“雙減”政策下初中物理實驗教學(xué)的改進研究

秦宇飛　楊曉輝　張進富　黃國鋒　柴萬東

摘 要：物理是以觀察、實驗和邏輯相結(jié)合的科學(xué)，物理實驗在物理教學(xué)過程中具有極其重要的作用，現(xiàn)有實驗課中由于部分實驗儀器自身局限性，出現(xiàn)定量研究不夠精細、數(shù)據(jù)處理效率低、不能更好地拓寬學(xué)生的知識面等問題。本文以“做功改變物體內(nèi)能”實驗為例，將傳感器引入初中物理實驗中，通過引入氣體壓強傳感器、溫度及濕度傳感器，對實驗過程中物理量的細微變化進行探測并實時顯示，結(jié)合相應(yīng)軟件得出相關(guān)物理量變化曲線圖，使實驗過程及結(jié)果更加直觀可靠。

關(guān)鍵詞：雙減;教學(xué)效率;傳感器;改進實驗

中圖分類號：G420? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：1673-260X（2022）04-0082-03

1 實驗教學(xué)改進的必要性

1.1 時代背景的需求

2021年7月，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于進一步減輕義務(wù)教育階段學(xué)生作業(yè)負擔(dān)和校外培訓(xùn)負擔(dān)的意見》，指出要“大力提升教育教學(xué)質(zhì)量，確保學(xué)生在校內(nèi)學(xué)足學(xué)好”。“雙減”背景下要求學(xué)校教育要以“減負增效”為導(dǎo)向，教師要在有限的教學(xué)時間之內(nèi)改進教學(xué)手段保證教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效率。初中物理的教學(xué)內(nèi)容多是以學(xué)生的生活和經(jīng)驗為背景，根據(jù)物理現(xiàn)象，總結(jié)物理規(guī)律，揭示物理本質(zhì)?！半p減”政策使學(xué)生有了較充分的時間，通過改進物理實驗裝置，可提高學(xué)生的參與熱情、激發(fā)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、開拓學(xué)生的知識面、更好地提高教學(xué)效率。

1.2 物理課程標(biāo)準(zhǔn)的要求

根據(jù)《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2021版），“物理是一門注重實驗的自然科學(xué)基礎(chǔ)課程，此階段的物理課程應(yīng)注意讓學(xué)生經(jīng)歷實驗探究過程，學(xué)習(xí)科學(xué)知識和科學(xué)探究方法，提高分析問題和解決問題的能力”[1]。生動有趣的演示實驗，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，理解抽象的物理規(guī)律;直觀形象的物理現(xiàn)象及數(shù)據(jù)顯示，可以培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力;精確的實驗數(shù)據(jù)分析可以提高分析問題解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度?，F(xiàn)有物理實驗儀器存在定量研究不夠精細、數(shù)據(jù)處理效率低的局限性。

1.3 科技發(fā)展的必然

現(xiàn)如今信息科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展，傳感器等科學(xué)技術(shù)廣泛應(yīng)用于生活生產(chǎn)實踐當(dāng)中。日常生活中自動控制溫度的電飯鍋、遠距離控制的自動開關(guān)門、電視遙控器和手機中橫屏豎屏的切換;工業(yè)生產(chǎn)中測量工廠內(nèi)濕度的濕度計、煙霧報警器等都用到了傳感器及相關(guān)技術(shù)。初中物理教材實驗中也多次提到傳感器技術(shù)的應(yīng)用，人教版初中物理教材中的“用傳感器比較不同物質(zhì)的比熱容”“電磁波的發(fā)射與接收”“用傳感器研究氣體壓強和流速的關(guān)系”“利用傳感器觀察不同音叉波形”都用到了傳感器[2]。把傳感器等現(xiàn)代科技設(shè)備引入初中物理實驗教學(xué)中，對物理實驗裝置進行改進，使用傳感器采集相應(yīng)的物理量并實時直觀顯示，用相應(yīng)的軟件對數(shù)據(jù)進行處理，得出物理量變化規(guī)律的圖像。使實驗精細化、可視化且易于操作，方便深入研究物理現(xiàn)象和規(guī)律，提高學(xué)生的參與熱情以及實驗?zāi)芰Γ訌娏苏n程內(nèi)容與現(xiàn)代社會和科技發(fā)展的聯(lián)系。

