利用信息技術(shù)提升物理實(shí)驗(yàn)探究的效能

顧建榮 江山

【摘 要】信息化時(shí)代教育變革背景下，信息技術(shù)已深度融入各學(xué)科，對(duì)各學(xué)科的教學(xué)起到促進(jìn)作用。本文以高中物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)為例，闡述了信息技術(shù)與高中物理融合創(chuàng)新的教學(xué)探索。

【關(guān)鍵詞】信息技術(shù);高中;物理;數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

【中圖分類號(hào)】G434? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2022）02、03-143-04

新課改背景下提倡學(xué)科之間的緊密聯(lián)系。從學(xué)科教學(xué)來(lái)看，信息技術(shù)是一門技能工具類的學(xué)科，物理學(xué)科是一門理科實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的學(xué)科，信息技術(shù)與物理學(xué)科深度融合帶來(lái)了物理教學(xué)的創(chuàng)新，使教學(xué)內(nèi)容、手段、時(shí)空等方面發(fā)生了深刻的變革，特別是在物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面展現(xiàn)魅力，開(kāi)創(chuàng)學(xué)科融合教學(xué)的新思路。

合作對(duì)話，架學(xué)科融合橋梁

1.學(xué)科本質(zhì)，理念同歸

從學(xué)科視角來(lái)看，信息技術(shù)學(xué)科是一門技能類學(xué)科，同時(shí)是基于算法提升計(jì)算能力和應(yīng)用的學(xué)科，提升各方面效率的學(xué)科。而物理學(xué)科是自然科學(xué)領(lǐng)域的一門基礎(chǔ)學(xué)科，通過(guò)信息技術(shù)手段可以得到精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)原理，讓學(xué)生獲得便捷且良好的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)。兩門學(xué)科以技能和實(shí)驗(yàn)（或?qū)嵅伲楣餐c(diǎn)，信息技術(shù)為物理課堂以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革架起了創(chuàng)新的橋梁，而物理學(xué)科教學(xué)也為信息技術(shù)教學(xué)開(kāi)啟了一個(gè)實(shí)驗(yàn)新分支，有助于培養(yǎng)學(xué)生的信息技術(shù)應(yīng)用和實(shí)踐能力。信息技術(shù)與物理學(xué)科融合有利于兩個(gè)學(xué)科融合、共同發(fā)展。

2.素養(yǎng)為核，指向一致

學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過(guò)學(xué)科學(xué)習(xí)、專業(yè)積累等逐步形成正確的價(jià)值觀念、關(guān)鍵能力和必備品格。高中信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)包括信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)創(chuàng)新、信息社會(huì)責(zé)任四個(gè)方面[1]。信息技術(shù)學(xué)科經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，從計(jì)算機(jī)編程教學(xué)到信息技術(shù)普及性知識(shí)學(xué)習(xí)，從小學(xué)三年級(jí)到高中已形成完整的信息素養(yǎng)知識(shí)鏈。物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面[2]。兩門學(xué)科的核心素養(yǎng)指向一致：全面育人，幫助學(xué)生掌握學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)和技能，增強(qiáng)學(xué)科意識(shí)，發(fā)展思維能力，自主學(xué)習(xí)與主動(dòng)創(chuàng)新，樹(shù)立正確的社會(huì)價(jià)值觀和責(zé)任感。

優(yōu)化測(cè)量，補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)短板

在高中物理教學(xué)過(guò)程中，特別是在演示實(shí)驗(yàn)和分組實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)從準(zhǔn)備到設(shè)備的檢驗(yàn)，再到學(xué)生的實(shí)驗(yàn)等，均需要一個(gè)詳細(xì)的準(zhǔn)備過(guò)程。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)不僅要考慮設(shè)備配件是否有故障或有產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，而且還要操作得當(dāng)，否則得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)有較大的出入，甚至與我們的理念（或原理公式）不符。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)在過(guò)去幾十年里發(fā)揮了應(yīng)有的作用，但相應(yīng)的短板在實(shí)踐中也已顯現(xiàn)。信息技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展可以“補(bǔ)齊短板”，彌補(bǔ)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備操作的不足，讓學(xué)生喜歡上物理實(shí)驗(yàn)。

1.數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)讓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更精準(zhǔn)

物理實(shí)驗(yàn)是對(duì)物理知識(shí)、現(xiàn)象、原理進(jìn)行探究驗(yàn)證的基石，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證最有力的實(shí)證。傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)（含演示實(shí)驗(yàn)）以及學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)有利于物理課堂教與學(xué)，但因儀器問(wèn)題，具有不穩(wěn)定性，時(shí)常因數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)起到“反面作用”。但是有了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器、視頻顯示、三維仿真技術(shù)等信息技術(shù)的支持，讓“數(shù)據(jù)說(shuō)話”不再是難事，用準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐教學(xué)現(xiàn)象或原理，在教學(xué)中更能讓學(xué)生信服和接受。

