“下沉物體是否受浮力”數(shù)字化實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新開(kāi)發(fā)

◇寧洪岺 張 超（山東：聊城東昌府區(qū)教育和體育局 東昌府區(qū)東關(guān)民族小學(xué)）

2022年4月，教育部頒布了新修訂的義務(wù)教育課程方案和科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)。課標(biāo)提出，教師應(yīng)利用信息技術(shù)輔助手段，如虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)等，讓學(xué)生比較直觀便捷地學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。學(xué)校與教師還應(yīng)關(guān)注數(shù)字化教材、音像資料、多媒體軟件等資源的開(kāi)發(fā)與使用。

5月，為貫徹落實(shí)《教育部關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見(jiàn)》（教基〔2019〕16 號(hào)）和《山東省教育廳關(guān)于加強(qiáng)新時(shí)代學(xué)生創(chuàng)新素養(yǎng)培育體系建設(shè)的意見(jiàn)》（魯教辦字〔2021〕2 號(hào)）精神，山東省聊城市組織了第一屆小學(xué)科學(xué)教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力大賽，其中一項(xiàng)內(nèi)容是“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及操作”，分為常規(guī)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及操作。通過(guò)參加比賽查閱資料，筆者了解到數(shù)字化實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新了實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施形式，合理使用這些資源，有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣，提高教學(xué)活動(dòng)的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過(guò)綜合運(yùn)用觀察、觀測(cè)、模擬、體驗(yàn)、設(shè)計(jì)等多種方式，促進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的有機(jī)融合，切實(shí)增強(qiáng)了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趣味性和吸引力，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效果。下面，筆者針對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)項(xiàng)目中“下沉物體是否受浮力”實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)展開(kāi)剖析，希望有助于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備的推廣使用。

一、軟件界面開(kāi)發(fā)

對(duì)于“下沉物體是否受浮力”實(shí)驗(yàn)，我采用了圖形化編程軟件“慧編程”軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)界面的布局，共分為按鈕區(qū)、數(shù)據(jù)展示區(qū)、數(shù)據(jù)記錄區(qū)、測(cè)力模擬區(qū)、結(jié)論區(qū)5個(gè)部分。

二、硬件部分

本次實(shí)驗(yàn)除了軟件部分，還需要智能主板及部分常規(guī)實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行補(bǔ)充，具體如下：鐵架臺(tái)、升降架、彈簧測(cè)力計(jì)、燒杯、重物、帶智能芯片的超聲波傳感器、帶擋板的激光筆等。以下是完整實(shí)物展示圖：

三、實(shí)驗(yàn)原理

由于擋板上固定有激光筆，且激光筆可指出彈簧測(cè)力計(jì)上指針的示數(shù)，所以，通過(guò)超聲波傳感器發(fā)出和接收超聲波可感知擋板的高度，從而實(shí)時(shí)反饋給計(jì)算機(jī)端編寫好的程序。再通過(guò)一系列程序算法，把測(cè)出的高度換算成力的大小，就可以知道重物在水中浮力的大小了。

四、操作步驟

（一）搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境

把帶有擋板的激光筆固定在鐵架臺(tái)上。

將調(diào)零完畢的彈簧測(cè)力計(jì)固定在鐵架臺(tái)支架上。

把連有智能主板的超聲波傳感器豎直向上放在桌上。

（二）測(cè)量重物在空氣中的重量

把重物懸掛在彈簧測(cè)力計(jì)上，用激光筆標(biāo)記彈簧測(cè)力計(jì)讀數(shù)。點(diǎn)擊程序界面中的“記錄”按鈕，記錄該重物在空氣中的重量。為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)論更加科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，需點(diǎn)擊三次“記錄”按鈕，并通過(guò)點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕，求出并記錄讀數(shù)的平均值。

（三）測(cè)量把該重物的一半浸入水中的重量

把重物懸掛在彈簧測(cè)力計(jì)上，調(diào)整升降架使重物一半浸入水中，用激光筆標(biāo)記彈簧測(cè)力計(jì)讀數(shù)。點(diǎn)擊“記錄”按鈕，記錄該重物的一半浸入水中的重量。同樣，為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需點(diǎn)擊三次“記錄”按鈕，并通過(guò)點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕，求出并記錄讀數(shù)的平均值。

（四）測(cè)量把該重物全部浸入水中的重量

把重物懸掛在彈簧測(cè)力計(jì)上，調(diào)整升降架，使重物全部浸入水中，但不要接觸杯底，用激光筆標(biāo)記彈簧測(cè)力計(jì)讀數(shù)。點(diǎn)擊“記錄”按鈕，記錄該重物全部浸入水中時(shí)的重量。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需點(diǎn)擊三次“記錄”按鈕，并通過(guò)點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕，求出并記錄下該種情況下測(cè)力計(jì)讀數(shù)的平均值。

五、編程展示

（一）建立兩個(gè)變量和四個(gè)列表，用于存放數(shù)據(jù)

（二）主板程序

（三）數(shù)據(jù)展示區(qū)部分代碼

（四）彈簧模擬區(qū)部分代碼

（五）按鈕區(qū)部分代碼

六、數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)比第1 個(gè)數(shù)據(jù)和第2、3 個(gè)數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)，彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)變小了，說(shuō)明該重物在下沉的過(guò)程中受到了水的浮力。

對(duì)比第2個(gè)數(shù)據(jù)和第3個(gè)數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)，物體全部浸入時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)比浸入一半時(shí)更小了，說(shuō)明全部浸入與浸入一半相比，物體所受到的水的浮力變大了。

七、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

對(duì)比重物在空氣中受到的重力，得知下沉物體受到浮力；物體下沉部分的體積越大，受到的浮力越大。

八、實(shí)驗(yàn)反思

本次數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與信息技術(shù)學(xué)科聯(lián)系密切，使用了圖形化編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的數(shù)字化顯示，這對(duì)于教師及中高年段學(xué)生來(lái)講，都是一件新事物，可能剛開(kāi)始接觸時(shí)會(huì)有些不適應(yīng)，但熟悉流程之后，在使用的過(guò)程中，學(xué)生能懷著激情與興趣進(jìn)行探索，完成本次實(shí)驗(yàn)的探索，從而完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以讓很多常規(guī)實(shí)驗(yàn)變不可見(jiàn)為可見(jiàn)、變定性為定量、變不可能為可能，使教師轉(zhuǎn)變教學(xué)方法、讓學(xué)生轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式，從而徹底讓傳統(tǒng)型實(shí)驗(yàn)質(zhì)變?yōu)閿?shù)字化實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)還有很多優(yōu)勢(shì)，對(duì)于我們這些奮斗在一線、對(duì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)始終懷著飽滿熱情的教師來(lái)說(shuō)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)還有很長(zhǎng)的路要走。我們要積極推動(dòng)信息技術(shù)與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，以數(shù)字支撐實(shí)驗(yàn)，改變學(xué)生的思維方式，幫助學(xué)生逐步養(yǎng)成用數(shù)字說(shuō)話的意識(shí)，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。