基于信息技術(shù)2.0的提高物理實驗教學(xué)可視化研究

曾開坤

摘 要：物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，物理實驗是考試中重要的考查內(nèi)容。所以，物理實驗教學(xué)是物理教學(xué)中重要部分。針對教學(xué)中不少物理現(xiàn)象不夠明顯、學(xué)生難以觀察等問題，借助國家推行的信息技術(shù)2.0，文章談?wù)勗谖锢韺嶒灲虒W(xué)中，基于信息技術(shù)2.0手段的提高，提出物理實驗教學(xué)可視化的方法。

關(guān)鍵詞：信息技術(shù)；物理實驗；可視化

作為一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，物理實驗教學(xué)在物理課程中無疑是重要的一環(huán)。很多物理知識、自然規(guī)律都是通過物理實驗得出的，所以物理實驗是學(xué)生在學(xué)習(xí)物理的過程中，形成物理概念、掌握物理規(guī)律的重要手段。物理實驗還可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生觀察能力、培養(yǎng)學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力等。在中考試題設(shè)置中，實驗題的分數(shù)是各大題型中占比最高的。所以，無論是從素質(zhì)教育方面，還是從應(yīng)試教育的角度，開展好物理實驗教學(xué)都具有重要的意義。

在實驗教學(xué)中，觀察實驗現(xiàn)象是學(xué)生要做的第一件事情。所以，能清晰地讓學(xué)生觀察到實驗現(xiàn)象，是衡量一個實驗是否成功的第一前提。但是我們在開展實驗教學(xué)的過程中，由于場地條件的限制、實驗器材的缺陷、實驗現(xiàn)象本身難以觀察等原因，影響到學(xué)生對實驗現(xiàn)象的觀察。所以，在教學(xué)過程中提高實驗教學(xué)的可視化非常有必要。信息技術(shù)的發(fā)展，有利于提高實驗教學(xué)的可視化。

一、化遠為近，化小為大，讓每個角落的學(xué)生都能清晰觀察

物理實驗教學(xué)中，演示實驗占了大多數(shù)。物理教師站在講臺上進行演示實驗時，坐在課室中后段的學(xué)生，基本上很難看清楚實驗現(xiàn)象，如果實驗中用到測量儀器，即使是前排的學(xué)生，也難以看清測量結(jié)果。利用智能設(shè)備和課室的一體機，配合應(yīng)用軟件，進行投屏直播就可以解決這個問題。例如，演示“探究水沸騰時溫度變化的特點”實驗，要求學(xué)生既要觀察水在加熱過程中氣泡的變化，又要記錄溫度。坐在第一排的學(xué)生尚能觀察到實驗現(xiàn)象，但溫度計的刻度太小，液柱太細，坐在后面的學(xué)生無法觀察到讀數(shù)，基本無法參與實驗。為了解決這個問題，筆者是這樣做的：分別在課室的一體機和智能手機或平板電腦上安裝好軟件“希沃白板5”，注冊賬號并在一體機和智能手機上同時登錄同一賬號，打開授課課件，在智能手機的移動授課模式下，使用傳屏功能，就可以對實驗進行實時直播。筆者可以通過調(diào)整手機攝像頭的角度、清晰度、鏡頭的遠近，讓實驗現(xiàn)象的細節(jié)呈現(xiàn)在課室電腦的大屏幕上，讓每個學(xué)生都能看得清清楚楚。需要對溫度計進行讀數(shù)時，再把鏡頭聚焦在溫度計上，記錄溫度的問題也迎刃而解。

二、化快為慢，化動為靜，看清實驗過程

有一些物理實驗，實驗過程比較快，實驗的時間比較短，實驗現(xiàn)象一閃而過，學(xué)生用肉眼比較難清楚觀察到實驗的現(xiàn)象。例如演示“壓縮氣體做功使它的內(nèi)能增加，點燃硝化棉”實驗時，從按壓活塞到硝化棉被點燃再到完全燃燒的過程發(fā)生在毫秒之間，一瞬而過。學(xué)生稍不留神就會錯過實驗現(xiàn)象，所以，學(xué)生雖然對這個實驗很感興趣，但是演示效果不佳，常常敗興而歸。筆者使用了錄像慢放的方法，很好地解決這個問題?，F(xiàn)在很多智能手機都有慢動作拍攝的功能，如華為Mate系列手機等。教師只需要在做演示實驗的過程中，利用智能手機的慢動作拍攝方式進行拍攝，然后上傳到課室的電腦播放即可。為了使實驗更有說服力，應(yīng)該在課堂上現(xiàn)場拍攝，即時播放。如果手機沒有慢動作拍攝功能，也可以設(shè)置手機錄像參數(shù)，將拍攝幀數(shù)設(shè)置到最大值。教師在演示實驗時，正常拍下實驗過程，再利用會聲會影、剪映或Pr等視頻剪輯軟件，制作出效果非常好的慢動作視頻。如果慢動作還不足以看清實驗現(xiàn)象，或者我們想對實驗的特定階段進行仔細觀察時，我們還可以用定格的方法，把實驗?zāi)骋凰查g固定下來。例如硝化棉的燃燒速度非?？?，如果想觀察到硝化棉燃燒產(chǎn)生的火焰，就可以把它燃燒時火焰最大的情景定格下來，無論用手機還是軟件都比較容易做到。

