人教版高中物理教材中的實(shí)驗分類及其數(shù)字化改進(jìn)

鄭康

當(dāng)前，新一輪課程改革正在積極推進(jìn)。教師應(yīng)改進(jìn)課堂教學(xué)方式，融合信息技術(shù)開展學(xué)科教學(xué)。筆者梳理人教版新教材中的實(shí)驗內(nèi)容，將其分為演示實(shí)驗、探究性實(shí)驗、驗證或測量性實(shí)驗和拓展性實(shí)驗四類，針對傳統(tǒng)實(shí)驗的不足，提出利用數(shù)字化實(shí)驗系統(tǒng)（DIS）進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)：改進(jìn)演示實(shí)驗，展示動態(tài)物理過程；優(yōu)化探究性實(shí)驗，發(fā)揮圖像處理功能；完善驗證性和測量性實(shí)驗，提高實(shí)驗精度；開展拓展性實(shí)驗，實(shí)施微課題研究。以此，不斷增強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗探究能力，提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。

一、與時俱進(jìn)利用信息技術(shù)改進(jìn)物理實(shí)驗是課標(biāo)要求

物理學(xué)是一門以實(shí)驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，實(shí)驗是物理教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，也是培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的重要途徑?！缎聲r代推進(jìn)普通高中育人方式改革的指導(dǎo)意見》要求教師“積極探索基于情境、問題導(dǎo)向的互動式、啟發(fā)式、探究式等課堂教學(xué)方式；注重引導(dǎo)學(xué)生開展研究型、項目化、合作式等跨學(xué)科綜合性學(xué)習(xí)；認(rèn)真開展好演示實(shí)驗和學(xué)生分組實(shí)驗，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力”。

當(dāng)今社會信息技術(shù)飛速發(fā)展。DIS等信息技術(shù)的應(yīng)用正在改變教師的教學(xué)手段和學(xué)生的學(xué)習(xí)方式。數(shù)字媒體已成為物理教學(xué)特別是物理實(shí)驗教學(xué)的重要課程資源?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》明確提出應(yīng)“積極推進(jìn)信息技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，促進(jìn)信息技術(shù)與學(xué)科課程的整合；充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢，為學(xué)生的多樣化學(xué)習(xí)和發(fā)展提供豐富的手段”。如何有效利用信息技術(shù)促進(jìn)物理教學(xué)方式的變革，是物理教師應(yīng)積極研究的重要課題。在信息技術(shù)日益集成化、系統(tǒng)化的今天，教師基于教材開展DIS實(shí)驗是促進(jìn)物理教學(xué)數(shù)字化的有效途徑。

二、人教版新教材中實(shí)驗梳理與數(shù)字化改進(jìn)

（一）改進(jìn)演示實(shí)驗，展示動態(tài)物理過程，深化物理觀念

演示實(shí)驗多是教師操作的示范性實(shí)驗。教師演示物理現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生觀察思考，以講授或討論等方式，幫助學(xué)生建立物理概念和認(rèn)識物理規(guī)律，為學(xué)生開展實(shí)驗提供參考。以人教版高中物理教材中的正文部分為研究對象，筆者梳理發(fā)現(xiàn)教材中共有40組演示實(shí)驗，其中可用DIS改進(jìn)或開展的演示實(shí)驗共有12組（見表1）。

學(xué)生理解實(shí)驗現(xiàn)象需要觀察和思考，但許多物理現(xiàn)象是瞬間發(fā)生或不夠明顯的。教師用傳統(tǒng)的實(shí)驗器材和方法教學(xué)，學(xué)生難以捕捉和記錄相關(guān)的物理過程。例如，對于牛頓第三定律的研究，傳統(tǒng)的實(shí)驗方案是用兩只相同的彈簧測力計沿相反方向拉動，并同時增大或減小拉力，觀察兩只彈簧測力計的示數(shù)情況。按傳統(tǒng)方法操作，學(xué)生可以觀察到兩只彈簧測力計的示數(shù)是同時增大或者同時減小的，但是要更具體地研究兩者的大小關(guān)系，用肉眼是難以觀測的。筆者利用DIS開展數(shù)字化實(shí)驗，完美破解上述難題。系統(tǒng)自動采集并記錄數(shù)據(jù)（如圖1），同時將數(shù)據(jù)傳送給計算機(jī)并實(shí)時轉(zhuǎn)化為圖像（如圖2），這樣實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗過程的自動記錄和實(shí)驗現(xiàn)象的動態(tài)可視化。

