数字化探究实验在初中物理教学中的优势及应用

张继红

（沈阳市第一二六中学）

《义务教育物理课程标准（2022年版）》指出，物理学由实验和理论两部分组成。物理实验是人类认识世界的一种重要活动，是进行科学研究的基础。学生经历过基本的科学探究过程，会受到科学精神的熏陶，提高科学素养，促进全面发展。

数字化探究实验在国外较为普及，美国、日本、德国、英国、新加坡等国家的中学物理类教材中已频繁出现应用案例，成为学生科学探究的重要平台。数字化探究实验是指采用数据采集器、电脑等多个终端设备、传感器及各种配套辅助器材来完成物理教材中的实验。数字化探究实验是对传统实验的有益补充，在传统实验中存在一些只能定性无法定量的实验以及对一些微小或瞬间数据的测量不够准确等问题，数字化实验能为解决这些问题发挥出重要作用。

一、数字化探究实验的主要应用器材

（一）数据采集器

数据采集器是传感器与计算机的接口。它的作用是把实验中各种传感器输出的电信号转换成数字信号并输入到计算机中。采集器与计算机之间通过USB接口相连，具有优异的兼容性、稳定性和操作上的灵活性。

（二）实验箱

将物理教学相关仪器、部件、配件、文字资料等，经过科学设计集成至一个箱体中，这样的实验设备称为实验箱，其便于携带、保管，用于课堂教学、实验培训等。

（三）传感器

传感器的作用是把实验中测量的各种非电信号（如力、位移、光强、PH值、电流等）转换成标准的电信号，并把这些电信号传递给采集器。

（四）数字化探究实验专用软件

数字化探究实验软件主要用于传感器数据的采集、数据表现与数据分析。软件在数据表现上，提供了数据表格、数据曲线等表现形式，其操作简单，使用方便。

二、数字化探究实验在教学中的优势

（一）数字化探究实验具有显性的教学功能

首先，数字化探究实验有利于全面推进实验教学现代化。数字化探究实验使数据实时采集、实时传输、实时记录、实时绘图、实时分析、实时分享等人类科学实验的梦想成为现实，使“科学家的实验室”走进普通的物理教学课堂。此外，教学实验模板、实验结果以及实验报告的电子化，使得教学评价和教学指导模式更加现代化，从而可以进一步促进和优化教学效果。

其次，数字化探究实验有利于弥补传统实验的不足。以往传统实验中一些效果不好的、没有办法定量的、没有办法显示的、没有办法分析的实验，通过数字化探究实验来做，往往能够以可视的、可量的实验效果展现在学生面前，使物理实验教学效率大大提升，这对于教师演示实验和学生分组实验都是大有裨益的。

最后，数字化探究实验有利于加深学生对实验现象和原理的理解。由于数字化实验的结果非常直观、精确，学生对许多实验现象的直接观察和定量记录得以实现，对实验结果的认可度和把握性大大提高，能够从传统的“死记硬背”“照方抓药”式的机械性学习转变为有意义的理解性、探究性学习，学习效率和效果也将随之提高。

（二）数字化探究实验具有物理学科素养的培育价值

首先，数字化探究实验有助于培养学生的定量思维习惯。“定性—半定量—定量”是科学实验的基本途径，也是实验研究逐步深入的必然过程。部分传统实验中，定量实验手段的缺失制约了学生实验方法的创新，也制约了学生的定量思维发展。而采集高频化、记录自动化、数据精确化、分析智能化、存储便捷化的数字化实验则可以弥补此类缺失，使学生养成定量思维的习惯。

其次，数字化探究实验有助于培养学生的发散性思维、创造性思维。“工欲善其事，必先利其器”，教育推动科技发展，但科技成果需要及时反哺教育，否则教育会越来越落后于科技发展。数字化探究实验通过新的科技手段，使传统的实验教学效果得到了质的提升，拓展了学生发散性思维、创造性思维的宽度和深度，能够使学生的发散性思维、创造性思维得到开发和培养。

