運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)優(yōu)化初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)①

黃興國 陳美琴

(1.江蘇省泰興市實(shí)驗(yàn)初中教育集團(tuán),江蘇 泰州 225400;2.江蘇省南京市第二十九中學(xué)柳洲東路分校,江蘇 南京 210031)

《基礎(chǔ)教育課程改革綱要(試行)》要求:大力推進(jìn)信息技術(shù)在教學(xué)過程中的普遍應(yīng)用,促進(jìn)信息技術(shù)與學(xué)科課程的整合,逐步實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)方式、學(xué)生的學(xué)習(xí)方式、教師的教學(xué)方式和師生互動(dòng)方式的變革,充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì),為學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展提供豐富多彩的教育環(huán)境和有力的學(xué)習(xí)工具。數(shù)字化信息系統(tǒng)(Digital Information System,簡(jiǎn)稱DIS)能夠?qū)崟r(shí)記錄實(shí)驗(yàn)的過程,并且能把轉(zhuǎn)瞬即逝的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高效、直觀地記錄下來,以前不能做或做不好的一些實(shí)驗(yàn)都可以開展了。[1]

1 數(shù)字化信息系統(tǒng)簡(jiǎn)介

數(shù)字化信息系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)處理軟件組成,它可實(shí)時(shí)采集、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)結(jié)果以數(shù)字、圖像等形式顯示在屏幕上。傳感器對(duì)于初學(xué)者來說比較陌生,使用時(shí)也有許多困難,教師要以學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)為起點(diǎn),聯(lián)系生活實(shí)際設(shè)計(jì)具有實(shí)踐意義的研究性課題,激發(fā)他們探究的興趣。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是指使用數(shù)字化技術(shù)替代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和分析處理,從而形成新型的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。在初中物理教學(xué)中引入DIS,對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)物理有非常大的幫助作用,DIS非常適合具有理論性、科學(xué)性、實(shí)踐性的教學(xué)內(nèi)容。[2]DIS通過傳感器、數(shù)據(jù)采集器把非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),再通過計(jì)算機(jī)處理,以數(shù)字、圖像等形式顯示出來(圖1)。

圖1

DIS解決了初中物理實(shí)驗(yàn)中精確采集數(shù)據(jù)的難題,同時(shí)輔以相對(duì)完善的軟件系統(tǒng),可以開展利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材想做而又做不到的實(shí)驗(yàn)。例如,利用兩個(gè)聲傳感器可以在實(shí)驗(yàn)室里測(cè)出聲速,利用位移傳感器、光電門可以完整地呈現(xiàn)出小車做勻速直線運(yùn)動(dòng)的s-t和v-t圖像,利用電流傳感器和電壓傳感器可以描繪定值電阻和小燈泡的伏安特性曲線。DIS的運(yùn)用為學(xué)生開啟了一扇窗,使他們也感受到科技進(jìn)步所帶來的便利。

2 DIS的教學(xué)功能

2.1 實(shí)驗(yàn)過程“可視化”,有利于學(xué)生理解物理規(guī)律

DIS應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)的顯著特點(diǎn)是可運(yùn)用圖像法分析、處理數(shù)據(jù)。DIS可以捕捉瞬間變化的數(shù)據(jù),如探究作用力與反作用力時(shí),兩人用力傳感器相互對(duì)拉,當(dāng)甲把乙拉向自己一邊時(shí),我們常說“甲的力氣大”,那么是否意味著甲拉乙的力大于乙拉甲的力呢?用DIS可以同時(shí)顯示兩個(gè)力隨時(shí)間變化的圖像,學(xué)生可以直觀地發(fā)現(xiàn)兩者之間的關(guān)系(圖2)。

圖2

2.2 DIS數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大,利于學(xué)生分析物理過程

DIS能夠在短時(shí)間內(nèi)采集和處理大量的數(shù)據(jù),利用圖像來呈現(xiàn)物理量的變化過程,例如在探究冰和燭蠟的熔化的規(guī)律時(shí),利用溫度傳感器代替溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量,讓學(xué)生在定性與定量的分析相結(jié)合的基礎(chǔ)上來認(rèn)識(shí)物理規(guī)律,可以達(dá)成的效果如下:(1) 實(shí)時(shí)的、直觀的圖像呈現(xiàn)了物體熔化時(shí)溫度隨時(shí)間變化的現(xiàn)象,晶體熔化與凝固的溫度—時(shí)間圖像如圖3所示,燭蠟的熔化的溫度—時(shí)間圖像如圖4所示;(2) 由于這節(jié)課的重點(diǎn)并不在于培養(yǎng)學(xué)生讀數(shù)和描點(diǎn)作圖的能力,使用DIS后可以省去上述環(huán)節(jié),縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間,使學(xué)生專注于探尋規(guī)律,著重觀察、總結(jié)晶體和非晶體在熔化過程中溫度變化的特點(diǎn)。

