種實驗裝置。

各版教材給出的實驗方案有所不同。滬科技版教材中的電路設(shè)計是通過滑動變阻器與電阻串聯(lián)的方式改變電路中的電流，人教版采取的是混聯(lián)電路的形式，二者相比，學生對于滬科技版中的電路更熟悉，更易理解。但滬科技版教材中讀取溫度計示數(shù)變化量表示電熱的方法，在操作過程中存在加熱時間長、操作困難的問題。在課堂教學中，人教版教材中用空氣受熱膨脹的程度反映電熱的方法更受廣大教師歡迎，因為使用該裝置在課上演示時實驗現(xiàn)象明顯，用時短。但該裝置的實驗效果受氣體盒密封性影響較大，并且無法進行定量分析。

許多教師在總結(jié)教材中的經(jīng)驗后對此實驗進行了創(chuàng)新和改進，多數(shù)是從改進反映電熱多少的方式入手。例如，以凡士林熔化的快慢^[1]、氣球充氣的多少^[2]或感溫變色材料^[3]間接反映熱量的多少，提高實驗現(xiàn)象的可感度。有的教師在滬科技版裝置基礎(chǔ)上進行升級，采用數(shù)字溫度計測量，解決了實驗室常用液體溫度計讀數(shù)困難的問題，并且記錄數(shù)據(jù)后可以對結(jié)果進行定量分析^[4]。

數(shù)字化實驗系統(tǒng)可利用現(xiàn)代信息技術(shù)輔助實驗開展學科教育，為學生在有限的時間內(nèi)更充分地實施并理解實驗提供了技術(shù)支撐。課標指出：“注重科學探究，倡導(dǎo)教學方式多樣化……合理運用信息技術(shù)。”筆者設(shè)計實驗方案，利用傳感器、Excel表格等信息技術(shù)，借助數(shù)據(jù)采集器可實現(xiàn)快速收集數(shù)據(jù)，界面實時顯示圖像可解決可觀性問題，Excel表格處理數(shù)據(jù)，取得較好的實驗效果。

二、實驗裝置的創(chuàng)新設(shè)計

筆者參考滬科技版教材中的設(shè)計，采用液體的溫度變化量表示液體吸收熱量的多少。在課堂教學中高效完成定量探究實驗的關(guān)鍵在于如何使各燒瓶中液體溫度變化量能方便快捷準確地被讀取和記錄，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速處理。

本實驗的解決方法是采用溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集器，將實時溫度數(shù)據(jù)顯示在屏幕上、記錄在電腦中。經(jīng)設(shè)置后，電腦界面還可以直接呈現(xiàn)溫度隨時間變化的曲線。圖像既可以幫助學生更好地理解實驗現(xiàn)象，又可以讓學生在實驗過程中得出電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與時間的關(guān)系，大幅提高實驗效率，增強實驗的觀感，使學生在演示實驗中更有參與感，激發(fā)學生的學習興趣。

為了讓學生更好地觀察燒瓶內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在燒瓶外未添加保溫層。想要忽略散熱對實驗結(jié)果的影響，需要縮短加熱時間，使液體快速升溫。依據(jù)公式Q=cm△t"，在吸收的熱量一定時，燒瓶中液體的溫度變化量受液體質(zhì)量和液體種類的影響。在實驗設(shè)計之初，筆者選取了不同質(zhì)量的水和油進行實驗，使用阻值為2 Ω的定值電阻通過1 A電流對液體加熱60 s，測量液體的溫度變化量△t并記錄（見表1）。

實驗中，當燒瓶中的液體體積過少時，難以將電阻絲和溫度傳感器的探頭均完全浸沒于液體中且不接觸燒瓶，所以將液體體積最小值選取為100 ml。從數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，選用水作為被加熱液體時，由于水的比熱容較大，吸收相同熱量時水的溫度變化量較小，100 ml的油在60 s內(nèi)溫度變化量更大。所以在后續(xù)的實驗中燒瓶內(nèi)盛放的液體為100 ml食用油。

溫度傳感器探頭放置的位置極大程度上影響了實驗結(jié)果的準確性。熱量從電阻絲傳遞給食用油，瓶中各部分油的溫度并不統(tǒng)一。各版教材中均沒有明確說明溫度計液泡在液體中相對電阻絲的位置。若傳感器探頭距離電阻絲位置偏遠，觀察到的溫度變化很慢，現(xiàn)象不明顯。部分熱量在向外傳遞的過程中會散失到空氣中，使測量的溫度偏低。在組建裝置時，需調(diào)整傳感器探頭位置，使探頭盡可能靠近但不直接接觸電阻絲。本次實驗，筆者將傳感器探頭放置在電阻絲上方約0.5 cm處，并保證各個燒瓶中溫度傳感器探頭與電阻絲間的距離一致。

