數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)在初中物理教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用

張繼紅

（沈陽(yáng)市第一二六中學(xué)）

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》指出，物理學(xué)由實(shí)驗(yàn)和理論兩部分組成。物理實(shí)驗(yàn)是人類認(rèn)識(shí)世界的一種重要活動(dòng)，是進(jìn)行科學(xué)研究的基礎(chǔ)。學(xué)生經(jīng)歷過(guò)基本的科學(xué)探究過(guò)程，會(huì)受到科學(xué)精神的熏陶，提高科學(xué)素養(yǎng)，促進(jìn)全面發(fā)展。

數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)在國(guó)外較為普及，美國(guó)、日本、德國(guó)、英國(guó)、新加坡等國(guó)家的中學(xué)物理類教材中已頻繁出現(xiàn)應(yīng)用案例，成為學(xué)生科學(xué)探究的重要平臺(tái)。數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)是指采用數(shù)據(jù)采集器、電腦等多個(gè)終端設(shè)備、傳感器及各種配套輔助器材來(lái)完成物理教材中的實(shí)驗(yàn)。數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中存在一些只能定性無(wú)法定量的實(shí)驗(yàn)以及對(duì)一些微小或瞬間數(shù)據(jù)的測(cè)量不夠準(zhǔn)確等問(wèn)題，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)転榻鉀Q這些問(wèn)題發(fā)揮出重要作用。

一、數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)的主要應(yīng)用器材

（一）數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器是傳感器與計(jì)算機(jī)的接口。它的作用是把實(shí)驗(yàn)中各種傳感器輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并輸入到計(jì)算機(jī)中。采集器與計(jì)算機(jī)之間通過(guò)USB接口相連，具有優(yōu)異的兼容性、穩(wěn)定性和操作上的靈活性。

（二）實(shí)驗(yàn)箱

將物理教學(xué)相關(guān)儀器、部件、配件、文字資料等，經(jīng)過(guò)科學(xué)設(shè)計(jì)集成至一個(gè)箱體中，這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)備稱為實(shí)驗(yàn)箱，其便于攜帶、保管，用于課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)等。

（三）傳感器

傳感器的作用是把實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的各種非電信號(hào)（如力、位移、光強(qiáng)、PH值、電流等）轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)，并把這些電信號(hào)傳遞給采集器。

（四）數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)專用軟件

數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)軟件主要用于傳感器數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)表現(xiàn)與數(shù)據(jù)分析。軟件在數(shù)據(jù)表現(xiàn)上，提供了數(shù)據(jù)表格、數(shù)據(jù)曲線等表現(xiàn)形式，其操作簡(jiǎn)單，使用方便。

二、數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

（一）數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)具有顯性的教學(xué)功能

首先，數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)有利于全面推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)代化。數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)使數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)傳輸、實(shí)時(shí)記錄、實(shí)時(shí)繪圖、實(shí)時(shí)分析、實(shí)時(shí)分享等人類科學(xué)實(shí)驗(yàn)的夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)，使“科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)室”走進(jìn)普通的物理教學(xué)課堂。此外，教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、?shí)驗(yàn)結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的電子化，使得教學(xué)評(píng)價(jià)和教學(xué)指導(dǎo)模式更加現(xiàn)代化，從而可以進(jìn)一步促進(jìn)和優(yōu)化教學(xué)效果。

其次，數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)有利于彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足。以往傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中一些效果不好的、沒(méi)有辦法定量的、沒(méi)有辦法顯示的、沒(méi)有辦法分析的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)來(lái)做，往往能夠以可視的、可量的實(shí)驗(yàn)效果展現(xiàn)在學(xué)生面前，使物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率大大提升，這對(duì)于教師演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)都是大有裨益的。

最后，數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)有利于加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和原理的理解。由于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的結(jié)果非常直觀、精確，學(xué)生對(duì)許多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的直接觀察和定量記錄得以實(shí)現(xiàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的認(rèn)可度和把握性大大提高，能夠從傳統(tǒng)的“死記硬背”“照方抓藥”式的機(jī)械性學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸饬x的理解性、探究性學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)效率和效果也將隨之提高。

（二）數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)具有物理學(xué)科素養(yǎng)的培育價(jià)值