例如，人教版新教材必修第二冊(cè)第六章第2節(jié)“向心力”中，要求學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)“探究向心力大小的表達(dá)式”。書(shū)本提供的實(shí)驗(yàn)裝置是用標(biāo)尺中紅和白兩種顏色的高度來(lái)表征力的大小，沒(méi)有具體刻度和數(shù)值，所以用此裝置探究，只能做到半定量，數(shù)據(jù)不夠精確，誤差較大，信服力不夠。但如果使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)PASCAL裝置，就可以得到精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

利用這些精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，結(jié)合Excel的圖像擬合功能，可以引導(dǎo)學(xué)生畫出如圖1所示的圖像，從而順利得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

2.數(shù)字化傳感器讓實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)感更豐富

基于數(shù)字化傳感器的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置安裝操作簡(jiǎn)便、實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與原理數(shù)據(jù)匹配。另一方面，傳感器的多樣式可以匹配到多個(gè)實(shí)驗(yàn)，如力學(xué)（探究勻速運(yùn)動(dòng)、分力與合力、平拋運(yùn)動(dòng)、機(jī)械能守恒定律）、電學(xué)（電阻伏安特性、電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻、電容放電、安培力）以及氣壓、重力加速度、追尋守恒量等實(shí)驗(yàn)，規(guī)范的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，相關(guān)物理量的設(shè)定，通過(guò)數(shù)字化平臺(tái)自動(dòng)生成測(cè)量數(shù)據(jù)，平臺(tái)自動(dòng)匯總，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析形成相關(guān)圖表。如在高中物理測(cè)位移，測(cè)重力，光電門測(cè)速度，電壓、電流測(cè)電阻等實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)USB將數(shù)采集器（DAS-5104D）連接到電腦，同步后工作燈正常亮起，傳感器正常工作，我們就可以準(zhǔn)確得到相應(yīng)數(shù)據(jù)。如測(cè)運(yùn)動(dòng)物體位移，在位移傳感器的支持下，利用實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)，通過(guò)時(shí)間/t與位移/m，再通過(guò)小車移動(dòng)到一個(gè)新位置，重復(fù)5次，得到新的位移值，記錄分析得到一組位移值/m，讓學(xué)生得到實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)與概念理念的一次驗(yàn)證。知識(shí)源于實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)后再促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的再認(rèn)識(shí)、再重構(gòu)、再提升。在實(shí)驗(yàn)中將斜面放置有位移傳感器接收端的一端適當(dāng)墊高，但不宜過(guò)高，否則容易撞壞小車，而將小車放回靠近位移傳感器接收端的某一位置，用手輕扶小車保持靜止（或用擋板阻攔）。通過(guò)數(shù)字化傳感器帶來(lái)的豐富實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，有利于學(xué)生對(duì)力學(xué)知識(shí)再一次進(jìn)行認(rèn)識(shí)和內(nèi)化。

3.信息技術(shù)讓“難以觀測(cè)”的實(shí)驗(yàn)成為可能

在傳統(tǒng)物理教學(xué)中，一些生活常識(shí)性物理現(xiàn)象可以使用傳統(tǒng)儀器進(jìn)行測(cè)試，但一些微觀或宏觀數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)，或有一些難預(yù)測(cè)或產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)，或因?qū)W校設(shè)備不足、條件環(huán)境不允許，或因有風(fēng)險(xiǎn)，往往只能借助公式去教學(xué)，無(wú)法去實(shí)驗(yàn)。我們可以借助信息技術(shù)去突破傳統(tǒng)教學(xué)或?qū)嶒?yàn)教學(xué)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)的廣泛性、安全性以及操作的靈活性給我們帶來(lái)了新希望。借助信息技術(shù)的“東風(fēng)”，在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境下，進(jìn)行更多“不可思議”的實(shí)驗(yàn)，可以解決很多物理課上的教學(xué)難題。

例如，高中物理中磁感應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)量，尤其是微弱磁感應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)量，是很難用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的。但利用磁傳感器，可以輕松地測(cè)得螺線管內(nèi)部以及通電導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)。

如研究放射源實(shí)驗(yàn)，研究三種射線α射線、β射線和γ射線的穿透能力時(shí)，教師直接提供給學(xué)生這三種射線的穿透能力;但有了數(shù)字化G-M傳感器，結(jié)合威爾遜云室配套放射源，就可以實(shí)驗(yàn)探究三種射線的穿透能力，如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)有鉛板插入時(shí)，計(jì)數(shù)率明顯降低，說(shuō)明鉛對(duì)放射線有屏蔽作用。不難發(fā)現(xiàn)鉛板越厚，屏蔽作用越大，當(dāng)鉛板達(dá)到一定厚度時(shí)，計(jì)數(shù)率可接近本底數(shù)，即對(duì)放射線完全屏蔽。

融合優(yōu)化，促學(xué)科思維提升

在教學(xué)中，重視知識(shí)技能教學(xué)的同時(shí)，更要重視學(xué)生科學(xué)思維的過(guò)程化及計(jì)算思維的培養(yǎng)。