基于上述實驗和分析，自制6個實驗用燒瓶，每個燒瓶各裝100 ml食用油，將電阻絲浸沒在油中，用溫度傳感器測量油溫。實驗中所用的阻值不同的定值電阻是截取不同長度的直徑為0.5 mm、阻值5.551 Ω/m的Cr20Ni80鎳鉻絲自制而成。采用友高數(shù)字采集系統(tǒng)及其配套的YOCO-S14 型號溫度傳感器（量程-20-120 ℃）實現(xiàn)測量和收集實驗數(shù)據(jù)的工作。傳感器將溫度隨時間變化的數(shù)據(jù)記錄并傳輸至計算機。依據(jù)控制變量的思想，將該實驗分解為3個小實驗：定量探究電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與導(dǎo)體的電阻、導(dǎo)體中的電流和通電時間之間的關(guān)系。其中，定量探究電熱與通電時間關(guān)系的實驗數(shù)據(jù)可以在進行另外兩個實驗時得到，并且在每一次實驗中數(shù)據(jù)采集器界面都直接顯示了溫度與時間的關(guān)系，因此無需再單獨進行實驗。利用改進后的實驗裝置，按電路圖連接電路（如圖1），進行測量。

三、數(shù)據(jù)處理的思維進階

對實驗數(shù)據(jù)進行分析論證并得出相應(yīng)結(jié)論是科學探究中關(guān)鍵的步驟，在此過程中可以很好地培養(yǎng)學生的科學思維，讓學生領(lǐng)悟運用實證分析客觀世界本質(zhì)規(guī)律和內(nèi)在聯(lián)系的實驗思想。在實驗教學中，教師需讓學生能更充分地參與到數(shù)據(jù)處理中來，切身體會這一過程并形成科學認知。

焦耳定律的內(nèi)容是一個含有平方項的公式，學生較難通過實驗現(xiàn)象直接歸納得出結(jié)論。九年級學生已經(jīng)學習了一次函數(shù)和二次函數(shù)，對其圖像有了基本的認識。在充足的數(shù)學知識儲備基礎(chǔ)上，借助圖像法對實驗數(shù)據(jù)進行處理，可以有效地幫助學生理解實驗數(shù)據(jù)，得出定量關(guān)系。

在數(shù)據(jù)分析的環(huán)節(jié)中，未采用常見的在DIS中內(nèi)嵌公式將處理好的數(shù)據(jù)結(jié)果直接展示給學生的方式，而是讓學生自己設(shè)計實驗數(shù)據(jù)記錄表格。筆者在課前設(shè)置好空白的圖表，課上讓學生設(shè)計具體表格，提取數(shù)據(jù)采集器中采集到的溫度數(shù)據(jù)，借助Excel表格內(nèi)嵌的公式計算功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理，讓整個數(shù)據(jù)處理的過程顯化。Excel表格工具僅起到快速計算和繪制圖像的作用。如此，學生切身參與到數(shù)據(jù)處理的過程中去，并對數(shù)據(jù)曲線進行擬合，得出定量關(guān)系（如圖2）。

在探究電熱與電阻的關(guān)系實驗中，學生設(shè)計實驗記錄表格，繪制成圖像后對其進行擬合，繪制得到過原點的直線，觀察數(shù)據(jù)圖像得出結(jié)論：電流和通電時間一定時，油溫變化量跟電阻成正比，即電流通過導(dǎo)體時產(chǎn)生的熱量跟電阻成正比。

在探究電熱與電流關(guān)系的實驗中，先設(shè)計實驗記錄表格，由繪制圖像可知溫度的改變量與電流的關(guān)系圖是一條近似二次函數(shù)的曲線，從而猜測溫度的改變量可能與電流的二次方成正比。改進數(shù)據(jù)表格后繪制的圖像是一條過原點的直線。得出結(jié)論：當電阻和通電時間一定時，電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與電流的二次方成正比（如圖3）。

四、教學實踐的價值延伸

本實驗基于滬科技版教材中的器材進行了升級，借助數(shù)字化系統(tǒng)，采用溫度傳感器測量溫度數(shù)據(jù)，測得的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器直接記錄到電腦，顯示在屏幕上。筆者開展該實驗有效地解決了傳統(tǒng)液體溫度計讀數(shù)難、數(shù)據(jù)記錄慢的問題，讓學生更直觀便捷地觀察實驗現(xiàn)象。在數(shù)據(jù)分析階段，學生借助Excel表格工具進行計算和繪圖，大幅縮短數(shù)據(jù)處理的時間，非常高效。學生在實驗中真探究、真分析，對發(fā)展科學素養(yǎng)有積極作用，同時有利于培養(yǎng)學生借助計算機對數(shù)據(jù)進行分析、處理的高階能力。此能力可以遷移到其他實驗中，逐步提高分析、解決問題的能力，對學生未來從事科學研究工作大有裨益。

參考文獻

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（作者系北京師范大學附屬中學教師）

責任編輯：祝元志