基于信息技術的初中物理實驗可視化教學策略

摘 要：物理實驗教學能形象具體地再現(xiàn)物理概念、規(guī)律的形成和發(fā)展過程，為學生提供感性材料，強化學生的感知，使學生更清晰知識的來源、易于理解和應用，從而達到發(fā)展智力、培養(yǎng)能力的目的.但是，在教學中我們常常遇到很多物理實驗的“可視化”還不夠，嚴重影響了實驗教學的功效，解決這一現(xiàn)象的方法有很多.本文就此談談筆者在日常物理實驗教學實踐中，基于信息技術手段的一些解決辦法.

關鍵詞：可視化;物理實驗;信息技術

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）12-0055-03

物理實驗是指在人為控制條件下利用科學儀器、設備，使物理現(xiàn)象反復再現(xiàn)，從而有目的地進行觀測研究的一種方法.它的最直接作用是為學生提供豐富的感性材料，而有些物理實驗現(xiàn)象的視覺效果并不理想，學生很難從中獲得直觀的感受，借助多媒體信息技術手段，可以幫助我們有效地解決教學中遇到的這一困難.

1 繪聲繪影，創(chuàng)設物理實驗情境的可視化

“興趣是最好的老師”，信息技術多媒體具有聲、圖、像、文并茂的特點，有利于在物理實驗教學中創(chuàng)設一種學生喜聞樂見的情境，激發(fā)學生強烈的操作興趣和求知欲，使學生在一種積極主動的心理狀態(tài)下進入物理實驗學習.

例如，在“測量速度”實驗教學時，先播放與實驗相關的視頻“緩慢爬行的蝸?！薄矮C豹追捕鹿”，與學生的生活建立共同經(jīng)驗體驗，幫助學生形成并明確研究問題，將學生的注意力集中到研究的情景上來，激發(fā)學生進行實驗的需要和欲望，為實驗教學做好鋪墊.又如，在研究“機械能的相互轉(zhuǎn)化”實驗中，利用多媒體讓學生聽到水流聲，感受到氣勢磅礴的長江、黃河所產(chǎn)生的巨大能量帶動水輪機轉(zhuǎn)動而發(fā)電的情景，將大型水電站的運轉(zhuǎn)過程形象生動地呈現(xiàn)在學生面前，通過這樣的情境創(chuàng)設來激發(fā)學生實驗的興趣.

2 動靜結合，實現(xiàn)物理實驗過程的可視化

2.1 動畫模擬，實現(xiàn)可視化

對于在課堂上無法完成的實驗，如：宏觀實驗、微觀實驗、理想實驗、物理過程復雜的實驗、存在很大安全隱患的實驗等，我們可以通過動畫模擬突破時間與空間的束縛，進行逼真的演示，通過操作靈活縮小或放大物理場景，將物理過程生動展現(xiàn)于學生眼前，加強學生印象、易于理解.

2.1.1 變抽象為形象，理解實驗

對于一些比較抽象的宏觀、微觀或理想實驗，可以利用動畫模擬實現(xiàn)物理實驗過程的可視化.如，動畫模擬周游世界的小水滴、人造地球衛(wèi)星的勻速圓周運動、地球同步通訊衛(wèi)星等宏觀現(xiàn)象實驗;模擬電流的形成、硫酸銅溶液的擴散、固體的擴散、分子的無規(guī)則運動、裂變、聚變等微觀現(xiàn)象實驗;模擬牛頓第一定律、伽利略斜面實驗等理想實驗.

在有些物理實驗中，物理的本質(zhì)學生是無法觀測到的，用信息技術動畫模擬可以解決這一問題.例如，光纖教學，教師在課堂演示時，學生只能看到光從一端進去，從另一端出來的表面現(xiàn)象.而利用動畫模擬直觀展示光在光纖中不斷反射前進，讓學生形成鮮明的表象，學生理解也就更容易、更深刻了.相同的實驗還有“電磁波傳播信息”等.

