“下沉物体是否受浮力”数字化实验创新开发

◇宁洪岺 张 超（山东：聊城东昌府区教育和体育局 东昌府区东关民族小学）

2022年4月，教育部颁布了新修订的义务教育课程方案和科学课程标准。课标提出，教师应利用信息技术辅助手段，如虚拟仿真实验、数字化实验等，让学生比较直观便捷地学习相关知识。学校与教师还应关注数字化教材、音像资料、多媒体软件等资源的开发与使用。

5月，为贯彻落实《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》（教基〔2019〕16 号）和《山东省教育厅关于加强新时代学生创新素养培育体系建设的意见》（鲁教办字〔2021〕2 号）精神，山东省聊城市组织了第一届小学科学教师实验教学能力大赛，其中一项内容是“实验设计及操作”，分为常规实验和数字化实验设计及操作。通过参加比赛查阅资料，笔者了解到数字化实验创新了实验教学方式，丰富了实验教学实施形式，合理使用这些资源，有助于激发学生学习科学的兴趣，提高教学活动的质量。实验中，学生通过综合运用观察、观测、模拟、体验、设计等多种方式，促进传统实验教学手段与数字化实验的有机融合，切实增强了创新实验教学的趣味性和吸引力，提高了实验教学的质量和效果。下面，笔者针对数字化实验设计项目中“下沉物体是否受浮力”实验的设计开发展开剖析，希望有助于数字化实验设备的推广使用。

一、软件界面开发

对于“下沉物体是否受浮力”实验，我采用了图形化编程软件“慧编程”软件进行实验界面的布局，共分为按钮区、数据展示区、数据记录区、测力模拟区、结论区5个部分。

二、硬件部分

本次实验除了软件部分，还需要智能主板及部分常规实验器材进行补充，具体如下：铁架台、升降架、弹簧测力计、烧杯、重物、带智能芯片的超声波传感器、带挡板的激光笔等。以下是完整实物展示图：

三、实验原理

由于挡板上固定有激光笔，且激光笔可指出弹簧测力计上指针的示数，所以，通过超声波传感器发出和接收超声波可感知挡板的高度，从而实时反馈给计算机端编写好的程序。再通过一系列程序算法，把测出的高度换算成力的大小，就可以知道重物在水中浮力的大小了。

四、操作步骤

（一）搭建实验环境

把带有挡板的激光笔固定在铁架台上。

将调零完毕的弹簧测力计固定在铁架台支架上。

把连有智能主板的超声波传感器竖直向上放在桌上。

（二）测量重物在空气中的重量

把重物悬挂在弹簧测力计上，用激光笔标记弹簧测力计读数。点击程序界面中的“记录”按钮，记录该重物在空气中的重量。为了使实验结论更加科学严谨，需点击三次“记录”按钮，并通过点击“计算”按钮，求出并记录读数的平均值。

（三）测量把该重物的一半浸入水中的重量

把重物悬挂在弹簧测力计上，调整升降架使重物一半浸入水中，用激光笔标记弹簧测力计读数。点击“记录”按钮，记录该重物的一半浸入水中的重量。同样，为了保证数据的准确性，需点击三次“记录”按钮，并通过点击“计算”按钮，求出并记录读数的平均值。

（四）测量把该重物全部浸入水中的重量

把重物悬挂在弹簧测力计上，调整升降架，使重物全部浸入水中，但不要接触杯底，用激光笔标记弹簧测力计读数。点击“记录”按钮，记录该重物全部浸入水中时的重量。为了保证数据的准确性，需点击三次“记录”按钮，并通过点击“计算”按钮，求出并记录下该种情况下测力计读数的平均值。

五、编程展示

（一）建立两个变量和四个列表，用于存放数据

（二）主板程序

（三）数据展示区部分代码

（四）弹簧模拟区部分代码

（五）按钮区部分代码

六、数据分析

通过对比第1 个数据和第2、3 个数据，我们发现，弹簧测力计的读数变小了，说明该重物在下沉的过程中受到了水的浮力。

对比第2个数据和第3个数据，我们发现，物体全部浸入时，弹簧测力计的读数比浸入一半时更小了，说明全部浸入与浸入一半相比，物体所受到的水的浮力变大了。

七、实验结论

对比重物在空气中受到的重力，得知下沉物体受到浮力；物体下沉部分的体积越大，受到的浮力越大。

八、实验反思

本次数字化实验的设计开发与信息技术学科联系密切，使用了图形化编程技术，实现了传统实验的数字化显示，这对于教师及中高年段学生来讲，都是一件新事物，可能刚开始接触时会有些不适应，但熟悉流程之后，在使用的过程中，学生能怀着激情与兴趣进行探索，完成本次实验的探索，从而完成实验教学目标。

数字化实验可以让很多常规实验变不可见为可见、变定性为定量、变不可能为可能，使教师转变教学方法、让学生转变学习方式，从而彻底让传统型实验质变为数字化实验。当然，数字化实验还有很多优势，对于我们这些奋斗在一线、对创新实验教学始终怀着饱满热情的教师来说，数字化实验还有很长的路要走。我们要积极推动信息技术与创新实验教学的深度融合，通过数字化实验教学系统，以数字支撑实验，改变学生的思维方式，帮助学生逐步养成用数字说话的意识，提升学生的科学素养。