2 改進實驗原則

2.1 科學(xué)性原則

九年級的學(xué)生在前面課程中已經(jīng)學(xué)會溫度計的使用，引入溫度傳感器不會削弱應(yīng)有知識的掌握。實驗裝置的改進注重了可行性、安全性、易操作性、合理性、科學(xué)性等原則。能夠保證實驗教學(xué)的科學(xué)、準(zhǔn)確，遵循物理客觀規(guī)律，充分發(fā)揮實驗的教學(xué)功能，充分體現(xiàn)教育價值。

2.2 貼近生活原則

根據(jù)新課標(biāo)課程基本理念“使學(xué)生從生活走向物理”[1]，實驗改進貼近學(xué)生生活，符合學(xué)生認知特點和思維水平，注重培養(yǎng)學(xué)生將科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于日常生活的意識，激發(fā)學(xué)生將日常生活用品和新科技產(chǎn)品緊密結(jié)合應(yīng)用于物理實驗探究的想法，培養(yǎng)學(xué)生參加、觀察、制作、調(diào)查等科學(xué)實踐活動的興趣。

2.3 多樣化原則

實驗裝置的改進，遵循了多樣化原則，主要包括實驗儀器選取的多樣化和教學(xué)方式的多樣化。實驗儀器的選取不局限于文中所選物品，可以就地取材，多樣化地選取與現(xiàn)代科技設(shè)備相關(guān)的及生活中常見的物品，引導(dǎo)學(xué)生親自參與實驗裝置的制作和實驗內(nèi)容的探究，讓學(xué)生歷經(jīng)科學(xué)探究過程，掌握科學(xué)研究方法，達到“合理使用信息科學(xué)技術(shù)，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實踐能力”[1]的課標(biāo)要求。

3 “做功改變物體內(nèi)能”實驗改進

初中教材“做功改變物體內(nèi)能”實驗中，如何改變物體的內(nèi)能以及用明顯的實驗現(xiàn)象展示內(nèi)能的變化，得出科學(xué)的結(jié)論是教學(xué)難點。傳統(tǒng)的實驗裝置存在著很大程度的不足，引入傳感器等裝置對原有實驗裝置進行改進，可以最大限度地克服這些困難，提升教學(xué)效率。

3.1 原實驗方案中存在的不足

圖1、圖2為人教版初中物理內(nèi)能一章中的演示實驗。在圖1中把硝化棉放入配有活塞的厚玻璃筒中，實驗時把活塞迅速下壓，硝化棉被引燃，說明氣體溫度升高，內(nèi)能增加，證明做功可以改變氣體內(nèi)能;如圖2中在瓶中裝入少量水，不斷向燒瓶充氣至塞子跳起，可以看到瓶內(nèi)出現(xiàn)白霧，瓶中水蒸氣液化成了小水滴，說明氣體膨脹對外做功，溫度降低，內(nèi)能減小，證明做功改變物體的內(nèi)能。

圖1裝置空氣壓縮引火儀操作需要一定的力量和技巧，往往受壓活塞的力度和速度不夠，空氣潮濕硝化棉受潮等因素制約，而導(dǎo)致演示效果不佳[3]，實驗成功率較低，學(xué)生切身參與到實驗操作當(dāng)中有困難;對瓶內(nèi)打氣增大氣體壓強無法定量展示瓶內(nèi)氣壓大小，學(xué)生會懷疑是否是由于壓縮氣體做功而導(dǎo)致內(nèi)能發(fā)生改變;硝化棉燃燒放出有害氣體污染環(huán)境。

圖2裝置由于溫度變化不明顯、后排學(xué)生看不清瓶內(nèi)白霧、無法定量顯示液化程度，導(dǎo)致學(xué)生對瓶內(nèi)溫度是否降低存在疑問;瓶內(nèi)氣壓增大軟木塞彈出存在安全隱患。

兩裝置沒有直觀反映物體內(nèi)能變化的物理量，最好能用溫度變化定量反映物體內(nèi)能變化[4]，也無法定量反應(yīng)瓶內(nèi)氣壓的變化;壓縮氣體做功與氣體膨脹對外做功是兩個分立的實驗，但是后者的前半個過程與前者重復(fù)，實驗裝置分離操作耗時耗力;玻璃壁質(zhì)量問題和操作不當(dāng)?shù)葧嬖诎踩[患。