再次，数字化探究实验有助于培养学生的综合探究能力。面临问题困境—提出科学假设—设计验证步骤—实施探究过程—重新假设—校正步骤—重新探究直到解决问题，这是科学探究的基本模式，而探究教学的过程就是教会学生模拟科学家发现真理的过程。由于科学探究过程的难点在于实证，数字化实验系统为广大师生提供了实证的机会和手段。数字化探究实验还为学生发展现代科技素养提供了契机，学生可以运用各类传感器、数据采集器、电脑以及必要的实验配件等硬件，通过开放性的软件进行各类实验操作，提高实验的综合性和现代化水平。

最后，数字化探究实验有助于培养学生合作学习的习惯。合作是现代人必备的基本素质之一，学生的合作意识在数字化实验中会不断强化。由于数字化实验过程需要用到传感器、数据采集器和电脑，而硬件及软件的操作往往一个人难以实现，需要2人一组或者多人合作才能圆满完成，这可让学生体验到合作的重要性和乐趣。

三、数字化探究实验在教学中的应用案例

（一）数字化探究实验在“声音的特性”中的应用

“声音的特性”是人教版物理实验教材八年级上册第一章第三节的教学内容。本节课的教学重点是在学习了声音的产生与传播的基础上，让学生进一步理解声音、了解声音现象的丰富多彩。本节课是研究声音现象非常重要的一部分内容，学生对音调、响度、音色等概念容易混淆，所以可用声音传感器采集声音，让学生通过听、看、想、做等活动，来感知声音的特性，完成教学目标。主动性、独立性、体验性、问题性是现代学习方式的重要特征，基于此，结合教材要求和学生特点，本节课在探究音调、响度的影响因素时，可采用教师指导下的探究性教学方法。在教学中，教师应创设合适的情境，激发学生的问题意识，引导学生设计实验，协助学生归纳、理解，使刚刚接触物理的学生既能发挥自主性又能避免盲目性。在学生对概念进行理解和辨析时，教师可采用实验和多媒体相结合的教学方式。教学中，教师可通过创设情境、演示探究，引导学生学会使用传感器，掌握多种信息技术，使抽象的声音教学变得生动。为了完成本节课的声音采集，我主要应用了以下教学资源：声音传感器、不同频率的音叉、小锤、架子鼓、小提琴、数据采集器、数据分析软件等。在多媒体资源的使用方面，则以Powerpoint软件、Realplay播放器、虚拟示波器软件、视频文件、音频文件等进行配合。

【实验过程】

首先，教师用情境导入法引出声音的概念——播放五种不同的声音，引起学生听觉上的冲突，让学生直观地感受噪声与乐音的区别，以方便学生理解乐音的定义。在此基础上，教师提出乐音和噪声的区别，从而引出这节课的主题——乐音的特征。为了让学生对音调的概念有更清晰的认识，教师找出两名女同学唱歌，一个是女低音，一个是女高音，让学生听一听这两个声音的区别。学生发现，听觉上的区别无法用具体的东西来表征，因此还需要用实验来验证。于是，教师引导学生连接数据采集器和声音传感器，打开数据采集软件，用大小相同的力敲击不同频率的音叉，从而采集到的不同频率的声音数据。学生根据实时采集到的数据，分析实验结论，得出音调与频率的关系图像，并根据波形图分析得出疏密程度不同的波形图。（如图1）

图1

通过波形图，教师可引导学生探究声音的响度与振幅的关系：波形越密—振动越快—频率越高—音调越高；波形越稀—振动越慢—频率越低—音调越低。

为了让学生感受到声音是有大小的，教师可用情境导入法，引导学生用大小不同的力敲击，通过波形图，使学生得出响度的定义。（如图2）

图2

响度的定义：重敲架子鼓—声音大—响度大；轻敲架子鼓—声音小—响度小。

其次，教师引导学生连接声音传感器和数据采集器，采集同一个频率音叉的声音（同一个音叉，敲击力的大小不同）。学生根据产生的波形，分析实验的波形图，得出结论：声音越大—振幅越大—响度越大；声音越小—振幅越小—响度越小。

