合理利用数字化实验技术努力提升物理核心素养

摘 要：数字传感器技术已经广泛应用于高中物理课堂教学中，本文基于笔者的教学实践，尝试将该技术引入初中课堂，在“熔化与凝固”一节学习中，作为学生物理探究的认知工具来合理使用。对培养学生科学的研究方法和严谨的探究精神，进而努力提升物理核心素养做出初步探索。

关键词：数字化；传感器；核心素养；熔化；实验

一、 背景

随着数字化传感器技术不断发展，传感器技术已经广泛应用于高中物理课堂教学中。但很多教师仅仅只是把传感器当成精密的测量工具，而没有把它作为学生物理探究的认知工具来合理使用，尤其在初中课堂，仍然局限于较为粗糙的测量工具和低效的实验操作。研究如何在初中物理课堂中合理使用传感器技术，改进课堂教学模式、优化物理教学设计，培养学生科学的研究方法和严谨的探究精神，进而努力提升物理核心素养是有意义的课题。本文基于笔者的教学实践，探索如何在物理课堂中合理利用传感器技术实现学生物理观念的建立、科学思维的培养、科学探究的经历、科学态度与责任的体验。

二、 思考

物理是一门以实验为基础的科学，尤其在初中阶段做好物理分组实验，对激发学生的兴趣、提高学生的操作技能、培养学生的探究能力、养成科学的思维方式、形成严谨的科学态度和科学精神等，都有极其重要的作用。“探究冰的融化特点”是苏科版八年级物理继“水的沸腾”后，又一个重要的探究物理規律的实验。由于众多因素的影响，该实验一直作为演示实验来操作。同时，在分析实验数据时，延续了上一个实验“水的沸腾”的方法和步骤，即记录时间和温度值，通过描点画线的方法，作出温度随时间变化的图像，从中找出晶体和非晶体在熔化过程中的特点。这个过程中存在数据误差大、收集慢、效率低等问题，使得一节课只能完成熔化研究实验，而凝固这一过程只能够口头叙述或视频代替，更不用说做学生分组实验了。基于上述原因，笔者引入数字化实验器材，并改进实验装置，以适应学生分组实验的要求，且简化了数据采集和分析处理过程，大大提高了课堂效率，同时也培养了学生科学的思维探究等能力，对提升学生物理核心素养做出了尝试。

三、 改进和操作

1. 引入数字化传感器，因为其具有以下特点：（1）强大的数据采集能力；（2）灵活的数据处理能力；（3）便利的开放互动式系统等。本实验使用了温度传感器，其温度探头位于针状合金棒的顶端，使用时和普通液体温度计类似，符合学生所学习的温度计使用要点，所以对学生而言不存在使用上的困难。本实验采用朗威DISLab LW-T803系列温度传感器（-50℃～+200℃）及配套数据采集器，软件版本V8.0。

2. 在直径为1cm的玻璃试管中倒入1～2mL的水，放入-10℃的冰盐水中，将温度传感器的感温部分插入水中合适位置，静等1分钟左右，待凝固后取出，放入冷冻室备用。

3. 器材从实验室拿到教室时，可用保温杯放入适量的浓盐水，将冻有温度传感器的试管放入其中，可保持其温度在-7℃左右。

4. 将温度传感器接入电脑后，再将试管固定在试管夹上，操作简便快捷。数据开始采集时，起始温度可以从-6℃左右开始记录。视环境温度高低，30到40秒后温度就可升高到0℃左右，并开始保持不变。5分钟左右就可完成冰熔化时的温度记录和现象的观察。（如图）

5. 还可以将石蜡的熔化实验同步进行，在两个窗口中实时展示温度变化曲线，显示出两者的温度变化不同特点。教师做演示实验的话，可控制在5分钟以内；学生做分组实验的话，可控制在10分钟到15分钟之内，实验的操作、数据的记录、最后结果的分析都可完成。

6. 借用装有冰冻浓盐水的保温杯还可完成凝固实验，极大地提高了学生对熔化和凝固过程的完整认识。

四、 反思和评价

1. 温度传感器灵敏度高且数据记录的精确度可调整，记录温度的时间间隔也可以进行调整。通过软件的调整，还可以将晶体和非晶体温度图像变化，放在一个平面直角坐标系或两个平面直角坐标系内进行比较，非常灵活。在处理稍许误差时也很方便，可以用拟合曲线进行一次函数或二次函数图像的拟合。

2. 利用该装置还可以进行课后的延伸拓展探究，例如：水中混有杂质（盐水或糖水）以后的熔点或凝固点的变化情况；盐水浓度对水的熔点和凝固点变化的影响；冰的比热容和水的比热容的变化。

3. 虽说初中课堂以体验基础探究为主，学生必须知道数据是如何采集的，如何分析的，但是教材的上一个分组实验“研究水的沸腾”，已经完整地经历了该过程，在本实验中再次经历这个过程，就显得比较累赘，并且降低了课堂效率。为提高学生的物理核心素养，可以将重复单调的数据收集和记录工作，交由计算机辅助系统完成，而学生就可将精力集中于对数据的分析、推理、整合等方面，并从中归纳出物理规律，这才是现阶段对提高学生的科学素养最有力的帮助。

4. 若借用数字传感器对实验进行改进和分组实验，需要对学生进行一定的培训，结合学校的硬件条件，笔者认为可以适当开展社团兴趣小组活动，以提前接触数字实验器材，为今后的学习和研究打下基础。

参考文献：

[1]中国二十一世纪教育发展纲要.

[2]孙海祯.用温度传感器改进冰的熔化和凝固实验[J].中国科教创新导刊，2014（12）.

作者简介：

盛宏立，江苏省常州市，常州市新北区实验中学。