2.1.2 變動為靜，定格實驗過程

有些物理實驗在課堂上是不可能完成的，例如，內(nèi)燃機的工作過程實驗教學，教師不可能把內(nèi)燃機搬到教室中來，即便是可以，學生也無法觀測其內(nèi)部工作過程.這時利用信息技術實現(xiàn)動畫模擬，逐一、有序地展示其四個沖程的工作過程，每個沖程的機器結構特點，特別是通過圖像的色彩變化、范圍變化，學生更容易理解其各個過程的工作原理.相同的實驗還有電動機、發(fā)電機的工作過程等.

2.1.3 變真為假，優(yōu)化實驗探索過程

利用計算機的虛擬技術，構建仿真物理實驗室，創(chuàng)設出一個探索物理現(xiàn)象和規(guī)律的虛擬環(huán)境.學生在輕松的學習氛圍中操作模擬仿真的實驗，學習實驗方法、實驗技能，為動手實驗做好準備.學生在這個虛擬環(huán)境中，可以按照自己的想法去探索研究，學生通過自主探究達到發(fā)現(xiàn)和總結規(guī)律的目的.

例如，在學習電學時，學生可以利用仿真實驗室，按照自己設計的電路連接進行實驗，如果操作不規(guī)范，還會顯示燈炮燒壞、電表超量程、保險絲燒斷等現(xiàn)象.

2.2 實景重現(xiàn)，實現(xiàn)可視化

很多傳統(tǒng)的物理實驗中，由于實驗器材或?qū)嶒灛F(xiàn)象本身（如發(fā)生時間快、范圍小等等）限制，常常使得實驗效果的可視化受到影響.信息技術能為這些物理實驗的“可視化”提供物質(zhì)平臺和技術保障.即只要將適當?shù)膫鞲衅魍ㄟ^接口技術與電腦連接起來，電腦就可以把正在發(fā)生的物理現(xiàn)象，特別是正在進行的物理實驗的真實情景，以連續(xù)動畫的方式記錄下來，所記錄的真實情景可以隨時在電腦的屏幕上顯示出來，從而實現(xiàn)實景重現(xiàn).

2.2.1 變小為大，放大演示實驗

可以將局部區(qū)域放大，觀察分析局部微觀現(xiàn)象.例如，在“能量轉(zhuǎn)化的基本規(guī)律”一課中，在給學生演示水滴實驗的時候，由于水滴本身就比較小，無法照顧到各個位置的學生，這種情況就利用信息技術將實驗的過程呈現(xiàn)到大屏幕上，可以將實驗現(xiàn)象清晰地展現(xiàn)給每一個學生.在演示“磁體”周圍磁場及磁感線分布時也采用了實景重現(xiàn)、變小為大，放大演示實驗的方法.又如，電流表、電壓表、電能表、溫度計等測量工具的使用及讀數(shù)也可利用這一技術進行放大，不但有利于學生觀察、掌握它們的正確使用方法，還可以讓全體學生能夠進行準確讀數(shù)練習.

另外，掌握一些測量儀器的使用方法時，必須先了解其內(nèi)部構造，可利用這一技術呈現(xiàn)并放大拆卸的過程.如了解測電筆的內(nèi)部結構，了解電流表、電壓表的內(nèi)部結構等等.

2.2.2 變快為慢，看清演示實驗

有些物理實驗現(xiàn)象，發(fā)生的時間較短，過程進行得很快，學生用肉眼無法觀測，我們可以利用實景重現(xiàn)進行慢鏡頭播放（當然，也可以快速播放，觀察物理過程的連續(xù)性），甚至定格，以便學生仔細地觀察和分析.例如，在研究“機械能相互轉(zhuǎn)化”的實驗中，利用這一技術使網(wǎng)球撞在球拍上時被壓扁后又恢復的過程及球拍運動過程與發(fā)生形變的過程，這種發(fā)生時間短、變化快速的過程均變?yōu)榭梢?，且在碰撞過程中發(fā)生的微小變形也可以進行放大，便于學生仔細觀察和分析.其最大的優(yōu)點是可以放大物理現(xiàn)象，放慢演示速度，在緩慢的演示過程中，讓學生清楚全面地把握物理的真實過程.又如，在演示“繩波實驗”時，利用傳感器和接口技術，電腦當堂記錄繩波演示實驗的真實情景，實驗完成后，把實驗過程在電腦屏幕上緩慢地顯示出來，師生一起進行仔細的觀察研究和分析，從而提高了研究的可信度.