首先，數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)有助于培養(yǎng)學(xué)生的定量思維習(xí)慣。“定性—半定量—定量”是科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本途徑，也是實(shí)驗(yàn)研究逐步深入的必然過(guò)程。部分傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，定量實(shí)驗(yàn)手段的缺失制約了學(xué)生實(shí)驗(yàn)方法的創(chuàng)新，也制約了學(xué)生的定量思維發(fā)展。而采集高頻化、記錄自動(dòng)化、數(shù)據(jù)精確化、分析智能化、存儲(chǔ)便捷化的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)則可以彌補(bǔ)此類缺失，使學(xué)生養(yǎng)成定量思維的習(xí)慣。

其次，數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)有助于培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維、創(chuàng)造性思維?！肮び破涫拢叵壤淦鳌?，教育推動(dòng)科技發(fā)展，但科技成果需要及時(shí)反哺教育，否則教育會(huì)越來(lái)越落后于科技發(fā)展。數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)通過(guò)新的科技手段，使傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果得到了質(zhì)的提升，拓展了學(xué)生發(fā)散性思維、創(chuàng)造性思維的寬度和深度，能夠使學(xué)生的發(fā)散性思維、創(chuàng)造性思維得到開發(fā)和培養(yǎng)。

再次，數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)有助于培養(yǎng)學(xué)生的綜合探究能力。面臨問(wèn)題困境—提出科學(xué)假設(shè)—設(shè)計(jì)驗(yàn)證步驟—實(shí)施探究過(guò)程—重新假設(shè)—校正步驟—重新探究直到解決問(wèn)題，這是科學(xué)探究的基本模式，而探究教學(xué)的過(guò)程就是教會(huì)學(xué)生模擬科學(xué)家發(fā)現(xiàn)真理的過(guò)程。由于科學(xué)探究過(guò)程的難點(diǎn)在于實(shí)證，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為廣大師生提供了實(shí)證的機(jī)會(huì)和手段。數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)還為學(xué)生發(fā)展現(xiàn)代科技素養(yǎng)提供了契機(jī)，學(xué)生可以運(yùn)用各類傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦以及必要的實(shí)驗(yàn)配件等硬件，通過(guò)開放性的軟件進(jìn)行各類實(shí)驗(yàn)操作，提高實(shí)驗(yàn)的綜合性和現(xiàn)代化水平。

最后，數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)有助于培養(yǎng)學(xué)生合作學(xué)習(xí)的習(xí)慣。合作是現(xiàn)代人必備的基本素質(zhì)之一，學(xué)生的合作意識(shí)在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中會(huì)不斷強(qiáng)化。由于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)過(guò)程需要用到傳感器、數(shù)據(jù)采集器和電腦，而硬件及軟件的操作往往一個(gè)人難以實(shí)現(xiàn)，需要2人一組或者多人合作才能圓滿完成，這可讓學(xué)生體驗(yàn)到合作的重要性和樂(lè)趣。

三、數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用案例

（一）數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)在“聲音的特性”中的應(yīng)用

“聲音的特性”是人教版物理實(shí)驗(yàn)教材八年級(jí)上冊(cè)第一章第三節(jié)的教學(xué)內(nèi)容。本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)是在學(xué)習(xí)了聲音的產(chǎn)生與傳播的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生進(jìn)一步理解聲音、了解聲音現(xiàn)象的豐富多彩。本節(jié)課是研究聲音現(xiàn)象非常重要的一部分內(nèi)容，學(xué)生對(duì)音調(diào)、響度、音色等概念容易混淆，所以可用聲音傳感器采集聲音，讓學(xué)生通過(guò)聽、看、想、做等活動(dòng)，來(lái)感知聲音的特性，完成教學(xué)目標(biāo)。主動(dòng)性、獨(dú)立性、體驗(yàn)性、問(wèn)題性是現(xiàn)代學(xué)習(xí)方式的重要特征，基于此，結(jié)合教材要求和學(xué)生特點(diǎn)，本節(jié)課在探究音調(diào)、響度的影響因素時(shí)，可采用教師指導(dǎo)下的探究性教學(xué)方法。在教學(xué)中，教師應(yīng)創(chuàng)設(shè)合適的情境，激發(fā)學(xué)生的問(wèn)題意識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，協(xié)助學(xué)生歸納、理解，使剛剛接觸物理的學(xué)生既能發(fā)揮自主性又能避免盲目性。在學(xué)生對(duì)概念進(jìn)行理解和辨析時(shí)，教師可采用實(shí)驗(yàn)和多媒體相結(jié)合的教學(xué)方式。教學(xué)中，教師可通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境、演示探究，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)使用傳感器，掌握多種信息技術(shù)，使抽象的聲音教學(xué)變得生動(dòng)。為了完成本節(jié)課的聲音采集，我主要應(yīng)用了以下教學(xué)資源：聲音傳感器、不同頻率的音叉、小錘、架子鼓、小提琴、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)分析軟件等。在多媒體資源的使用方面，則以Powerpoint軟件、Realplay播放器、虛擬示波器軟件、視頻文件、音頻文件等進(jìn)行配合。

