數(shù)字化技術(shù)在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

在義務(wù)教育階段，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅承擔(dān)著傳授科學(xué)知識(shí)的任務(wù)，更是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)邏輯思維和實(shí)踐能力的重要途徑?！读x務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確指出，學(xué)生應(yīng)了解流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系及其在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材在測(cè)量和觀察方面存在局限，造成學(xué)生難以直觀感受和理解這些物理概念。數(shù)字化技術(shù)的引入，為突破這一教學(xué)瓶頸提供了新的思路。筆者以“飛機(jī)機(jī)翼升力實(shí)驗(yàn)”為例，結(jié)合自制飛機(jī)機(jī)翼升力演示實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，介紹初中物理實(shí)驗(yàn)數(shù)字化教學(xué)方法，探究如何利用數(shù)字化技術(shù)提升教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

一、教材分析與教學(xué)難點(diǎn)解析

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》強(qiáng)調(diào)學(xué)生需掌握流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系，并理解其在生活中的應(yīng)用。本節(jié)內(nèi)容涵蓋“流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系”和“飛機(jī)的升力”。教學(xué)的核心在于梳理流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系，讓學(xué)生掌握飛機(jī)升力概念是教學(xué)的難點(diǎn)。學(xué)生對(duì)于流體壓強(qiáng)與流速的聯(lián)系缺乏生活經(jīng)驗(yàn)。教材借助“吹紙”實(shí)驗(yàn)引入新課^[1]，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前預(yù)測(cè)紙條的運(yùn)動(dòng)情況并陳述理由?；趯?duì)大氣壓強(qiáng)的初步認(rèn)識(shí)，學(xué)生會(huì)認(rèn)為紙條上下兩側(cè)的大氣壓相等，紙條不會(huì)運(yùn)動(dòng)，或者根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為紙條會(huì)因前方吹氣而向后方飄動(dòng)，結(jié)合重力作用，預(yù)測(cè)紙條會(huì)向下運(yùn)動(dòng)。然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果出乎學(xué)生意料——紙條向上運(yùn)動(dòng)。學(xué)生分析這一現(xiàn)象，可以了解到吹氣后紙條上、下表面受力的變化，從而推斷出上方氣壓減小（如圖1）。教師借此引導(dǎo)學(xué)生提出問題，并從多個(gè)實(shí)驗(yàn)中總結(jié)規(guī)律，理解流體壓強(qiáng)與流速關(guān)系。

在理解流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系后，學(xué)生需進(jìn)一步認(rèn)識(shí)飛機(jī)機(jī)翼的特殊造型，并分析升力產(chǎn)生的原因，這對(duì)他們來說是一個(gè)較大的挑戰(zhàn)。由于缺乏可靠的測(cè)量流體壓強(qiáng)的手段，學(xué)生通常只能分析現(xiàn)象進(jìn)而推理壓強(qiáng)與流速的關(guān)系。若能讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并測(cè)量流經(jīng)機(jī)翼的氣流流速、機(jī)翼表面壓強(qiáng)、升力數(shù)據(jù)，驗(yàn)證教材中的理論與公式，將抽象概念具體量化，這將有助于加深學(xué)生對(duì)流體壓強(qiáng)與流速關(guān)系的理解。這樣不僅可以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性，還能培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)觀察、數(shù)據(jù)分析和科學(xué)推理能力，實(shí)現(xiàn)從被動(dòng)接受知識(shí)到主動(dòng)探索知識(shí)的轉(zhuǎn)變。

用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)器材做實(shí)驗(yàn)難以采集流經(jīng)機(jī)翼的氣流流速、機(jī)翼表面壓強(qiáng)、升力等數(shù)據(jù)。為了解決這一問題，筆者采用數(shù)字化技術(shù)自制了一套飛機(jī)機(jī)翼升力演示裝置（如圖2），包括機(jī)翼模型和風(fēng)洞系統(tǒng)。定制機(jī)翼采用EPP*XPS擠硬塑板材質(zhì)。為了獲得快速且穩(wěn)定的氣流以滿足精確數(shù)據(jù)測(cè)量的需求，使用了3kW的大型離心風(fēng)機(jī)作為風(fēng)源，并借助外接調(diào)速器調(diào)節(jié)風(fēng)速。筆者將風(fēng)機(jī)出口與有機(jī)玻璃管連接，構(gòu)建成一套風(fēng)洞系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)過程中，操作者將不同規(guī)格的機(jī)翼配件放置于有機(jī)玻璃管內(nèi)，并配合數(shù)字測(cè)量器材，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同數(shù)據(jù)的精確測(cè)量。

二、教學(xué)過程與關(guān)鍵環(huán)節(jié)的精細(xì)化設(shè)計(jì)