圖3

圖4

2.3 DIS測(cè)量精度高,可以測(cè)量微小量

DIS實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比優(yōu)勢(shì)明顯,傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材測(cè)量精度有限,讀數(shù)誤差也相對(duì)較大。DIS配備了多種傳感器,所測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)值可直接顯示在電腦屏幕上,而且精度更高。如在“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件”實(shí)驗(yàn)中,產(chǎn)生的感應(yīng)電流較小,用電流計(jì)演示時(shí)學(xué)生不易觀察,我們可以用微電流傳感器顯示出微弱電流的變化(圖5、圖6),學(xué)生能深刻理解實(shí)驗(yàn)過程,得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

圖5

圖6

2.4 利用DIS可以節(jié)約課堂時(shí)間,給學(xué)生的自主探究提供充足的時(shí)間

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)探究的數(shù)據(jù)采集與處理占去了大量時(shí)間,沒有足夠的時(shí)間讓學(xué)生充分自由表達(dá)、質(zhì)疑和提問。而DIS實(shí)驗(yàn)由傳感器和數(shù)據(jù)采集器代替人讀取數(shù)據(jù),用計(jì)算機(jī)軟件取代手工方式記錄數(shù)據(jù),用計(jì)算機(jī)代替人腦對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析,使學(xué)生擺脫繁瑣的計(jì)算過程,按照學(xué)生探究的要求,將相關(guān)圖像直接顯示出來,從而讓學(xué)生能夠?qū)⒏嗟臅r(shí)間、精力用于設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、提出和驗(yàn)證猜想,有利于探究教學(xué)的實(shí)施。

3 DIS實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能

3.1 加強(qiáng)學(xué)生的交流與合作

傳統(tǒng)的分組實(shí)驗(yàn)容易出現(xiàn)“做的做、看的看”的現(xiàn)象,限于時(shí)間、空間、器材、觀察角度等條件,很難讓每個(gè)學(xué)生都能動(dòng)手體驗(yàn)。將DIS引入初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生可以明確分工、各司其職、完成實(shí)驗(yàn),還可以交換角色,有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)沉浸式體驗(yàn)。交流合作能夠真正地落到實(shí)處,比如,在注射器內(nèi)封閉一部分氣體,將壓強(qiáng)傳感器連接到注射器上(圖7),同組學(xué)生明確分工,向外推或向內(nèi)拉注射器的活塞,觀察壓強(qiáng)隨時(shí)間變化的圖像,可促進(jìn)學(xué)生理解推注射器活塞的過程類似于汽油機(jī)的壓縮沖程,松開活塞后的過程類似于汽油機(jī)的做功沖程,這樣就能方便地得出結(jié)論:汽油機(jī)壓縮沖程氣缸內(nèi)氣體壓強(qiáng)增大,做功沖程氣缸內(nèi)氣體壓強(qiáng)減小。這樣的合作過程提高了學(xué)生交流和合作的能力。

圖7

3.2 提高學(xué)生數(shù)形結(jié)合解決實(shí)際問題的能力

DIS應(yīng)用于初中物理實(shí)驗(yàn)可以拓展學(xué)生的思維,為學(xué)生提供創(chuàng)造性設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì),培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維,使學(xué)生體會(huì)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的重要性。

蘇教版初中物理教科書中 安排了“探究浮力產(chǎn)生的原因”的實(shí)驗(yàn),常規(guī)的實(shí)驗(yàn)器材無法直接測(cè)出物體上下表面的壓力差,只能通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出結(jié)論,實(shí)驗(yàn)探究浮于表面。我們可以引導(dǎo)學(xué)生利用DIS進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì):將兩個(gè)壓強(qiáng)計(jì)改裝后背對(duì)背粘在一起(圖8),再分別將兩個(gè)壓強(qiáng)計(jì)的橡皮管接入兩只壓強(qiáng)傳感器,將實(shí)驗(yàn)裝置浸入水中,上下移動(dòng),在電腦屏幕上就會(huì)有成對(duì)的圖像出現(xiàn)(圖9),學(xué)生根據(jù)圖像很快就可以找到浮力產(chǎn)生的原因。這樣的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新既可以提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力,又能夠提供大量的、實(shí)時(shí)的、直觀的、動(dòng)態(tài)的證據(jù)信息。

圖8

圖9

自制實(shí)驗(yàn)探究器材,可培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力,使學(xué)生主動(dòng)參與整個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過程,體會(huì)實(shí)驗(yàn)成功的成就感,從而激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的內(nèi)在動(dòng)機(jī)。因此,運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究,不僅是實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的一種創(chuàng)新,更是教學(xué)理念的變革。

4 結(jié)語

許多初中物理實(shí)驗(yàn)由于受到條件的限制,有時(shí)候并不能直觀地展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的整體面貌,特別是一些瞬間即逝的物理現(xiàn)象與過程,既難以觀察,也難以捕捉。而利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)就可以實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠以多種方式直觀地呈現(xiàn)出來,為改進(jìn)教學(xué)打開了新窗口,提供了新思路,教師應(yīng)該充分發(fā)揮數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)的優(yōu)勢(shì),揚(yáng)長(zhǎng)補(bǔ)短,努力提升初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。