【實(shí)驗(yàn)過(guò)程】

首先，教師用情境導(dǎo)入法引出聲音的概念——播放五種不同的聲音，引起學(xué)生聽覺上的沖突，讓學(xué)生直觀地感受噪聲與樂(lè)音的區(qū)別，以方便學(xué)生理解樂(lè)音的定義。在此基礎(chǔ)上，教師提出樂(lè)音和噪聲的區(qū)別，從而引出這節(jié)課的主題——樂(lè)音的特征。為了讓學(xué)生對(duì)音調(diào)的概念有更清晰的認(rèn)識(shí)，教師找出兩名女同學(xué)唱歌，一個(gè)是女低音，一個(gè)是女高音，讓學(xué)生聽一聽這兩個(gè)聲音的區(qū)別。學(xué)生發(fā)現(xiàn)，聽覺上的區(qū)別無(wú)法用具體的東西來(lái)表征，因此還需要用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。于是，教師引導(dǎo)學(xué)生連接數(shù)據(jù)采集器和聲音傳感器，打開數(shù)據(jù)采集軟件，用大小相同的力敲擊不同頻率的音叉，從而采集到的不同頻率的聲音數(shù)據(jù)。學(xué)生根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)論，得出音調(diào)與頻率的關(guān)系圖像，并根據(jù)波形圖分析得出疏密程度不同的波形圖。（如圖1）

圖1

通過(guò)波形圖，教師可引導(dǎo)學(xué)生探究聲音的響度與振幅的關(guān)系：波形越密—振動(dòng)越快—頻率越高—音調(diào)越高；波形越稀—振動(dòng)越慢—頻率越低—音調(diào)越低。

為了讓學(xué)生感受到聲音是有大小的，教師可用情境導(dǎo)入法，引導(dǎo)學(xué)生用大小不同的力敲擊，通過(guò)波形圖，使學(xué)生得出響度的定義。（如圖2）

圖2

響度的定義：重敲架子鼓—聲音大—響度大；輕敲架子鼓—聲音小—響度小。

其次，教師引導(dǎo)學(xué)生連接聲音傳感器和數(shù)據(jù)采集器，采集同一個(gè)頻率音叉的聲音（同一個(gè)音叉，敲擊力的大小不同）。學(xué)生根據(jù)產(chǎn)生的波形，分析實(shí)驗(yàn)的波形圖，得出結(jié)論：聲音越大—振幅越大—響度越大；聲音越小—振幅越小—響度越小。

最后，教師引導(dǎo)學(xué)生探究音色的形成過(guò)程：用聲音播放器模擬鋼琴聲、葫蘆絲聲、吉他聲，用聲音傳感器去采集，從而形成不同的波形，根據(jù)波形圖分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論：不同的發(fā)聲體發(fā)出聲音的波形不同，音色不同，所以音色取決于發(fā)聲體本身。

（二）數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)在“水沸騰時(shí)的溫度變化規(guī)律”中的應(yīng)用

“探究水沸騰時(shí)的溫度變化規(guī)律”是人教版初中物理教材八年級(jí)上冊(cè)第三章第三節(jié)的熱學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖亲寣W(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)，知道水的沸點(diǎn)，讓學(xué)生經(jīng)歷用圖像法探究物理量變化規(guī)律的過(guò)程，理解液體沸騰的條件和特點(diǎn)，學(xué)會(huì)觀察，在實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。在探究“水沸騰時(shí)的溫度變化規(guī)律”的數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)中，需要用到如下器材：電腦（顯示屏）、數(shù)字化探究軟件、溫度傳感器、電加熱器、鐵架臺(tái)、燒杯、水。

