例談數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用

邱樹青

摘要：數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室作為一種新型課程資源和新的教學(xué)方式，以學(xué)生的真實(shí)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，用傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與初中物理教育教學(xué)的有效整合。初中物理教育教學(xué)在常規(guī)教學(xué)創(chuàng)新、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)、科學(xué)探究深入等方面與數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合產(chǎn)生了良好的效果。本文以“摩擦力”教學(xué)為例，探索在初中物理教學(xué)中如何利用數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室?計(jì)算機(jī)?初中物理教學(xué)

2019年3月，我縣教育第一集團(tuán)聯(lián)盟建成了全縣第一個(gè)數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室配備了一套VR、部分?jǐn)?shù)字化演示實(shí)驗(yàn)器材以及多套數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以進(jìn)行很多數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，例如：測量小車速度、水凝固與冰熔化、測滑動(dòng)摩擦力大小、伏安法測電阻實(shí)驗(yàn)等。這將大大地改善了學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，是提高學(xué)校的教學(xué)質(zhì)量的途徑之一，也豐富了教師的教學(xué)手段。

一、數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡介

數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成

1.硬件：傳感器、采集器、計(jì)算機(jī)

2.軟件：數(shù)據(jù)采集控制軟件、數(shù)據(jù)處理軟件

二、數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)的特征

1.數(shù)據(jù)采集的功能強(qiáng)大

通過計(jì)算機(jī)，可以采集到從傳感器瞬間變化過程中獲得的大量數(shù)據(jù)，也可以采集緩慢過程中的不同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.數(shù)據(jù)處理的能力更加靈活

利用計(jì)算機(jī)，可以來控制實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，也可以對(duì)很多數(shù)據(jù)進(jìn)行煩瑣的、迅速的處理，例如數(shù)據(jù)間的相互轉(zhuǎn)換、圖像的合成、實(shí)驗(yàn)誤差的計(jì)算等。

3.為互動(dòng)式課堂教學(xué)創(chuàng)設(shè)了條件

通過計(jì)算機(jī)的聯(lián)機(jī)，很好地實(shí)現(xiàn)了各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的共享，在此基礎(chǔ)上可以對(duì)各種實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論、比較，為互動(dòng)式的課堂教學(xué)創(chuàng)設(shè)了有利條件。

三、教學(xué)實(shí)例——“摩擦力”

“摩擦力”是初中物理最重要的概念之一，也是教學(xué)難點(diǎn)之一?！疤骄坑绊懟瑒?dòng)摩擦力大小的因素”是讓學(xué)生了解有關(guān)摩擦力的基本知識(shí)、掌握測量滑動(dòng)摩擦力的基本方法的實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)是使木塊在長木板上做勻速直線運(yùn)動(dòng)，然后再根據(jù)二力平衡的原理間接測出了摩擦力的大小。

如圖1所示的裝置是以往實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中經(jīng)常采用的，用彈簧測力計(jì)拉著木塊在水平長木板上做勻速直線運(yùn)動(dòng)，根據(jù)彈簧測力計(jì)的示數(shù)來間接測量摩擦力的大小。但由于人的拉力很難穩(wěn)定，很難使木塊做勻速直線運(yùn)動(dòng)，彈簧測力計(jì)的示數(shù)不穩(wěn)定，且不易讀數(shù)，摩擦力很難測量，本實(shí)驗(yàn)大多情況下作為一種模糊的定性研究。

利用數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室中的裝置和器材，即可解決上述問題。

實(shí)驗(yàn)方案：用拉力傳感器測量滑動(dòng)摩擦力

1.實(shí)驗(yàn)裝置及器材：拉力傳感器、智能數(shù)字實(shí)驗(yàn)盤、計(jì)算機(jī)、SenseDisc iLab實(shí)驗(yàn)軟件、表面粗糙程度不同的木板、木塊、重物等。如圖2所示，為已經(jīng)連接的智能數(shù)字實(shí)驗(yàn)盤和拉力傳感器，拉力傳感器可測拉力大小，利用智能數(shù)字實(shí)驗(yàn)盤將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，再由專門實(shí)驗(yàn)軟件自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，繪制圖像。

2.實(shí)驗(yàn)操作：用數(shù)據(jù)線連接好計(jì)算機(jī)、智能數(shù)字實(shí)驗(yàn)盤、拉力傳感器，將拉力傳感器固定，將木塊放在木板上，用細(xì)線與拉力傳感器相連，如圖3所示，拉動(dòng)木板，這樣木塊始終與桌面保持相對(duì)靜止，即可測出木塊受到的摩擦力。

在緩慢拉動(dòng)木板的過程中，開始時(shí)，木塊在木板上并沒有運(yùn)動(dòng)，但是它們之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，那么它們之間也就存在著靜摩擦力;當(dāng)木板被拉動(dòng)時(shí)，那么木板和木塊之間就產(chǎn)生了滑動(dòng)摩擦力。由于木塊始終保持相對(duì)靜止，所以各個(gè)時(shí)間段的滑動(dòng)摩擦力的大小也就等于相應(yīng)的拉力大小了。當(dāng)把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)時(shí)，計(jì)算機(jī)就會(huì)自動(dòng)繪畫成圖像，如圖4所示。這樣通過圖像清晰地給學(xué)生呈現(xiàn)了摩擦力的變化情況。

然后，再改變接觸面的粗糙程度和木塊上的重物，進(jìn)一步探究滑動(dòng)摩擦力大小與接觸面粗糙程度和壓力的關(guān)系，最后得出結(jié)論：壓力越大，接觸面越粗糙，滑動(dòng)摩擦力越大。

3.實(shí)驗(yàn)分析：由圖像可知，圖中的①體現(xiàn)了木塊受到的拉力為零時(shí)處于靜止的狀態(tài)，因此沒有受到摩擦力的作用。圖中②表明了木塊與木板之間保持相對(duì)靜止時(shí)，靜摩擦力隨著拉力的增大而增大，圖中③是顯示的是木板剛好被拉動(dòng)時(shí)，受到的摩擦力即為最大靜摩擦力，圖中④表明的是物體的運(yùn)動(dòng)過程，由圖中可以清晰地看出滑動(dòng)摩擦力的大小是小于最大靜摩擦力的大小，并且是始終保持不變的。

4.實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)：由以上分析可知，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析層次的提升歸功于數(shù)字傳感器的介入。圖像的顯示能夠培養(yǎng)學(xué)生的觀察、分析和歸納等能力，讓他們對(duì)摩擦力的認(rèn)知有了進(jìn)一步的提高，將教學(xué)內(nèi)容變得更加嚴(yán)謹(jǐn)、更加科學(xué)。圖4的完整圖線不僅讓學(xué)生了解了最大靜摩擦力，還加深了對(duì)摩擦力的理解，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)高中物理知識(shí)打下了基礎(chǔ)。

四、結(jié)束語

在初中物理教學(xué)過程中利用了數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室，肯定會(huì)深受學(xué)生喜愛和歡迎，其強(qiáng)大的教學(xué)功能， 將有助于傳統(tǒng)的教學(xué)手段與計(jì)算機(jī)教學(xué)技術(shù)相結(jié)合 ，也有助于初中物理新課改的順利推進(jìn)。在初中物理傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)、科學(xué)探究的深入和創(chuàng)新等應(yīng)用層次上，利用數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室必將帶來質(zhì)的飛躍。學(xué)習(xí)新技術(shù)，運(yùn)用新技術(shù)，也給我們教師提出了新的要求、新的使命、新的挑戰(zhàn)。

參考文獻(xiàn)：

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責(zé)任編輯：黃大燦