對于一些演示實(shí)驗，如果實(shí)驗現(xiàn)象不夠明顯、直觀，教師可以充分利用DIS傳感器替代肉眼觀測，利用計算機(jī)軟件記錄數(shù)據(jù)，并將動態(tài)的物理過程轉(zhuǎn)換為“物理量—時間”圖像直觀地呈現(xiàn)出來，從而實(shí)現(xiàn)物理現(xiàn)象的可視化。

（二）優(yōu)化探究性實(shí)驗，利用圖像處理功能，提升科學(xué)思維

探究性實(shí)驗主要指在教師指導(dǎo)下，學(xué)生經(jīng)歷“提出問題—猜想假設(shè)—設(shè)計實(shí)驗—實(shí)施實(shí)驗與搜集數(shù)據(jù)—分析論證—評估—交流”的探究過程，并且運(yùn)用歸納概括、分析綜合等思維方法來建立物理概念和探求物理規(guī)律，同時感悟科學(xué)思想和科學(xué)精神、培養(yǎng)交流與合作能力。以人教版高中物理教材中的正文部分為研究對象，筆者梳理發(fā)現(xiàn)教材中共有27組探究實(shí)驗，其中可用DIS改進(jìn)或開展的探究實(shí)驗共有14組（見表2）。

搜集數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)是探究性實(shí)驗的重要環(huán)節(jié)。實(shí)驗結(jié)論必須以數(shù)據(jù)分析作為依據(jù)。然而，對于一些常見的探究性實(shí)驗，實(shí)驗數(shù)據(jù)和作圖都需要學(xué)生處理，這雖然可以提升學(xué)生的計算和作圖能力，但耗時太長，會嚴(yán)重影響對后續(xù)結(jié)果的進(jìn)一步分析和運(yùn)算。例如，學(xué)生用傳統(tǒng)實(shí)驗裝置（包括柱塞、壓力表等器件）探究氣體壓強(qiáng)與體積關(guān)系，每操作一次都要同時讀出體積和壓強(qiáng)的數(shù)值，還要進(jìn)行估讀。在多次操作后，學(xué)生還要根據(jù)得到的多組數(shù)據(jù)作圖像和1/圖像，這會嚴(yán)重擠占課堂時間。筆者開展數(shù)字化實(shí)驗教學(xué)（如圖3），有效克服了以上弊端。DIS自帶數(shù)據(jù)表格功能，且有設(shè)置變量和編輯公式功能，它能夠及時處理數(shù)據(jù)，生成結(jié)果。同時，DIS根據(jù)實(shí)驗數(shù)據(jù)描點(diǎn)作圖（如圖4和圖5），對函數(shù)進(jìn)行擬合，如一次函數(shù)、正比例函數(shù)、反比例函數(shù)、二次函數(shù)等，大大提高了實(shí)驗效率。

對于一些探究性實(shí)驗，如果數(shù)據(jù)記錄和作圖較為煩瑣，教師可以讓學(xué)生充分利用DIS中“計算表格”功能來記錄數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化描點(diǎn)作圖，系統(tǒng)會根據(jù)作好的圖像利用函數(shù)擬合功能進(jìn)行自動擬合。這樣可以節(jié)省課堂時間，讓學(xué)生有充足的時間針對實(shí)驗數(shù)據(jù)和圖像進(jìn)行探討，從而不斷提升科學(xué)思維，發(fā)展科學(xué)推理和科學(xué)論證能力。