【實(shí)驗(yàn)過(guò)程】

首先，連接好數(shù)字化探究軟件、溫度傳感器，連接好電加熱器和電源。

其次，用量杯量取適量的熱水，放在電加熱器上進(jìn)行加熱。

再次，溫度傳感器探頭放入水中，注意不要碰到容器底和容器側(cè)壁。

最后，點(diǎn)擊開始鍵，采集數(shù)據(jù)。注意給水加熱的過(guò)程中觀察水沸騰前和沸騰后的氣泡大小變化。

學(xué)生根據(jù)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)可以形成圖像分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：沸騰前水吸熱，溫度升高，在燒杯底部產(chǎn)生許多氣泡，氣泡在上升的過(guò)程中逐漸變小。水沸騰時(shí)水繼續(xù)吸熱，但是溫度不變，氣泡在上升的過(guò)程中逐漸變大）。液體沸騰的條件，達(dá)到一定的溫度，繼續(xù)吸熱。

該數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)比起傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，主要有以下改進(jìn)：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)傳輸、實(shí)時(shí)記錄、實(shí)時(shí)繪圖、實(shí)時(shí)分析、實(shí)時(shí)分享；教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、?shí)驗(yàn)結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告電子化、信息化；用電加熱器代替酒精燈，提高了熱效率，縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，加快了物理過(guò)程的變化，得出了更科學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

（三）數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)在探究“伏安法測(cè)電阻”中的應(yīng)用

“伏安法測(cè)電阻”是人教版初中九年級(jí)物理教材“部分電學(xué)”“歐姆定律”一章中的重點(diǎn)電學(xué)實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)用電流表電壓表做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，只能采集幾組數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行描點(diǎn)、連線形成圖像，得出規(guī)律。由于數(shù)據(jù)的讀取是非連貫的，學(xué)生只能讀取幾組，實(shí)驗(yàn)誤差較大。采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)完成探究過(guò)程則可以有效解決這些問(wèn)題。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的原理是通過(guò)I=U/R得出R=U/I。

為了高精度完成此次實(shí)驗(yàn)，我使用了如下器材：計(jì)算機(jī)、數(shù)字化系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)采集器、電壓傳感器、電流傳感器、滑動(dòng)變阻器、待測(cè)電阻、導(dǎo)線。電壓傳感器、電流傳感器與傳統(tǒng)的電壓表、電流表一樣使用，用紅色鱷魚夾接正極，用黑色鱷魚夾接負(fù)極，與電學(xué)實(shí)驗(yàn)板上的紅色接線柱、黑色接線柱相對(duì)應(yīng)。傳感器使用前，先調(diào)零，在使用過(guò)程中，應(yīng)注意電壓和電流不要超過(guò)傳感器的量程。

【實(shí)驗(yàn)過(guò)程】

首先，連接計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器及電壓傳感器、電流傳感器。如圖3所示，將電流傳感器、待測(cè)電阻、滑動(dòng)變阻器、學(xué)生電源、開關(guān)組合成串聯(lián)電路（斷開），將電壓傳感器并聯(lián)在待測(cè)電阻的兩端。

圖3

其次，打開軟件系統(tǒng)中的自動(dòng)識(shí)別傳感器，選擇菜單欄中的“實(shí)驗(yàn)配置—采集參數(shù)—手動(dòng)記錄”，然后點(diǎn)擊“確定”。點(diǎn)擊菜單欄“實(shí)驗(yàn)控制”，選擇“調(diào)零”，選中電流、電壓傳感器，然后點(diǎn)擊“確定”。右擊數(shù)據(jù)列表，選擇“增加數(shù)據(jù)列”，在“名稱”中輸入R，在“單位”中輸入Ω，在分類中選擇“計(jì)算項(xiàng)”，并輸入表達(dá)式U/I。

打開學(xué)生電源，閉合電路，點(diǎn)擊“開始”，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，點(diǎn)擊“記點(diǎn)”。

最后，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的阻值，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后點(diǎn)擊“記點(diǎn)”，采集到多組數(shù)據(jù)。（如表1）。

表1滑動(dòng)變阻器阻值數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確度較傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有大幅提高，數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定，能夠把獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)快速生成圖形、表格及實(shí)驗(yàn)報(bào)告，方便完成多組數(shù)據(jù)在同一圖形界面進(jìn)行對(duì)比分析。此外，數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)對(duì)于學(xué)習(xí)的主體——學(xué)生來(lái)說(shuō)，能同時(shí)觀察測(cè)量過(guò)程與繪圖分析過(guò)程的同步，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率。