运用数字化技术优化初中物理实验教学①

黄兴国 陈美琴

(1.江苏省泰兴市实验初中教育集团,江苏 泰州 225400;2.江苏省南京市第二十九中学柳洲东路分校,江苏 南京 210031)

《基础教育课程改革纲要(试行)》要求:大力推进信息技术在教学过程中的普遍应用,促进信息技术与学科课程的整合,逐步实现教学内容的呈现方式、学生的学习方式、教师的教学方式和师生互动方式的变革,充分发挥信息技术的优势,为学生的学习和发展提供丰富多彩的教育环境和有力的学习工具。数字化信息系统(Digital Information System,简称DIS)能够实时记录实验的过程,并且能把转瞬即逝的实验数据高效、直观地记录下来,以前不能做或做不好的一些实验都可以开展了。[1]

1 数字化信息系统简介

数字化信息系统由传感器、数据采集器、计算机和数据处理软件组成,它可实时采集、处理实验数据,实验结果以数字、图像等形式显示在屏幕上。传感器对于初学者来说比较陌生,使用时也有许多困难,教师要以学生的生活经验为起点,联系生活实际设计具有实践意义的研究性课题,激发他们探究的兴趣。

数字化实验是指使用数字化技术替代传统的实验数据采集和分析处理,从而形成新型的实验模式。在初中物理教学中引入DIS,对学生学习物理有非常大的帮助作用,DIS非常适合具有理论性、科学性、实践性的教学内容。[2]DIS通过传感器、数据采集器把非电信号转换成数字信号,再通过计算机处理,以数字、图像等形式显示出来(图1)。

图1

DIS解决了初中物理实验中精确采集数据的难题,同时辅以相对完善的软件系统,可以开展利用传统实验器材想做而又做不到的实验。例如,利用两个声传感器可以在实验室里测出声速,利用位移传感器、光电门可以完整地呈现出小车做匀速直线运动的s-t和v-t图像,利用电流传感器和电压传感器可以描绘定值电阻和小灯泡的伏安特性曲线。DIS的运用为学生开启了一扇窗,使他们也感受到科技进步所带来的便利。

2 DIS的教学功能

2.1 实验过程“可视化”,有利于学生理解物理规律

DIS应用于物理实验的显著特点是可运用图像法分析、处理数据。DIS可以捕捉瞬间变化的数据,如探究作用力与反作用力时,两人用力传感器相互对拉,当甲把乙拉向自己一边时,我们常说“甲的力气大”,那么是否意味着甲拉乙的力大于乙拉甲的力呢?用DIS可以同时显示两个力随时间变化的图像,学生可以直观地发现两者之间的关系(图2)。

图2

2.2 DIS数据处理能力强大,利于学生分析物理过程

DIS能够在短时间内采集和处理大量的数据,利用图像来呈现物理量的变化过程,例如在探究冰和烛蜡的熔化的规律时,利用温度传感器代替温度计进行测量,让学生在定性与定量的分析相结合的基础上来认识物理规律,可以达成的效果如下:(1) 实时的、直观的图像呈现了物体熔化时温度随时间变化的现象,晶体熔化与凝固的温度—时间图像如图3所示,烛蜡的熔化的温度—时间图像如图4所示;(2) 由于这节课的重点并不在于培养学生读数和描点作图的能力,使用DIS后可以省去上述环节,缩短实验时间,使学生专注于探寻规律,着重观察、总结晶体和非晶体在熔化过程中温度变化的特点。

图3

图4

2.3 DIS测量精度高,可以测量微小量

DIS实验与传统实验相比优势明显,传统实验器材测量精度有限,读数误差也相对较大。DIS配备了多种传感器,所测实验数值可直接显示在电脑屏幕上,而且精度更高。如在“探究感应电流产生的条件”实验中,产生的感应电流较小,用电流计演示时学生不易观察,我们可以用微电流传感器显示出微弱电流的变化(图5、图6),学生能深刻理解实验过程,得出实验结论。

图5

图6

2.4 利用DIS可以节约课堂时间,给学生的自主探究提供充足的时间

传统实验探究的数据采集与处理占去了大量时间,没有足够的时间让学生充分自由表达、质疑和提问。而DIS实验由传感器和数据采集器代替人读取数据,用计算机软件取代手工方式记录数据,用计算机代替人脑对数据进行处理和分析,使学生摆脱繁琐的计算过程,按照学生探究的要求,将相关图像直接显示出来,从而让学生能够将更多的时间、精力用于设计实验、提出和验证猜想,有利于探究教学的实施。

3 DIS实验的教学功能

3.1 加强学生的交流与合作

传统的分组实验容易出现“做的做、看的看”的现象,限于时间、空间、器材、观察角度等条件,很难让每个学生都能动手体验。将DIS引入初中物理实验教学中,在实验中学生可以明确分工、各司其职、完成实验,还可以交换角色,有机会实现沉浸式体验。交流合作能够真正地落到实处,比如,在注射器内封闭一部分气体,将压强传感器连接到注射器上(图7),同组学生明确分工,向外推或向内拉注射器的活塞,观察压强随时间变化的图像,可促进学生理解推注射器活塞的过程类似于汽油机的压缩冲程,松开活塞后的过程类似于汽油机的做功冲程,这样就能方便地得出结论:汽油机压缩冲程气缸内气体压强增大,做功冲程气缸内气体压强减小。这样的合作过程提高了学生交流和合作的能力。

图7

3.2 提高学生数形结合解决实际问题的能力

DIS应用于初中物理实验可以拓展学生的思维,为学生提供创造性设计物理实验的机会,培养学生的创造性思维,使学生体会到实验设计和实验创新的重要性。

苏教版初中物理教科书中 安排了“探究浮力产生的原因”的实验,常规的实验器材无法直接测出物体上下表面的压力差,只能通过数学推导得出结论,实验探究浮于表面。我们可以引导学生利用DIS进行创新设计:将两个压强计改装后背对背粘在一起(图8),再分别将两个压强计的橡皮管接入两只压强传感器,将实验装置浸入水中,上下移动,在电脑屏幕上就会有成对的图像出现(图9),学生根据图像很快就可以找到浮力产生的原因。这样的实验创新既可以提升学生的实验探究能力,又能够提供大量的、实时的、直观的、动态的证据信息。

图8

图9

自制实验探究器材,可培养学生的动手能力,使学生主动参与整个实验的设计过程,体会实验成功的成就感,从而激发学生创新实验的内在动机。因此,运用数字化技术进行实验探究,不仅是实验教学手段的一种创新,更是教学理念的变革。

4 结语

许多初中物理实验由于受到条件的限制,有时候并不能直观地展现实验的整体面貌,特别是一些瞬间即逝的物理现象与过程,既难以观察,也难以捕捉。而利用数字化实验技术就可以实时记录数据,实验结果能够以多种方式直观地呈现出来,为改进教学打开了新窗口,提供了新思路,教师应该充分发挥数字化实验技术的优势,扬长补短,努力提升初中物理实验教学的质量。