数字化实验在初中物理教学中的实践应用.pdf

N o.7(下)2 0 2 3数字化实验在初中物理教学中的实践应用时 玲(山东省淄博文昌湖省级旅游度假区萌水中学 2 5 5 3 1 8)摘要:在信息技术迅猛发展的今天,数字化实验已经走进初中物理课堂,教师借助计算机、传感器、数据采集器等辅助配套教具,针对传统的物理实验模式进行创新、改进,不仅可以清晰、直观地反映出实验原理与实验现象,并且能够有效激发学生的学习兴趣,使学生的科学探索欲变得更加强烈。基于此,在物理教学中,教师应当充分发挥数字化实验的应用优势,通过对力学、电学、热学数字实验的探索,为学生构建集趣味性、科学性、引导性、启发性于一体的高效课堂。关键词:初中物理 数字化实验 应用策略 物理数字化实验实际上是将传统的实验仪器与数字化实验工具结合在一起,并借助计算机等数据处理、分析与显示工具,将实验结论清晰、完整反映出来。目前,在初中物理的力学、热学、电学、电磁学等领域,数字化实验均得到了广泛应用。从实际应用效果可以看出,数字化实验在调动学生学习积极性、拓宽学生知识视野、提高学生知识运用能力方面发挥着至关重要的作用。一、力学数字实验,挖掘实验原理力学是初中物理的一个重要知识点,但是,由于每一个力学定理都需要通过实验的方法才能验证定理的权威性,因此,力学实验项目在初中物理所有实验项目中,始终占据较大比例。而传统的力学实验模式所采用的辅助工具,往往只能体现实验流程与实验现象,却很难清晰反映实验结论。为了有效改善这一状况,使学生真正体验到力学实验的乐趣,挖掘力学知识奥秘,教师可以将数字技术与实验过程融合在一起,并正确引导学生熟练掌握数字化实验的具体步骤。首先,事先准备好实验工具与器材,数字化实验的成败关键在于实验工具的选择是否正确完整,其中,必不可少的力学实验工具包括计算机、数据采集器、力传感器等。其次,在实验前,学生应当熟练掌握传统的实验模式与方法,然后将传统实验模式与数字化实验模式融为一体。这样才能顺利完成整个实验任务。最后,在实验结束以后,学生应当及时进行总结回顾,并将数字化实验过程与传统的实验模式进行比对,然后查找出这两种实验模式之间存在的异同。这对学生持续学习物理并促进其进步具有重要的现实意义。以“摩擦力”的数字化实验为例,该实验所需要的器材和工具包括计算机、力传感器、数据采集器、长木板、细绳、毛玻璃、铁架台等。在这些器材当中,传感器扮演着重要角色,这种装置可以将物理量转换为电信号,然后通过中间传输介质直接将信号传送至计算机。这时,学生可以在计算机显示界面清晰地观察到实验现象与实验结论。在进入实验环节之后,过去所使用的弹簧秤被力传感器所取代,学生将力传感器固定,感知力的一端通过一段弹性较小的细绳与木块连接在一起,这时,木块始终与地面保持相对静止状态,当用手拉动木板时,木块与木板做相对运动,木块与木板之间便出现静摩擦力,当木板处于运动状态时,木块与木板之间便会产生滑动摩擦力。由这一实验现象可以看出,木板的运动状态发生改变,木块与木板所产生的摩擦力类型也存在明显差异。由于该实验使用了49学科教 育N o.7(下)2 0 2 3数据采集器,在通信光纤的传输作用下,实验数据将直接传送给计算机,学生可以更清晰观察到摩擦力的变化情况。接下来,学生可以利用同样的方法,将木块的接触面换成毛玻璃与包装纸,然后,分别拉动毛玻璃与包装纸,让其产生滑动摩擦力。学生可以通过计算机显示器直接观察到实验结果,在这一过程中,学生可以利用E x c e l软件将木块重量、施加的砝码重量与正压力等数据进行分析计算,能够直接验证滑动摩擦力与正压力之间存在的正比例关系。