（三）完善驗證性和測量性實(shí)驗，提高實(shí)驗精度，增強(qiáng)科學(xué)探究能力

驗證性實(shí)驗主要是讓學(xué)生參與實(shí)驗，驗證由已知物理理論推導(dǎo)出新結(jié)論的正確性，從而加深對物理知識的理解，同時培養(yǎng)學(xué)生的分析和推理能力，提高實(shí)驗技能。測量性實(shí)驗主要是讓學(xué)生應(yīng)用所學(xué)物理知識，運(yùn)用儀器來測定某個物理量或物理常量。它可以幫助學(xué)生理解物理量概念和物理量的意義，學(xué)會運(yùn)用物理規(guī)律，掌握基本的實(shí)驗方法。以人教版高中物理教材中的正文部分為研究對象，筆者梳理發(fā)現(xiàn)教材中共有11組驗證和測量性實(shí)驗，其中可用DIS加以數(shù)字化改進(jìn)或開展的實(shí)驗共有9組（見表3）。

在當(dāng)前高中物理課堂中，學(xué)生主要是使用傳統(tǒng)的實(shí)驗設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗，如刻度尺、秒表、托盤天平、鉤碼、彈簧測力計等。這存在一定的弊端：一方面，傳統(tǒng)設(shè)備精度相對較低，并且在長期使用中容易損耗，往往導(dǎo)致較大的系統(tǒng)誤差；另一方面，實(shí)驗數(shù)據(jù)一般是人工測量讀取，數(shù)據(jù)圖像由手工繪制而成，這會造成一定的偶然誤差。因此，最終得到的實(shí)驗結(jié)果可能偏差很大，這必然會阻礙學(xué)生對物理規(guī)律的深入理解，影響教學(xué)效果。例如，在教學(xué)驗證力的合成與分解遵循平行四邊形定則時，傳統(tǒng)的實(shí)驗方案是使用彈簧測力計、細(xì)繩、橡皮條等器材來操作。具體方法是分別用一只彈簧測力計和兩只彈簧測力計拉動橡皮條使其伸長至同一點(diǎn)，進(jìn)而用力的圖示法作出分力和合力，并將實(shí)際值與理論值進(jìn)行比較。此實(shí)驗方案中，由于測量、讀數(shù)、作圖均存在一定的偶然誤差，導(dǎo)致實(shí)際值與理論值有一定偏差。在DIS實(shí)驗系統(tǒng)中（如圖6），力傳感器靈敏度高，測量精準(zhǔn)，能夠有效減少因人為因素產(chǎn)生的偶然誤差，從而提高實(shí)驗精度。

對于一些驗證性或測量性實(shí)驗，如果傳統(tǒng)實(shí)驗儀器測量精度不高或偶然誤差較大，師生可以充分利用DIS傳感器靈敏度高、測量精確等特點(diǎn)，依靠相關(guān)傳感器采集數(shù)據(jù)，并借助專用的實(shí)驗軟件將實(shí)驗數(shù)據(jù)智能轉(zhuǎn)化為圖像，避免人為因素導(dǎo)致的實(shí)驗誤差，從而提高實(shí)驗精度，使實(shí)驗結(jié)果更有說服力。

（四）開展拓展性實(shí)驗，實(shí)施微課題研究，增強(qiáng)創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力

拓展性實(shí)驗是相對于教材（正文）實(shí)驗而言的，它的選材主要來源于書本中的課后閱讀材料或生產(chǎn)生活實(shí)際，是物理課堂的延伸和發(fā)展。拓展性實(shí)驗以微課題研究為主要形式，突破了時間和空間的限制，有利于學(xué)生利用理論知識解決生活中的實(shí)際問題，因此能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。學(xué)生基于高中物理所學(xué)內(nèi)容，可以參與以下拓展性實(shí)驗（見表4）。