三、化真為假，突破條件限制

有一些物理實驗對實驗器材的高精度、實驗環(huán)境的要求等非常高，還有一些物理實驗危險程度比較高，一般學(xué)校的物理實驗室條件無法滿足時，可以利用計算機的虛擬技術(shù)，建立仿真實驗室，創(chuàng)造出一個可以探索物理現(xiàn)象和規(guī)律的虛擬環(huán)境。利用仿真實驗室，學(xué)生可以在一個比較安全、輕松的環(huán)境中完成物理實驗。仿真實驗室的優(yōu)點是實驗準備快捷、實驗數(shù)量多、有無限的試錯機會、實驗現(xiàn)象明顯、學(xué)生更容易觀察實驗演示等?，F(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出的仿真實驗室有力學(xué)仿真實驗室、電學(xué)仿真實驗室等，基本能滿足大部分實驗操作要求。電學(xué)實驗是物理教學(xué)的重要組成部分，是考試的重點內(nèi)容。學(xué)生利用實驗室的元件做電學(xué)實驗時，容易出現(xiàn)以下的問題：1. 連接電路時，經(jīng)常出現(xiàn)接線柱接觸不良，電器元件虛焊等問題，導(dǎo)致電路無法接通。2. 干電池使用次數(shù)多了以后，內(nèi)阻變大，難以調(diào)出實驗所需要的電壓值。3. 靈敏度比較高的實驗儀器容易因為操作錯誤而損壞，例如電流表、電壓表等。4. 有些電學(xué)實驗由于有一定的危險性，如家庭電路短路現(xiàn)象，不適合直接在課室或?qū)嶒炇已菔尽?. 演示電路故障時，用實際電路會對各個元件都有損耗。這時，我們就可以使用電學(xué)仿真實驗室來完成實驗。仿真實驗室的缺點是實驗現(xiàn)象的虛擬性，可信度沒有真實實驗高。但考慮到現(xiàn)代信息技術(shù)的高速發(fā)展，核試驗都可以通過計算機進行虛擬實驗，可信度已經(jīng)大大提高，學(xué)生也會接受仿真實驗的結(jié)果。

四、化微觀為宏觀，化抽象為形象，助學(xué)生把知識立體化

物理實驗中有些理想化實驗是無法完成，如伽利略理想斜面實驗；有些微觀實驗只能看見宏觀現(xiàn)象而無法看到微觀的本質(zhì)，比如擴散現(xiàn)象、分子熱運動等；有些實驗是無法在學(xué)校的實驗室完成的，如核聚變、核裂變實驗；有些物理現(xiàn)象是無法用肉眼觀察，如電流、電磁波、聲波、磁場等。我們可以用動畫模擬實現(xiàn)物理實驗過程的可視化。用動畫模擬物理實驗的過程還常用于復(fù)習(xí)階段，用來解決因為時間緊，不能把所有實驗重新做一次的問題，提高復(fù)習(xí)效率。有一些抽象的物理現(xiàn)象，例如聲波，既難以觀察，又難以感知。筆者在做聲學(xué)實驗的時候就用了模擬示波器軟件將聲波呈現(xiàn)出來，實現(xiàn)了聲波的可視化。做法：從網(wǎng)絡(luò)上下載“模擬示波器”這個軟件并在電腦端安裝，電腦配備外置麥克風(fēng)，運行軟件，電腦就可以將麥克風(fēng)接收到的聲音以聲波的形式呈現(xiàn)出來。示波器除了可以呈現(xiàn)聲波的形狀，還可以用來探究聲音的音調(diào)、響度、音色三種特性的特點，通過觀察噪聲的波形，掌握噪聲和樂聲的概念，是一款功能強大的實驗輔助軟件。

五、化手動為自動，實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)可視化

有很多物理實驗，實驗數(shù)據(jù)比較難采集，或者采集的精度難以保證，或者處理數(shù)據(jù)比較繁瑣，但是利用信息技術(shù)，例如相關(guān)的軟件，配合各類傳感器，使得實驗結(jié)論能夠快速得出。九年級物理課本第十三章第3節(jié)比熱容中有一個拓展實驗，就是利用傳感器比較不同物質(zhì)的比熱容。實驗裝置通過溫度傳感器直接收集不同物質(zhì)的溫度變化數(shù)據(jù)，傳輸?shù)接嬎銠C，由配套的專門軟件，對數(shù)據(jù)進行分析，就可得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析圖像，快速比較出不同物質(zhì)比熱容的大小?，F(xiàn)在可以購買到紅外傳感器、聲波傳感器、光學(xué)傳感器等，在設(shè)計測量時間、速度等物理實驗都可以應(yīng)用。

總之，信息技術(shù)的發(fā)展，給我們開展物理實驗教學(xué)帶來了很大的幫助，使課堂效率更加高效，也還有很多技術(shù)可以讓我們?nèi)ド疃韧诰?，進一步用信息技術(shù)來優(yōu)化我們的實驗教學(xué)。另外，我們也應(yīng)該清楚，利用信息技術(shù)提高實驗教學(xué)效果也只是實驗教學(xué)中的一種輔助，學(xué)生動手，親身體驗實驗的過程是不可替代的。我們的目標應(yīng)該是充分利用現(xiàn)代化的信息技術(shù)，為學(xué)生創(chuàng)造更多的動手實驗機會。

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［*本文系廣東省基礎(chǔ)教育校本教研基地蓬江“一核雙翼八路徑”建設(shè)項目階段性研究成果］