筆者利用自制的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)器材，按照以下步驟開展飛機(jī)機(jī)翼升力部分的教學(xué)（如圖3）。

（一）測(cè)量機(jī)翼上下表面氣流的流速

氣流流經(jīng)機(jī)翼的情況通常不可見，學(xué)生難以直觀理解“飛機(jī)機(jī)翼上下表面的氣流同時(shí)從機(jī)翼前方出發(fā)，同時(shí)到達(dá)機(jī)翼后方，時(shí)間相同，因此上表面氣流速度較大，下表面氣流速度較小”的原理，這是推導(dǎo)的難點(diǎn)。為此，筆者采用HT-9829熱敏式風(fēng)速儀測(cè)量機(jī)翼上下表面的氣流流速，引導(dǎo)學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)以驗(yàn)證理論推導(dǎo)。在風(fēng)洞中固定飛機(jī)機(jī)翼模型并接通電源，使氣流沿機(jī)翼表面流動(dòng)，通過風(fēng)洞側(cè)壁小孔將風(fēng)速儀探頭分別置于機(jī)翼上下表面，測(cè)量氣流流速。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，機(jī)翼上表面的氣流速度為12.30m/s，下表面為9.02m/s，上表面氣流流速大于下表面。這一實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)強(qiáng)有力地支持了教材中關(guān)于機(jī)翼形狀影響氣流速度的理論分析，驗(yàn)證了其正確性。

（二）測(cè)量機(jī)翼上下表面的壓強(qiáng)數(shù)據(jù)

在探討“飛機(jī)的升力”之前，我們已經(jīng)得出“在氣體和液體中，流速越大的位置壓強(qiáng)越小”的結(jié)論。鑒于上一個(gè)實(shí)驗(yàn)已測(cè)得機(jī)翼上表面氣流流速大于下表面，筆者引導(dǎo)學(xué)生思考機(jī)翼上表面與下表面的壓強(qiáng)關(guān)系，并利用壓強(qiáng)數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)證。該裝置基于51單片機(jī)系統(tǒng)，使用BPM180氣壓傳感器在機(jī)翼上下表面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在1602液晶屏上。BPM180氣壓傳感器具有高精度、快響應(yīng)、體積小的特點(diǎn)，對(duì)機(jī)翼表面氣流流動(dòng)的影響降到最低。

實(shí)驗(yàn)前，液晶屏顯示機(jī)翼上下表面的氣壓值均為100.59kPa，表明機(jī)翼上下表面的壓強(qiáng)相等。接通風(fēng)機(jī)電源后，氣流沿機(jī)翼上下表面流動(dòng)，機(jī)翼上下表面的氣壓值分別變化為100.33kPa和100.44kPa，顯示機(jī)翼上表面氣壓小于下表面氣壓。

（三）測(cè)量機(jī)翼的受力情況

機(jī)翼上下表面存在的壓強(qiáng)差導(dǎo)致壓力差，筆者利用自制數(shù)字測(cè)力計(jì)進(jìn)行測(cè)量。該測(cè)力計(jì)基于51單片機(jī)系統(tǒng)，采用壓力傳感器采集數(shù)據(jù)，并借助hx71124位AD模塊進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，測(cè)量結(jié)果在1.5寸數(shù)碼管上顯示。同時(shí)，測(cè)力計(jì)配備箭頭數(shù)碼管指示力的方向，可直觀呈現(xiàn)測(cè)量結(jié)果。操作時(shí)，首先將機(jī)翼模型與壓力傳感器固定，正向水平放置在風(fēng)洞內(nèi)，并清零測(cè)力計(jì)。接通電源后，調(diào)節(jié)調(diào)速器增大氣流流速，數(shù)碼管示數(shù)隨氣流流速增大而增大。穩(wěn)定氣流流速后，測(cè)力計(jì)顯示升力為1.00N，箭頭顯示力的方向向上。反向放置機(jī)翼模型并重復(fù)操作，測(cè)得下壓力為0.73N。

此外，在筆者的提示下，學(xué)生調(diào)整氣流流速，還測(cè)量了機(jī)翼所受升力與重力的合力數(shù)值。數(shù)碼管示數(shù)為0表示機(jī)翼受升力與重力的合力為0N，即所受重力等于升力。繼續(xù)增大氣流流速，合力增至0.81N，方向向上，表明機(jī)翼所受重力小于升力。

（四）演示機(jī)翼模型的運(yùn)動(dòng)情況

筆者將飛機(jī)機(jī)翼模型正放于風(fēng)洞中并接通電源，調(diào)節(jié)調(diào)速器逐漸加大風(fēng)速。學(xué)生觀察到飛機(jī)機(jī)翼模型沿軌道上升，證實(shí)正放的飛機(jī)機(jī)翼因受到向上的升力而上升。