3.2 實驗改進方案

3.2.1 實驗器材。溫度傳感器、壓強傳感器、濕度傳感器、啟普發(fā)生器、橡皮活塞、帶桶玻璃膠槍、電腦、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)線、細繩、少量水、打氣筒、熱熔膠。

3.2.2 設(shè)計原理。利用帶桶的玻璃膠槍對啟普發(fā)生器內(nèi)氣體進行壓縮做功，將溫度作為內(nèi)能變化的量度，溫度顯示裝置實時顯示溫度情況，電腦顯示器顯示溫度隨時間變化的圖像，得出壓縮空氣做功與內(nèi)能變化的關(guān)系;繼續(xù)壓縮氣體直到活塞被彈出，觀察溫度的變化情況，同時利用壓強傳感器以及濕度傳感器實時監(jiān)測瓶內(nèi)氣壓變化情況以及瓶內(nèi)水蒸氣液化情況。

3.2.3 裝置制作。如圖3所示連接裝置，利用細繩線將活塞與啟普發(fā)生器連接以防活塞飛出傷人;將壓強傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器探頭從連接口伸入啟普發(fā)生器，并且用熱熔膠密封接口;將帶桶的玻璃膠槍與啟普發(fā)生器的另一連接口連接;將傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)顯示裝置連接。

3.2.4 實驗操作。（1）接通傳感器等裝置電源。（2）塞上活塞，壓縮氣體觀察壓強變化以檢查裝置氣密性。（3）在容器中加入少量水，注意保證傳感器離水面有足夠的距離。（4）塞上活塞后推動玻璃膠槍對啟普發(fā)生器瓶內(nèi)氣體壓縮;觀察壓強、溫度及濕度變化。（5）繼續(xù)壓縮氣體直至活塞彈出。（6）重復(fù)上述步驟，進行多次實驗。（7）觀察并分別導(dǎo)出電腦中如圖4、圖5、圖6所示啟普發(fā)生器瓶內(nèi)的氣壓、溫度、濕度值變化曲線圖。

3.2.5 分析現(xiàn)象得出結(jié)論。推動玻璃膠槍對瓶內(nèi)氣體壓縮做功，根據(jù)圖4、圖5、圖6顯示，在此過程中氣壓、溫度、濕度值圖線先上升，說明瓶內(nèi)氣壓增大、溫度升高、濕度升高（溫度升高后水蒸氣空間分布密度增大），由此得出壓縮氣體做功瓶內(nèi)氣體內(nèi)能增大，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能;繼續(xù)壓縮氣體直至活塞彈出，此時在啟普發(fā)生器瓶內(nèi)出現(xiàn)少量白霧，說明瓶內(nèi)溫度降低，瓶內(nèi)部分水蒸氣液化變?yōu)樾∷?。在此過程中實驗現(xiàn)象可能不明顯，可以通過觀察溫度、濕度及氣壓數(shù)值的變化及圖像中氣壓、溫度、濕度值圖線，定量說明瓶內(nèi)氣壓減小、溫度降低、濕度下降（水蒸氣發(fā)生液化小水珠落回液面），得出氣體膨脹對外做功，瓶內(nèi)氣體溫度降低，內(nèi)能減少，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為活塞運動的機械能，總結(jié)得出做功可以改變物體內(nèi)能的結(jié)論。

4 實驗改進效果

4.1 安全可靠，成功率高

利用溫度傳感器測量溫度反映物體內(nèi)能的變化，避免使用硝化棉燃燒放出有害氣體，在整個實驗中未出現(xiàn)明火，實驗更安全;用細線將活塞與啟普發(fā)生器連接避免活塞飛出傷人，安全可靠;傳感器感應(yīng)系數(shù)靈敏度較高，準(zhǔn)確及時反應(yīng)壓縮瓶中氣壓、溫度、濕度變化情況，得出科學(xué)的實驗結(jié)論。

