黃興國 陳美琴

(1.江蘇省泰興市實驗初中教育集團,江蘇 泰州 225400;2.江蘇省南京市第二十九中學(xué)柳洲東路分校,江蘇 南京 210031)

《基礎(chǔ)教育課程改革綱要(試行)》要求:大力推進信息技術(shù)在教學(xué)過程中的普遍應(yīng)用,促進信息技術(shù)與學(xué)科課程的整合,逐步實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)方式、學(xué)生的學(xué)習(xí)方式、教師的教學(xué)方式和師生互動方式的變革,充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢,為學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展提供豐富多彩的教育環(huán)境和有力的學(xué)習(xí)工具。數(shù)字化信息系統(tǒng)(Digital Information System,簡稱DIS)能夠?qū)崟r記錄實驗的過程,并且能把轉(zhuǎn)瞬即逝的實驗數(shù)據(jù)高效、直觀地記錄下來,以前不能做或做不好的一些實驗都可以開展了。[1]

1 數(shù)字化信息系統(tǒng)簡介

數(shù)字化信息系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機和數(shù)據(jù)處理軟件組成,它可實時采集、處理實驗數(shù)據(jù),實驗結(jié)果以數(shù)字、圖像等形式顯示在屏幕上。傳感器對于初學(xué)者來說比較陌生,使用時也有許多困難,教師要以學(xué)生的生活經(jīng)驗為起點,聯(lián)系生活實際設(shè)計具有實踐意義的研究性課題,激發(fā)他們探究的興趣。

數(shù)字化實驗是指使用數(shù)字化技術(shù)替代傳統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)采集和分析處理,從而形成新型的實驗?zāi)Ｊ健Ｔ诔踔形锢斫虒W(xué)中引入DIS,對學(xué)生學(xué)習(xí)物理有非常大的幫助作用,DIS非常適合具有理論性、科學(xué)性、實踐性的教學(xué)內(nèi)容。[2]DIS通過傳感器、數(shù)據(jù)采集器把非電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,再通過計算機處理,以數(shù)字、圖像等形式顯示出來(圖1)。

圖1

DIS解決了初中物理實驗中精確采集數(shù)據(jù)的難題,同時輔以相對完善的軟件系統(tǒng),可以開展利用傳統(tǒng)實驗器材想做而又做不到的實驗。例如,利用兩個聲傳感器可以在實驗室里測出聲速,利用位移傳感器、光電門可以完整地呈現(xiàn)出小車做勻速直線運動的s-t和v-t圖像,利用電流傳感器和電壓傳感器可以描繪定值電阻和小燈泡的伏安特性曲線。DIS的運用為學(xué)生開啟了一扇窗,使他們也感受到科技進步所帶來的便利。

2 DIS的教學(xué)功能

2.1 實驗過程“可視化”,有利于學(xué)生理解物理規(guī)律

DIS應(yīng)用于物理實驗的顯著特點是可運用圖像法分析、處理數(shù)據(jù)。DIS可以捕捉瞬間變化的數(shù)據(jù),如探究作用力與反作用力時,兩人用力傳感器相互對拉,當甲把乙拉向自己一邊時,我們常說“甲的力氣大”,那么是否意味著甲拉乙的力大于乙拉甲的力呢?用DIS可以同時顯示兩個力隨時間變化的圖像,學(xué)生可以直觀地發(fā)現(xiàn)兩者之間的關(guān)系(圖2)。

圖2

2.2 DIS數(shù)據(jù)處理能力強大,利于學(xué)生分析物理過程

DIS能夠在短時間內(nèi)采集和處理大量的數(shù)據(jù),利用圖像來呈現(xiàn)物理量的變化過程,例如在探究冰和燭蠟的熔化的規(guī)律時,利用溫度傳感器代替溫度計進行測量,讓學(xué)生在定性與定量的分析相結(jié)合的基礎(chǔ)上來認識物理規(guī)律,可以達成的效果如下:(1) 實時的、直觀的圖像呈現(xiàn)了物體熔化時溫度隨時間變化的現(xiàn)象,晶體熔化與凝固的溫度—時間圖像如圖3所示,燭蠟的熔化的溫度—時間圖像如圖4所示;(2) 由于這節(jié)課的重點并不在于培養(yǎng)學(xué)生讀數(shù)和描點作圖的能力,使用DIS后可以省去上述環(huán)節(jié),縮短實驗時間,使學(xué)生專注于探尋規(guī)律,著重觀察、總結(jié)晶體和非晶體在熔化過程中溫度變化的特點。