最后，教师引导学生探究音色的形成过程：用声音播放器模拟钢琴声、葫芦丝声、吉他声，用声音传感器去采集，从而形成不同的波形，根据波形图分析数据，得出结论：不同的发声体发出声音的波形不同，音色不同，所以音色取决于发声体本身。

（二）数字化探究实验在“水沸腾时的温度变化规律”中的应用

“探究水沸腾时的温度变化规律”是人教版初中物理教材八年级上册第三章第三节的热学重点实验，实验目的是让学生通过实验，知道水的沸点，让学生经历用图像法探究物理量变化规律的过程，理解液体沸腾的条件和特点，学会观察，在实验中培养实事求是的科学态度。在探究“水沸腾时的温度变化规律”的数字化探究实验中，需要用到如下器材：电脑（显示屏）、数字化探究软件、温度传感器、电加热器、铁架台、烧杯、水。

【实验过程】

首先，连接好数字化探究软件、温度传感器，连接好电加热器和电源。

其次，用量杯量取适量的热水，放在电加热器上进行加热。

再次，温度传感器探头放入水中，注意不要碰到容器底和容器侧壁。

最后，点击开始键，采集数据。注意给水加热的过程中观察水沸腾前和沸腾后的气泡大小变化。

学生根据实时采集的数据可以形成图像分析和实验结果分析：沸腾前水吸热，温度升高，在烧杯底部产生许多气泡，气泡在上升的过程中逐渐变小。水沸腾时水继续吸热，但是温度不变，气泡在上升的过程中逐渐变大）。液体沸腾的条件，达到一定的温度，继续吸热。

该数字化探究实验比起传统实验，主要有以下改进：实验数据实时采集、实时传输、实时记录、实时绘图、实时分析、实时分享；教学实验模板、实验结果以及实验报告电子化、信息化；用电加热器代替酒精灯，提高了热效率，缩短了实验时间，加快了物理过程的变化，得出了更科学的实验结论。

（三）数字化探究实验在探究“伏安法测电阻”中的应用

“伏安法测电阻”是人教版初中九年级物理教材“部分电学”“欧姆定律”一章中的重点电学实验，传统实验用电流表电压表做这个实验时，只能采集几组数据，然后进行描点、连线形成图像，得出规律。由于数据的读取是非连贯的，学生只能读取几组，实验误差较大。采用数字化实验完成探究过程则可以有效解决这些问题。数字化实验的原理是通过I=U/R得出R=U/I。

为了高精度完成此次实验，我使用了如下器材：计算机、数字化系统软件、数据采集器、电压传感器、电流传感器、滑动变阻器、待测电阻、导线。电压传感器、电流传感器与传统的电压表、电流表一样使用，用红色鳄鱼夹接正极，用黑色鳄鱼夹接负极，与电学实验板上的红色接线柱、黑色接线柱相对应。传感器使用前，先调零，在使用过程中，应注意电压和电流不要超过传感器的量程。

【实验过程】

首先，连接计算机、数据采集器及电压传感器、电流传感器。如图3所示，将电流传感器、待测电阻、滑动变阻器、学生电源、开关组合成串联电路（断开），将电压传感器并联在待测电阻的两端。

图3

其次，打开软件系统中的自动识别传感器，选择菜单栏中的“实验配置—采集参数—手动记录”，然后点击“确定”。点击菜单栏“实验控制”，选择“调零”，选中电流、电压传感器，然后点击“确定”。右击数据列表，选择“增加数据列”，在“名称”中输入R，在“单位”中输入Ω，在分类中选择“计算项”，并输入表达式U/I。

打开学生电源，闭合电路，点击“开始”，待数据稳定后，点击“记点”。

最后，调节滑动变阻器的阻值，待数据稳定后点击“记点”，采集到多组数据。（如表1）。

表1滑动变阻器阻值数据

实验结果显示，数字化探究实验的实验数据精确度较传统实验有大幅提高，数据采集稳定，能够把获得的实验数据快速生成图形、表格及实验报告，方便完成多组数据在同一图形界面进行对比分析。此外，数字化探究实验对于学习的主体——学生来说，能同时观察测量过程与绘图分析过程的同步，实现了强大的数据处理功能，大大提高了实验效率。