通过这种直观而清晰的实验演示,学生对摩擦力的概念,对影响摩擦力大小的主要因素产生更加深刻印象,这对夯实学生的力学知识基础将起到积极的促进作用。从数字技术在力学实验中的应用效果可以看出,这种新颖的实验模式使物理知识的严谨性、科学性、权威性得到充分体现。首先,传感器这种数字化装置的介入,使得实验数据的分析层次更加清晰、更加直观,尤其是计算机终端显示器所展现的实验结果图像,将实验过程当中的虚拟数据信号转化成为具有既视感的图形、图像,学生可以通过这些具象化的信息,清楚地了解整个实验过程以及实验结果,消除心中对物理知识产生的疑惑。其次,在实验过程中,引入了数据采集器这一实验数据采集装置,该装置能够采集每一个实验步骤所产生的数据信息,然后直接上传至计算机系统,当计算机系统接收到这些信息之后,能够运用数学计算的方法对各类数据进行处理,这一理性分析的过程,使实验数据更加确凿,并且可以证实相关物理学理论的严谨性与科学性,这就给学生物理知识的熟练运用提供了有效路径。二、热学数字实验,探寻实验奥秘热学作为物理学的一个重要分支,主要研究物质处于热状态时的有关性质与规律,在初中阶段,学生接触最多的是热力学第一定律,即能量守恒定律。这一定律的文字性叙述内容是:内能的增量是吸收或放出的热量与物体对外界做的功之和。可以看出,能量守恒定律的概念较为抽象,学生刚刚接触这方面知识,很容易陷入学习瓶颈,尤其对内能概念的理解,常常一知半解。为了解决这一难题,教师可以将数字化实验引入热学实验当中,并利用数字化技术的核心装置 传感器,来验证热学实验原理。在运用这种方法时,教师可以利用温度传感器这一装置来演示热量的传递过程。在数字化技术出现之前,学生很难观察到气体内能的变化情况,容易遗漏一些热力学的关键知识点,进而对后续学习产生诸多不利影响。而数字化技术出现以后,这一难题迎刃而解,学生也可以从计算机终端显示器上面获取更多内能变化的信息,这对夯实热力学基础、提高学习效率都将起到关键性作用。以“内能的改变”的数字化实验为例,在该实验中,所使用的主要实验器材包括自行车内胎、充气筒、玻璃管、温度传感器、计算机等。在实验开始以后,学生首先利用紧箍和一段玻璃管与自行车内胎构成一个密闭容器,这时,将事先准备好的温度传感器直接插入玻璃管当中,并且透过玻璃管可以清晰地看到温度传感器。接下来,学生用手握紧玻璃管,这时,学生的手产生的热量将直接传递给玻璃管,管内温度快速上升,而自行车内胎的气体将直接把热量传递给温度传感器。在实验过程中,玻璃管内的温度是实时变化的,学生通过计算机显示器可以直接观察到以下实验现象:玻璃管的降温过程、热传递改变内能的过程、自行车内胎放气时所反映的温度变化情况,放气结束后,温度逐步向室温恢复的过程。通过对这些数据的分析、计算和整理,可以直接形成该实验的数据分析图,学生能够快速获取对气体做功所引起物体内能变化的数据。实验结束后,学生可以结合最终实验结果对能量守恒定律进行分析和理解。这样可以帮助学生能更加牢固地记忆能量守恒定律。由此可见,数字技术与热力学实验的结合,为学生展现直观、可视、清晰的实验过程,尤其在数据分析结果出现以后,学生对热力学相关概念、相关定理的理解更加深刻。基于此,教师应当充分发挥数字技术的应用优势,并遵循以下三个基本原则来开展热学实验项目。第一,引导性原则。为了帮助学生进一步加深对热力学知识点的印象,随着实59N o.7(下)2 0 2 3验进程的推进,教师应当用一些带有提示性的语言为学生解释实验现象与原理,使学生对每一个实验步骤都能够产生深刻印象。