圖3

圖4

2.3 DIS測量精度高,可以測量微小量

DIS實驗與傳統(tǒng)實驗相比優(yōu)勢明顯,傳統(tǒng)實驗器材測量精度有限,讀數(shù)誤差也相對較大。DIS配備了多種傳感器,所測實驗數(shù)值可直接顯示在電腦屏幕上,而且精度更高。如在“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件”實驗中,產(chǎn)生的感應(yīng)電流較小,用電流計演示時學(xué)生不易觀察,我們可以用微電流傳感器顯示出微弱電流的變化(圖5、圖6),學(xué)生能深刻理解實驗過程,得出實驗結(jié)論。

圖5

圖6

2.4 利用DIS可以節(jié)約課堂時間,給學(xué)生的自主探究提供充足的時間

傳統(tǒng)實驗探究的數(shù)據(jù)采集與處理占去了大量時間,沒有足夠的時間讓學(xué)生充分自由表達、質(zhì)疑和提問。而DIS實驗由傳感器和數(shù)據(jù)采集器代替人讀取數(shù)據(jù),用計算機軟件取代手工方式記錄數(shù)據(jù),用計算機代替人腦對數(shù)據(jù)進行處理和分析,使學(xué)生擺脫繁瑣的計算過程,按照學(xué)生探究的要求,將相關(guān)圖像直接顯示出來,從而讓學(xué)生能夠?qū)⒏嗟臅r間、精力用于設(shè)計實驗、提出和驗證猜想,有利于探究教學(xué)的實施。

3 DIS實驗的教學(xué)功能

3.1 加強學(xué)生的交流與合作

傳統(tǒng)的分組實驗容易出現(xiàn)“做的做、看的看”的現(xiàn)象,限于時間、空間、器材、觀察角度等條件,很難讓每個學(xué)生都能動手體驗。將DIS引入初中物理實驗教學(xué)中,在實驗中學(xué)生可以明確分工、各司其職、完成實驗,還可以交換角色,有機會實現(xiàn)沉浸式體驗。交流合作能夠真正地落到實處,比如,在注射器內(nèi)封閉一部分氣體,將壓強傳感器連接到注射器上(圖7),同組學(xué)生明確分工,向外推或向內(nèi)拉注射器的活塞,觀察壓強隨時間變化的圖像,可促進學(xué)生理解推注射器活塞的過程類似于汽油機的壓縮沖程,松開活塞后的過程類似于汽油機的做功沖程,這樣就能方便地得出結(jié)論:汽油機壓縮沖程氣缸內(nèi)氣體壓強增大,做功沖程氣缸內(nèi)氣體壓強減小。這樣的合作過程提高了學(xué)生交流和合作的能力。

圖7

3.2 提高學(xué)生數(shù)形結(jié)合解決實際問題的能力

DIS應(yīng)用于初中物理實驗可以拓展學(xué)生的思維,為學(xué)生提供創(chuàng)造性設(shè)計物理實驗的機會,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維,使學(xué)生體會到實驗設(shè)計和實驗創(chuàng)新的重要性。

蘇教版初中物理教科書中 安排了“探究浮力產(chǎn)生的原因”的實驗,常規(guī)的實驗器材無法直接測出物體上下表面的壓力差,只能通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出結(jié)論,實驗探究浮于表面。我們可以引導(dǎo)學(xué)生利用DIS進行創(chuàng)新設(shè)計:將兩個壓強計改裝后背對背粘在一起(圖8),再分別將兩個壓強計的橡皮管接入兩只壓強傳感器,將實驗裝置浸入水中,上下移動,在電腦屏幕上就會有成對的圖像出現(xiàn)(圖9),學(xué)生根據(jù)圖像很快就可以找到浮力產(chǎn)生的原因。這樣的實驗創(chuàng)新既可以提升學(xué)生的實驗探究能力,又能夠提供大量的、實時的、直觀的、動態(tài)的證據(jù)信息。

圖8

圖9

自制實驗探究器材,可培養(yǎng)學(xué)生的動手能力,使學(xué)生主動參與整個實驗的設(shè)計過程,體會實驗成功的成就感,從而激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新實驗的內(nèi)在動機。因此,運用數(shù)字化技術(shù)進行實驗探究,不僅是實驗教學(xué)手段的一種創(chuàng)新,更是教學(xué)理念的變革。

4 結(jié)語

許多初中物理實驗由于受到條件的限制,有時候并不能直觀地展現(xiàn)實驗的整體面貌,特別是一些瞬間即逝的物理現(xiàn)象與過程,既難以觀察,也難以捕捉。而利用數(shù)字化實驗技術(shù)就可以實時記錄數(shù)據(jù),實驗結(jié)果能夠以多種方式直觀地呈現(xiàn)出來,為改進教學(xué)打開了新窗口,提供了新思路,教師應(yīng)該充分發(fā)揮數(shù)字化實驗技術(shù)的優(yōu)勢,揚長補短,努力提升初中物理實驗教學(xué)的質(zhì)量。