為檢測(cè)學(xué)生的理解程度，筆者將機(jī)翼模型反放于風(fēng)洞中，接通電源并逐漸加大風(fēng)速。學(xué)生發(fā)現(xiàn)機(jī)翼模型不會(huì)上升。此時(shí)，手動(dòng)上托機(jī)翼模型，可感受到明顯的下壓力，且風(fēng)速越大，下壓力越大。教師可借助此類實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生思考機(jī)翼模型作為汽車定風(fēng)翼的應(yīng)用問題，培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)遷移能力。

三、教學(xué)效果與育人價(jià)值顯著

為了客觀評(píng)估數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，筆者在兩個(gè)水平相當(dāng)?shù)陌嗉?jí)中實(shí)施了對(duì)比教學(xué)。針對(duì)一個(gè)班級(jí)采用傳統(tǒng)方法教學(xué)，讓學(xué)生用紙制作機(jī)翼模型，并用嘴吹氣使其懸空；針對(duì)另一個(gè)班級(jí)則采用本文所述的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的方法來教學(xué)。觀察結(jié)果表明，采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的班級(jí)學(xué)生展現(xiàn)出更高的學(xué)習(xí)積極性。他們不僅掌握了多種數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技巧來測(cè)量機(jī)翼升力，而且能夠利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持自己的假設(shè)，并深入探究物理現(xiàn)象的本質(zhì)。

令人欣喜的是，課堂教學(xué)結(jié)束后，學(xué)生提出了許多有趣的問題，并主動(dòng)利用實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行探索。例如，一位學(xué)生詢問風(fēng)洞的最高風(fēng)速，并使用風(fēng)速儀測(cè)量，發(fā)現(xiàn)最高風(fēng)速可達(dá)120km/h。另一位學(xué)生則好奇在時(shí)速120km/h的敞篷跑車中吹風(fēng)的感受。筆者隨即讓學(xué)生站在風(fēng)洞出風(fēng)口前親身體驗(yàn)。這些愉快的探究體驗(yàn)促進(jìn)了學(xué)生創(chuàng)造性思維的發(fā)展。

筆者開展這一系列教學(xué)活動(dòng)，讓學(xué)生不僅深刻理解了流體力學(xué)的基本原理，而且在邏輯推理和模型建構(gòu)能力上得到了提升，為科學(xué)思維的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)^[2]。尤為重要的是，用這種方法教學(xué)極大地激發(fā)了學(xué)生對(duì)科學(xué)技術(shù)的興趣和探索欲望，培養(yǎng)了學(xué)生尊重科學(xué)、勇于創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度，為提升他們的科學(xué)素養(yǎng)和綜合能力提供了有力支持。

筆者自制的飛機(jī)機(jī)翼演示實(shí)驗(yàn)裝置，整合了風(fēng)洞、風(fēng)速儀、自制氣壓計(jì)、自制數(shù)字測(cè)力計(jì)等多種實(shí)驗(yàn)器材和技術(shù)，是一套綜合性的演示裝置。借助該裝置使學(xué)生深入理解飛機(jī)機(jī)翼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。學(xué)生利用裝置中的風(fēng)速儀提供的機(jī)翼上下表面的風(fēng)速數(shù)據(jù)，以及氣壓傳感器直觀呈現(xiàn)的機(jī)翼上下表面的氣壓差異，深刻認(rèn)識(shí)到氣壓變化對(duì)飛機(jī)升力的影響。最終，筆者利用自制的數(shù)字測(cè)力計(jì)，將合力的大小和方向直觀呈現(xiàn)給學(xué)生，結(jié)合飛機(jī)機(jī)翼模型在導(dǎo)軌上的運(yùn)動(dòng)情況，有效闡釋了與飛機(jī)機(jī)翼產(chǎn)生升力相關(guān)的物理原理。顯然，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)突破了傳統(tǒng)物理教學(xué)的局限，為解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的問題提供了新的思路和方法。未來，筆者將繼續(xù)探索數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用，以期進(jìn)一步提高教學(xué)效果。

注：本文系人民教育出版社課程教材研究所2021年立項(xiàng)課題“義務(wù)教育教科書物理實(shí)驗(yàn)優(yōu)化研究”（課題批準(zhǔn)號(hào)：KC2021-008、KC2021-010）項(xiàng)目研究成果。

參考文獻(xiàn)

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.義務(wù)教育教科書物理八年級(jí)上冊(cè)[M].北京：人民教育出版社，2012.

[2]中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育課程方案：2022年版[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

（作者系廣東省廣州市廣園中學(xué)高級(jí)教師）

責(zé)任編輯：祝元志