中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)器材(數(shù)字化)可視化改進(jìn)的探索

一、初中物理實(shí)驗(yàn)器材數(shù)字化改造的研究背景

1.時(shí)代背景。當(dāng)前社會(huì)已進(jìn)入信息化的高速發(fā)展期，根據(jù)摩爾定律，信息技術(shù)的迭代在每兩年將提升一倍的性能，全息投影、3D打印、虛擬場景、人工智能已經(jīng)逐漸開始應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，信息化終將向智能化發(fā)展。物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，也是信息化、智能化發(fā)展的基礎(chǔ)學(xué)科，相關(guān)實(shí)驗(yàn)、教學(xué)的技術(shù)應(yīng)該緊跟時(shí)代的步伐，讓傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)在不失基本原理的基礎(chǔ)上加持信息化技術(shù)，未能若能與全息投影、3D打印、虛擬場景、人工智能等技術(shù)相結(jié)合，將更有利于學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)際體驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效果和數(shù)據(jù)也更直觀、更準(zhǔn)確，有利于學(xué)生對前沿技術(shù)的認(rèn)知，與當(dāng)前的實(shí)際發(fā)展接軌。

2.物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)現(xiàn)狀?，F(xiàn)行初中物理教材中和課程標(biāo)準(zhǔn)中所給出的初中物理實(shí)驗(yàn)方案是基于十年前甚至更久遠(yuǎn)年代的技術(shù)背景所設(shè)計(jì)的，加之實(shí)驗(yàn)儀器生產(chǎn)單位基于成本的考慮，普遍存在制造精度不高、質(zhì)量不好、技術(shù)陳舊等問題，這直接導(dǎo)致初中物理一線教師在進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)和分組實(shí)驗(yàn)的過程中，部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯、不直觀、數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的現(xiàn)象，常常需要通過對實(shí)驗(yàn)條件、操作方式、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等各方面的補(bǔ)充解釋作為對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的糾正，較為“勉強(qiáng)”的得出物理實(shí)驗(yàn)結(jié)論，這顯然與物理科學(xué)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)科精神是相違背的，不利于對學(xué)生科學(xué)探究精神的培養(yǎng)。

二、初中物理實(shí)驗(yàn)器材數(shù)字化改造解決的核心問題

1.數(shù)字化技術(shù)。利用現(xiàn)有的電子技術(shù)，將一些難以觀測的物理量通過傳感器、芯片的處理，最后通過液晶屏、數(shù)碼管顯示出來，相較傳統(tǒng)的機(jī)械式儀表，具有更精確和更直觀的特點(diǎn)。

2.可視化技術(shù)。利用液晶屏、數(shù)碼管高亮度的顯示特性，將演示實(shí)驗(yàn)中難以直觀觀測的物理量展示出來，提高演示實(shí)驗(yàn)的直觀性，提升演示實(shí)驗(yàn)的效果。

3.相關(guān)顯示技術(shù)。隨著工業(yè)2.0的推進(jìn)，目前我們已成為半導(dǎo)體元器件的制造大國，有相關(guān)成熟的產(chǎn)業(yè)鏈和制造技術(shù)低。

4.傳感器技術(shù)。普適性的民用溫度傳感器的誤差范圍已可以控制在0.1攝氏度，具有較高的精度，完全滿足初中物理實(shí)驗(yàn)的需要。

三、實(shí)踐案例：初中物理實(shí)驗(yàn)器材數(shù)字化、可視化改造研究內(nèi)容

1.數(shù)字化改進(jìn)“焦耳定律”“比熱容”實(shí)驗(yàn)。焦耳定律實(shí)驗(yàn)需要得出的結(jié)論是：電阻產(chǎn)生的熱量，與通過其的電流的平方成正比，與電阻的大小成正比，與通電時(shí)間成正比。關(guān)鍵就在于三個(gè)“正比”關(guān)系如何確立。原器材的實(shí)驗(yàn)方案是通過“轉(zhuǎn)換法”，利用兩側(cè)U型管內(nèi)液面高度差的不同來確立相關(guān)物理量的正比關(guān)系是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，且?shí)驗(yàn)現(xiàn)象也是不直觀，不便于課堂演示實(shí)驗(yàn)?！氨葻崛荨睂?shí)驗(yàn)則是通過兩種質(zhì)量相同的液體在吸收相同熱量的情況下，比較升高溫度的多少來判斷該液體吸熱能力的強(qiáng)弱。原器材是用水銀溫度計(jì)來測量溫度，缺點(diǎn)是水銀溫度計(jì)的顯示不是太直觀可視化，不便于課堂演示實(shí)驗(yàn)。

2.改進(jìn)方案的效果。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)利用高亮數(shù)碼管和溫度傳感器進(jìn)行了數(shù)字化、可視化改造，更直觀、更精確、更有利學(xué)生操作，更有利于學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)理解焦耳定律實(shí)驗(yàn)和比熱容實(shí)驗(yàn)的內(nèi)在物理意義，以此得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論更具說服力。我們在課堂上進(jìn)行了多次實(shí)踐，取得良好的效果。

3.改進(jìn)方案的成本和推廣研究。首先，一個(gè)實(shí)驗(yàn)器材能否能進(jìn)行推廣和應(yīng)用，成本是一個(gè)重要的考量因素。我們研究的重要內(nèi)容之一就是如何在相對合理的成本范圍內(nèi)進(jìn)行改進(jìn)和改造，不追求高、精、尖，將實(shí)驗(yàn)的課堂效果放在首位，也要將實(shí)用性和可推廣性放在重要的考量位置。其次，我們在追求數(shù)字化、可視化改進(jìn)的時(shí)候，也不能一擁而上、沒有甄別。初中物理的眾多實(shí)驗(yàn)中，有對基礎(chǔ)原理的探究和認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)，比如牛頓第一定律實(shí)驗(yàn)、光學(xué)實(shí)驗(yàn)、溫度計(jì)原理、托里拆利實(shí)驗(yàn)等，這些實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)的是最基礎(chǔ)的物理原理，不可替代和跳躍，不適合對其進(jìn)行數(shù)字化、可視化的改造。最后，先進(jìn)的技術(shù)總是在不斷的迭代中，比如全息投影技術(shù)、無線互聯(lián)投屏技術(shù)、數(shù)字化模型構(gòu)建技術(shù)、人工智能技術(shù)等，這些技術(shù)若能陸續(xù)引入到實(shí)驗(yàn)中來，把一些物理抽象的概念通過全息投影具象化、通過投屏技術(shù)清晰化、通過數(shù)字化模型構(gòu)建技術(shù)模型化、通過人工智能技術(shù)，都非常有利于學(xué)生對抽象物理知識(shí)的理解和掌握，對促進(jìn)一線教學(xué)質(zhì)量的提升是非常有幫助的。

【注：本文系深圳市龍崗區(qū)立項(xiàng)課題“中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)器材（數(shù)字化）可視化改進(jìn)的探索”（課題編號(hào)：2021XK351）研究成果】

責(zé)任編輯 徐國堅(jiān)