合理利用數(shù)字化實驗技術努力提升物理核心素養(yǎng)

摘 要：數(shù)字傳感器技術已經(jīng)廣泛應用于高中物理課堂教學中，本文基于筆者的教學實踐，嘗試將該技術引入初中課堂，在“熔化與凝固”一節(jié)學習中，作為學生物理探究的認知工具來合理使用。對培養(yǎng)學生科學的研究方法和嚴謹?shù)奶骄烤瘢M而努力提升物理核心素養(yǎng)做出初步探索。

關鍵詞：數(shù)字化；傳感器；核心素養(yǎng)；熔化；實驗

一、 背景

隨著數(shù)字化傳感器技術不斷發(fā)展，傳感器技術已經(jīng)廣泛應用于高中物理課堂教學中。但很多教師僅僅只是把傳感器當成精密的測量工具，而沒有把它作為學生物理探究的認知工具來合理使用，尤其在初中課堂，仍然局限于較為粗糙的測量工具和低效的實驗操作。研究如何在初中物理課堂中合理使用傳感器技術，改進課堂教學模式、優(yōu)化物理教學設計，培養(yǎng)學生科學的研究方法和嚴謹?shù)奶骄烤?，進而努力提升物理核心素養(yǎng)是有意義的課題。本文基于筆者的教學實踐，探索如何在物理課堂中合理利用傳感器技術實現(xiàn)學生物理觀念的建立、科學思維的培養(yǎng)、科學探究的經(jīng)歷、科學態(tài)度與責任的體驗。

二、 思考

物理是一門以實驗為基礎的科學，尤其在初中階段做好物理分組實驗，對激發(fā)學生的興趣、提高學生的操作技能、培養(yǎng)學生的探究能力、養(yǎng)成科學的思維方式、形成嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和科學精神等，都有極其重要的作用?！疤骄勘娜诨攸c”是蘇科版八年級物理繼“水的沸騰”后，又一個重要的探究物理規(guī)律的實驗。由于眾多因素的影響，該實驗一直作為演示實驗來操作。同時，在分析實驗數(shù)據(jù)時，延續(xù)了上一個實驗“水的沸騰”的方法和步驟，即記錄時間和溫度值，通過描點畫線的方法，作出溫度隨時間變化的圖像，從中找出晶體和非晶體在熔化過程中的特點。這個過程中存在數(shù)據(jù)誤差大、收集慢、效率低等問題，使得一節(jié)課只能完成熔化研究實驗，而凝固這一過程只能夠口頭敘述或視頻代替，更不用說做學生分組實驗了?；谏鲜鲈颍P者引入數(shù)字化實驗器材，并改進實驗裝置，以適應學生分組實驗的要求，且簡化了數(shù)據(jù)采集和分析處理過程，大大提高了課堂效率，同時也培養(yǎng)了學生科學的思維探究等能力，對提升學生物理核心素養(yǎng)做出了嘗試。

三、 改進和操作

1. 引入數(shù)字化傳感器，因為其具有以下特點：（1）強大的數(shù)據(jù)采集能力；（2）靈活的數(shù)據(jù)處理能力；（3）便利的開放互動式系統(tǒng)等。本實驗使用了溫度傳感器，其溫度探頭位于針狀合金棒的頂端，使用時和普通液體溫度計類似，符合學生所學習的溫度計使用要點，所以對學生而言不存在使用上的困難。本實驗采用朗威DISLab LW-T803系列溫度傳感器（-50℃～+200℃）及配套數(shù)據(jù)采集器，軟件版本V8.0。

2. 在直徑為1cm的玻璃試管中倒入1～2mL的水，放入-10℃的冰鹽水中，將溫度傳感器的感溫部分插入水中合適位置，靜等1分鐘左右，待凝固后取出，放入冷凍室備用。

3. 器材從實驗室拿到教室時，可用保溫杯放入適量的濃鹽水，將凍有溫度傳感器的試管放入其中，可保持其溫度在-7℃左右。

4. 將溫度傳感器接入電腦后，再將試管固定在試管夾上，操作簡便快捷。數(shù)據(jù)開始采集時，起始溫度可以從-6℃左右開始記錄。視環(huán)境溫度高低，30到40秒后溫度就可升高到0℃左右，并開始保持不變。5分鐘左右就可完成冰熔化時的溫度記錄和現(xiàn)象的觀察。（如圖）

5. 還可以將石蠟的熔化實驗同步進行，在兩個窗口中實時展示溫度變化曲線，顯示出兩者的溫度變化不同特點。教師做演示實驗的話，可控制在5分鐘以內(nèi)；學生做分組實驗的話，可控制在10分鐘到15分鐘之內(nèi)，實驗的操作、數(shù)據(jù)的記錄、最后結果的分析都可完成。

6. 借用裝有冰凍濃鹽水的保溫杯還可完成凝固實驗，極大地提高了學生對熔化和凝固過程的完整認識。

四、 反思和評價

1. 溫度傳感器靈敏度高且數(shù)據(jù)記錄的精確度可調(diào)整，記錄溫度的時間間隔也可以進行調(diào)整。通過軟件的調(diào)整，還可以將晶體和非晶體溫度圖像變化，放在一個平面直角坐標系或兩個平面直角坐標系內(nèi)進行比較，非常靈活。在處理稍許誤差時也很方便，可以用擬合曲線進行一次函數(shù)或二次函數(shù)圖像的擬合。

2. 利用該裝置還可以進行課后的延伸拓展探究，例如：水中混有雜質(zhì)（鹽水或糖水）以后的熔點或凝固點的變化情況；鹽水濃度對水的熔點和凝固點變化的影響；冰的比熱容和水的比熱容的變化。

3. 雖說初中課堂以體驗基礎探究為主，學生必須知道數(shù)據(jù)是如何采集的，如何分析的，但是教材的上一個分組實驗“研究水的沸騰”，已經(jīng)完整地經(jīng)歷了該過程，在本實驗中再次經(jīng)歷這個過程，就顯得比較累贅，并且降低了課堂效率。為提高學生的物理核心素養(yǎng)，可以將重復單調(diào)的數(shù)據(jù)收集和記錄工作，交由計算機輔助系統(tǒng)完成，而學生就可將精力集中于對數(shù)據(jù)的分析、推理、整合等方面，并從中歸納出物理規(guī)律，這才是現(xiàn)階段對提高學生的科學素養(yǎng)最有力的幫助。

4. 若借用數(shù)字傳感器對實驗進行改進和分組實驗，需要對學生進行一定的培訓，結合學校的硬件條件，筆者認為可以適當開展社團興趣小組活動，以提前接觸數(shù)字實驗器材，為今后的學習和研究打下基礎。

參考文獻：

[1]中國二十一世紀教育發(fā)展綱要.

[2]孫海禎.用溫度傳感器改進冰的熔化和凝固實驗[J].中國科教創(chuàng)新導刊，2014（12）.

作者簡介：

盛宏立，江蘇省常州市，常州市新北區(qū)實驗中學。