2.2.3 變瞬間為長久，定格演示實驗

實驗過程中，有些實驗的瞬間很有研究價值，此時，我們可以利用技術將瞬間定格，從而實現(xiàn)細節(jié)分析.在“長度的測量”實驗中筆者定格了學生操作過程中的錯誤，并讓學生糾正自己和同伴間的錯誤.由于定格的是學生自己的操作情景，比書本上的圖片更有真實感.糾錯的過程也就是認知碰撞的過程，讓學生印象深刻.

有些時候，我們還會遇到一些課堂上操作起來很麻煩、耗時比較長，或者很難達到既定效果的實驗，如，在探究“杠桿平衡條件”的實驗中，對于改變拉力方向，再測量對應力臂這一環(huán)節(jié)，由于力臂不再落在杠桿上，學生分組實驗時很難測量，現(xiàn)場演示可視性又比較差，也很難準確測量，所以筆者就采用了這一實景重現(xiàn)技術并作聚焦定格處理，讓學生清晰準確地看到彈簧測力計示數(shù)的變化，實現(xiàn)實驗過程的可視化，這樣既可以更有效地解決課堂不方便解決的問題，還可以節(jié)省課堂時間，達到高效學習的目的.

3 圖文并茂，達到物理實驗結果的可視化

在初中物理實驗教學中，學生不管用表格法還是圖像法來處理實驗數(shù)據(jù)都會花費很多時間，一個課時是無法完成的.教師可采用信息技術，利用實時監(jiān)控、實時測量、數(shù)據(jù)處理、圖像處理等手段對實驗數(shù)據(jù)進行快速處理，并對實驗結果進行分析，最終總結出物理量所遵循的規(guī)律.

例如，在“歐姆定律”的實驗教學中，先讓學生用常規(guī)儀器按照傳統(tǒng)方式分組實驗，在學生完成實驗操作并記錄實驗數(shù)據(jù)后，我們一起快速用多媒體進行數(shù)據(jù)處理，并自動生成了I-U和I-R圖像，總結出了正比、反比的關系，這種一氣呵成的方法，形象直觀且具有準確性，使學生對實驗有了清晰又完整的認識，從而提高了課堂教學的效率.

對于實驗的結果，我們還有很多方法使其可視化.如，在“直線運動”這一節(jié)課中，我們借助了Excel軟件，來幫助學生快速地將多組學生的實驗數(shù)據(jù)匯總到一張坐標圖中.可以更直觀地引導學生總結出勻速運動過程中，路程與時間的正比關系，最重要的是能快速整合多組數(shù)據(jù)，可以方便學生對比學習，而且這樣做不僅節(jié)省了手繪圖的時間，也實現(xiàn)了小組同學實驗結果共享的問題，使實驗結果更具有可信度.又如，在探究相互作用力的實驗時，為了讓學生認識到一對相互作用力的關系，我們借助力學傳感器來完成實驗，將這個力學信號，轉(zhuǎn)換成電信號，傳輸?shù)诫娔X中去，學生通過屏幕上展現(xiàn)出來的兩個完全對稱的折線圖，可以更準確地認識相互作用力的關系.

當然，在實驗教學中提高實驗“可視化”的方法很多，并且隨著時代的發(fā)展將日新月異.例如，利用信息技術強大的交互性構建起來的網(wǎng)絡交互實驗室，必然成為教育發(fā)展的光輝前景.這就要求我們在教學實踐中，要始終樹立以生為本、與時俱進的理念，不斷學習、交流、探索，且行且學，我們一直在前行.

另外，我們必須始終明確，信息技術輔助物理實驗教學僅僅是對傳統(tǒng)實驗教學的一種補充和發(fā)展，學生動手實驗，親自經(jīng)歷、體驗實驗的過程是任何技術手段都無法替代的，找準多媒體輔助教學手段與傳統(tǒng)實驗教學手段的最佳結合點，使之更好地輔助物理實驗教學，是物理教師研究的永恒課題.

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（收稿日期：2020-12-29）