第二,自主性原则。由于学生接触数字化实验的时间较短,对实验步骤、实验方法还比较陌生,教师应当给予学生更多亲自实践机会,可以采取现场指导的方法,帮助学生逐步进入实验角色,有助于学生熟练掌握物理知识。第三,比较性原则。在数字化实验结束以后,学生能够得到一些准确的实验数据,为了验证这些数据的真实性与确凿性,教师可以通过非数字化实验的方法予以论证,如果结果数据一致,则可以证实数字化实验流程的有效性,这也是科学精神的一种体现。三、电学数字实验,增强实验乐趣电学是初中物理知识的重要组成部分,相比于力学、热学等,电学所牵涉的知识面广,涵盖的知识类型多,学习和理解难度相对较大,尤其是电学实验,不仅实验流程繁琐,实验过程也会产生出各种不同的实验现象,这就给整个实验过程蒙上一层神秘面纱。为了帮助学生揭开这层面纱,更加深刻了解实验原理与电学知识本质,教师可以将数字技术融入实验当中,这对学好电学知识将产生以下积极影响:第一,在电学实验中,电压传感器与电流传感器取代了传统的机械式电压表与电流表,在实验开始以后,电压与电流变化图像会清晰显示在计算机上面,学生可以根据动态图像,随时观测到电流与电压之间的变化情况。整个实验流程不仅非常有趣味性,还让学生求知欲望更加强烈。第二,应用数字技术进行电学实验,能够将每一个实验步骤清晰直观显现出来,这样学生对每一个电学知识点都能够产生深刻印象,并且可以结合自身的学习与接受能力,在实验中查缺补漏,进而使电学知识基础更加扎实、更加牢固。以“探究电压与电流关系”的数字化实验为例,该实验需要的数字化装置包括电压传感器、电流传感器、数据采集器、计算机等。首先,学生可以结合电路图创建一个闭合电路,将一个1 0 和一个5 的定值电阻与电路串联,并分别利用电压传感器与电流传感器来测定电压值与电流值,由于电压传感器与电流传感器已经接入数据采集器,因此,学生可以在计算机显示器上面直接观察到电流电压关系曲线。这时,通过将开关闭合,移动滑动变阻器滑片,来改变电阻两端的电压,并测定多组电压值、电流值,最终的测定结果会直接以关系图像的形式显示在计算机上面。这种数字化的实验方法,能够同步生成电流电压图像,并且数据的数量呈现多样化特点,这就使实验结论变得更加准确、可靠。可见,数字化技术在电学实验中的有效运用,既解决了传统电学实验模式电流电压关系不同步生成的问题,也使整个实验流程充满了趣味性,学生自主探究科学奥秘的兴趣更加浓厚。在电学实验当中,教师可以将传统电学实验所使用的器材与装置替换成为传感器、数据采集器等数字化装置,然后通过对传统电学实验原理的分析与解读,让学生熟练掌握电学实验的具体操作方法。这样既可以活跃课堂气氛,调动学生学习积极性,也能够锻炼和培养学生科学探究意识,使学生对物理学习产生更加浓厚的兴趣。数字化实验在初中物理教学中的有效应用,给学生提供了更多探索科学、探求真理、探究真知的机会。教师应当结合数字化技术数据传输速度快、抗干扰能力强、集成化水平高的特点,将其融入整个实验环节,以拓宽学生知识视野,提升物理学知识实践应用能力,让学生将物理学知识学好、学精、学透。参考文献1 邵静.信 息 技 术 与 初 中 物 理 实 验 教 学 的 有 效 融 合 探索J.教学管理与教育研究,2 0 2 1,6(4):9 6-9 7.2 何松.中学物理平台教学模式建构J.中国信息技术教育,2 0 2 0(2 2):6 3-6 6.3 陈维港.中学物理教学中培养学生动手能力的思考J.中国教育学刊,2 0 2 0(S 2):1 1 0-1 1 1.69