由于受到傳統(tǒng)實(shí)驗儀器和裝置的限制，很多實(shí)驗處于“想做而做不出、能做但做不好”的困境。在DIS引入物理課堂后，物理實(shí)驗的內(nèi)容得到了極大擴(kuò)展。例如，用DIS溫度傳感器配合其他器材，可以較為精確地研究一些熱現(xiàn)象，如電流熱效應(yīng)、紅外線熱效應(yīng)、摩擦力做功等；利用DIS中的電流、電壓和微電流傳感器，可以有效克服電學(xué)量采集和記錄方面的困難，直觀呈現(xiàn)電容器充放電、自感現(xiàn)象等“暫態(tài)現(xiàn)象”。尤其是微電流傳感器，不僅能驗證有微弱磁場存在，而且能支持許多拓展性實(shí)驗，如研究熱電偶中的電流、人體導(dǎo)電時的電流、玻璃導(dǎo)電等。

拓展性實(shí)驗作為一種學(xué)生實(shí)驗，是課堂實(shí)驗教學(xué)的重要補(bǔ)充。在學(xué)生學(xué)習(xí)教材內(nèi)容后，教師可以鼓勵學(xué)生利用豐富的傳感器開展微課題研究，將理論知識與生產(chǎn)生活實(shí)際結(jié)合起來，以此開闊學(xué)生的視野。同時，教師可以設(shè)置DIS實(shí)驗系列校本課程，研究的內(nèi)容可以適當(dāng)?shù)伢w現(xiàn)學(xué)科融合，如制作水果電池并測量其電動勢和內(nèi)阻、探究不同pH對水果電池電動勢及其內(nèi)阻的影響等，以此啟發(fā)學(xué)生從生活中發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。

三、反思與建議

總的來說，相較于傳統(tǒng)實(shí)驗，DIS實(shí)驗具有諸多優(yōu)勢 ：如呈現(xiàn)數(shù)據(jù)直觀、形象，可視化程度高；處理數(shù)據(jù)圖像便捷、高效；采集數(shù)據(jù)精確度高、避免人為測量產(chǎn)生的偶然誤差；采集功能強(qiáng)大，可支持眾多拓展性實(shí)驗。教師應(yīng)用DIS可極大提高實(shí)驗效率和教學(xué)效果，但DIS也有一定的局限性。在教學(xué)中，教師應(yīng)做到以下三點(diǎn)。

第一，尋求DIS實(shí)驗與傳統(tǒng)實(shí)驗最佳結(jié)合點(diǎn)。傳統(tǒng)實(shí)驗作為培養(yǎng)學(xué)生基本實(shí)驗?zāi)芰蛯?shí)驗素養(yǎng)的載體，也是教學(xué)中不能忽略的環(huán)節(jié)。教師應(yīng)合理利用DIS系統(tǒng)，將其作為傳統(tǒng)實(shí)驗的重要補(bǔ)充和優(yōu)化手段，尋求兩者的最佳結(jié)合點(diǎn)。

第二，深度挖掘DIS的拓展功能。教師要充分發(fā)揮DIS實(shí)驗高效率、高精度、多途徑的優(yōu)勢，用其開展研究性學(xué)習(xí)、跨學(xué)科學(xué)習(xí)、微課題研究等活動，引導(dǎo)學(xué)生將理論知識應(yīng)用于實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)和解決生活中的實(shí)際問題。

第三，激發(fā)更多的創(chuàng)新要素。教師要利用DIS多樣化功能，充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，讓學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中不斷體驗、發(fā)現(xiàn)和感悟，引導(dǎo)學(xué)生逐漸從被動接受轉(zhuǎn)向主動探究、從建構(gòu)知識轉(zhuǎn)向能力提升，從而激發(fā)更多創(chuàng)新要素，使學(xué)生創(chuàng)新思維能力得到有效發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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（作者系江蘇省常州市戚墅堰高級中學(xué)高級教師）

責(zé)任編輯：祝元志