4.2 現(xiàn)象明顯，形象直觀

改進實驗既利用活塞彈出等顯而易見的現(xiàn)象定性展示，又利用傳感器定量測量瓶內(nèi)氣壓、溫度、濕度三者的變化情況得出變化曲線圖，將三個物理量放在一起對比，看到三者的變化情況，學(xué)生可以清晰明了地看到啟普發(fā)生器瓶內(nèi)氣壓先減小后變大，溫度和濕度先變大隨著活塞彈出溫度和濕度都下降，實驗現(xiàn)象明顯。使學(xué)生對做功可以改變物體的內(nèi)能這一規(guī)律有比較清晰的認識[5]，符合初中生的思維發(fā)展水平，有利于學(xué)生由形象思維向抽象過渡。通過傳感器測量的溫度、氣壓、濕度值數(shù)據(jù)更加精確，更容易總結(jié)出溫度變化、內(nèi)能變化及做功的關(guān)系，有助于提高學(xué)生的總結(jié)能力，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

4.3 資源整合，省時省力

把教材中“壓縮空氣做功”實驗和“氣體體積膨脹做功”實驗合二為一，將前者產(chǎn)生的高壓氣體應(yīng)用于后者氣體體積膨脹，充分利用實驗資源。方便、直觀、快速顯示實驗數(shù)據(jù)，減少實驗時間，充分提高課堂效率，有利于貫徹落實“雙減”政策中“減負增效”的教育要求。

4.4 易于操作，切身體驗

教材中實驗由于安全性以及需要一定的操作技巧，只能教師演示學(xué)生觀看，改進實驗由于傳感器可對實驗過程中的物理量細微變化進行探測，利用玻璃膠槍杠桿省力，實驗操作難度較低，學(xué)生操作也能得到相應(yīng)的物理量變化曲線，完全可以讓學(xué)生親自參與到實驗探究歷程當(dāng)中，通過親自組裝、操作實驗，有助于理解抽象的物理規(guī)律，提高動手能力，貫徹“從做中學(xué)”的實驗教學(xué)理念。

4.5 聯(lián)系生活，啟發(fā)教育

此實驗改進裝置中，氣壓、溫度、濕度傳感器都是學(xué)生日常生活中所接觸現(xiàn)代科技產(chǎn)品的組成元件，裝置中的廢舊玻璃膠槍桶也是生活中常見的物品，這些實驗儀器具有生活化、科技化等特點。裝置制作和實驗探究過程中可以啟發(fā)培養(yǎng)學(xué)生將科學(xué)應(yīng)用于日常生活，將日常生活中的物品應(yīng)用于科學(xué)探究的意識，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。學(xué)生親自操作具有現(xiàn)代科技感的傳感器實驗裝置也能培養(yǎng)其將科學(xué)技術(shù)服務(wù)于人類的責(zé)任感和使命感。

4.6 激發(fā)興趣，學(xué)科滲透

本實驗的授課對象是九年級學(xué)生，已具備一定的初中物理基礎(chǔ)知識且對電子產(chǎn)品接觸較多，對新型實驗裝置具有較大興趣，利用傳感器改進此實驗可以培養(yǎng)學(xué)生對實驗探究和科技知識的探索欲、求知欲，滿足新課標(biāo)要求;通過對傳感器和相關(guān)配套軟件的操作使用，可以促進學(xué)生對于信息技術(shù)方面知識的學(xué)習(xí)掌握，理解信息技術(shù)帶給生活的便利，拓寬學(xué)生的知識廣度。

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參考文獻：

〔1〕中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2021版）[S].北京：人民教育出版社，2021.

〔2〕劉作志.基于DIS的初中物理實驗課程資源整合研究[D].青島：青島大學(xué)，2021.

〔3〕滕代安.做功改變物體內(nèi)能實驗的改進[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2019，48（10）：78-79.

〔4〕陳濤，劉全民，劉東利.“做功改變物體內(nèi)能”改進實驗[J].中學(xué)物理，2019，37（06）：30-32.

〔5〕張有建，李鳳嬌.做功改變物體內(nèi)能實驗儀器的改進[J].中學(xué)物理，2018，36（08）：24-25.

收稿日期：2022-01-06

通訊作者：柴萬東（1971-），男，漢族，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：傳感器應(yīng)用，基本教育理論。