1.熟識(shí)技術(shù)原理，重視物理知識(shí)的內(nèi)化

在物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)時(shí)，如探究氣體壓強(qiáng)與體積、溫度的關(guān)系，除需要學(xué)生具有一定的信息技術(shù)能力之外，更需要學(xué)生熟識(shí)器材（如各類傳感器等）或配件的技術(shù)原理，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，理解實(shí)驗(yàn)原理是核心，實(shí)驗(yàn)過(guò)程比結(jié)果更為重要。

利用傳感器能測(cè)出相應(yīng)的物理量，幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理。教師要從大單元教學(xué)設(shè)計(jì)理念出發(fā)，以理解實(shí)驗(yàn)原理為基石，讓學(xué)生掌握物理實(shí)驗(yàn)的知識(shí)框架，構(gòu)建與之相對(duì)應(yīng)的物理觀念。

2.分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，關(guān)注數(shù)據(jù)處理能力培養(yǎng)

在實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師更需要關(guān)注學(xué)生處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能力的培養(yǎng)。通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)獲得精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，既可以增加學(xué)生數(shù)據(jù)處理的信心，又可以鍛煉學(xué)生數(shù)據(jù)處理的能力。

例如，在研究氣體等溫變化時(shí)，學(xué)生利用數(shù)字化壓強(qiáng)傳感器精準(zhǔn)地得到了數(shù)據(jù)（表1）。

此時(shí)，可以根據(jù)精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生畫出p-V圖像，如圖3所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)壓強(qiáng)p和體積V反相關(guān)，無(wú)法得出精準(zhǔn)結(jié)論。此時(shí)，觀察圖像和數(shù)據(jù)，總結(jié)規(guī)律，能否考慮到畫p-1/V圖像，將是學(xué)生鍛煉數(shù)據(jù)處理能力的一種考驗(yàn)。

如圖4所示，引導(dǎo)學(xué)生畫出p-1/V圖像后，可以追問(wèn)學(xué)生為何圖像沒(méi)有過(guò)原點(diǎn)？這又將是鍛煉學(xué)生結(jié)合數(shù)據(jù)和實(shí)際情況、提升數(shù)據(jù)處理能力和思維能力的一種好的途徑。（修正了注射器和傳感器連接處被忽略的體積后，就可以使圖像精準(zhǔn)地過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)）

合理規(guī)劃，建學(xué)科融合課程

1.加強(qiáng)交流與合作，合理規(guī)劃課程

在學(xué)科融合教學(xué)中以學(xué)生為主體，教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)制度需要充分考慮學(xué)生現(xiàn)狀。融合的課堂需要信息技術(shù)能力的支撐，在進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)時(shí)，要科普與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的信息技術(shù)知識(shí)，展示信息技術(shù)的魅力。

物理課堂教學(xué)要善于利用信息技術(shù)，使課堂更加趣味化、生動(dòng)化，需要物理教師和信息技術(shù)教師加強(qiáng)交流與合作，主動(dòng)學(xué)習(xí)信息技術(shù)相關(guān)知識(shí)，提升個(gè)人信息技術(shù)應(yīng)用能力和技術(shù)水平。教師也要合理規(guī)劃課程，通過(guò)信息技術(shù)與物理學(xué)科的融合，提升教學(xué)質(zhì)量。

2.注重實(shí)踐與積累，提煉融合要點(diǎn)

融合需要實(shí)踐，更需學(xué)習(xí)積累。強(qiáng)化學(xué)科教學(xué)探索，注重創(chuàng)新性，營(yíng)造開(kāi)放性學(xué)習(xí)氛圍，以學(xué)生為主體，注重創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。信息技術(shù)和物理學(xué)科的深度融合是一種學(xué)科融合發(fā)展的創(chuàng)新教育教學(xué)形式，也是學(xué)科協(xié)同發(fā)展的教學(xué)理念。更新教學(xué)理念的同時(shí)，更需要關(guān)注信息技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展。新技術(shù)的發(fā)展能夠促進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)課程的改革，同時(shí)為物理實(shí)驗(yàn)環(huán)境創(chuàng)造更多的可能，為學(xué)生終身學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

信息技術(shù)對(duì)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的變革具有重要影響。課程融合的亮點(diǎn)是利用信息技術(shù)營(yíng)造一種新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境;課程融合的手段是從教學(xué)理念、教學(xué)方式、教學(xué)實(shí)踐等多個(gè)維度進(jìn)行融合;課程融合的目標(biāo)是學(xué)科聯(lián)動(dòng)、統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，共同提高教學(xué)質(zhì)量。在不斷的實(shí)踐與探索中推進(jìn)技術(shù)與課堂的融合研究走向縱深，為學(xué)生今后生活和工作做準(zhǔn)備，使學(xué)生養(yǎng)成終身發(fā)展所需的必備品格與關(guān)鍵能力，形成學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

中華人民共和國(guó)教育部.普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）[M].北京： 人民教育出版社，2017.

中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）[M].北京： 人民教育出版社，2017.