隨著信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)迎來了轉(zhuǎn)型的機(jī)遇。《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“課標(biāo)”）明確提出“通過實(shí)驗(yàn)了解焦耳定律，運(yùn)用科學(xué)探究發(fā)展核心素養(yǎng)”的要求。然而，傳統(tǒng)焦耳定律實(shí)驗(yàn)存在諸多局限，如教材中溫度計(jì)讀數(shù)耗時(shí)、氣體熱膨脹法難以定量分析、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象受環(huán)境干擾顯著等。一些教師雖嘗試改進(jìn)，但仍難以解決數(shù)據(jù)采集效率低、學(xué)生參與度不足等問題。針對(duì)上述問題，筆者以滬科技版教材為基礎(chǔ)，整合數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（Digital Information System，DIS），創(chuàng)新設(shè)計(jì)焦耳定律定量探究方案，利用溫度傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、Excel快速處理信息、動(dòng)態(tài)圖像直觀呈現(xiàn)規(guī)律，構(gòu)建“現(xiàn)象可視—數(shù)據(jù)可測(cè)—結(jié)論可證”的實(shí)驗(yàn)閉環(huán)。本文以“探究電流熱效應(yīng)影響因素”為例，闡述如何借助信息技術(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)流程，讓學(xué)生在真實(shí)探究中提升科學(xué)思維與創(chuàng)新能力。

一、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的動(dòng)因與路徑

“探究影響電流通過導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的熱量多少的因素”實(shí)驗(yàn)是人教版物理九年級(jí)全一冊(cè)第十八章電功率第4節(jié)“焦耳定律”教學(xué)中的重要演示實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生的知識(shí)綜合運(yùn)用能力有較高要求，學(xué)生借此實(shí)驗(yàn)?zāi)芨钊氲乩斫怆娐分心芰哭D(zhuǎn)化的現(xiàn)象。課標(biāo)指出：“通過實(shí)驗(yàn)，了解焦耳定律。能用焦耳定律說明生產(chǎn)生活中的有關(guān)現(xiàn)象。”課標(biāo)要求學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究對(duì)焦耳定律的內(nèi)容形成科學(xué)認(rèn)知。焦耳定律實(shí)驗(yàn)的教學(xué)重點(diǎn)除了讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中感受完整的科學(xué)探究過程外，還可讓學(xué)生聯(lián)系已學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)兩種實(shí)驗(yàn)電路，以及間接測(cè)量電流通過導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的熱量的方法。不同的電路設(shè)計(jì)和表示電熱的方法可以組合出多種實(shí)驗(yàn)裝置。

各版教材給出的實(shí)驗(yàn)方案有所不同。滬科技版教材中的電路設(shè)計(jì)是通過滑動(dòng)變阻器與電阻串聯(lián)的方式改變電路中的電流，人教版采取的是混聯(lián)電路的形式，二者相比，學(xué)生對(duì)于滬科技版中的電路更熟悉，更易理解。但滬科技版教材中讀取溫度計(jì)示數(shù)變化量表示電熱的方法，在操作過程中存在加熱時(shí)間長、操作困難的問題。在課堂教學(xué)中，人教版教材中用空氣受熱膨脹的程度反映電熱的方法更受廣大教師歡迎，因?yàn)槭褂迷撗b置在課上演示時(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，用時(shí)短。但該裝置的實(shí)驗(yàn)效果受氣體盒密封性影響較大，并且無法進(jìn)行定量分析。

許多教師在總結(jié)教材中的經(jīng)驗(yàn)后對(duì)此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了創(chuàng)新和改進(jìn)，多數(shù)是從改進(jìn)反映電熱多少的方式入手。例如，以凡士林熔化的快慢^[1]、氣球充氣的多少^[2]或感溫變色材料^[3]間接反映熱量的多少，提高實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可感度。有的教師在滬科技版裝置基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)，采用數(shù)字溫度計(jì)測(cè)量，解決了實(shí)驗(yàn)室常用液體溫度計(jì)讀數(shù)困難的問題，并且記錄數(shù)據(jù)后可以對(duì)結(jié)果進(jìn)行定量分析^[4]。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可利用現(xiàn)代信息技術(shù)輔助實(shí)驗(yàn)開展學(xué)科教育，為學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)更充分地實(shí)施并理解實(shí)驗(yàn)提供了技術(shù)支撐。課標(biāo)指出：“注重科學(xué)探究，倡導(dǎo)教學(xué)方式多樣化……合理運(yùn)用信息技術(shù)?！惫P者設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，利用傳感器、Excel表格等信息技術(shù)，借助數(shù)據(jù)采集器可實(shí)現(xiàn)快速收集數(shù)據(jù)，界面實(shí)時(shí)顯示圖像可解決可觀性問題，Excel表格處理數(shù)據(jù)，取得較好的實(shí)驗(yàn)效果。

二、實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

筆者參考滬科技版教材中的設(shè)計(jì)，采用液體的溫度變化量表示液體吸收熱量的多少。在課堂教學(xué)中高效完成定量探究實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于如何使各燒瓶中液體溫度變化量能方便快捷準(zhǔn)確地被讀取和記錄，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速處理。

本實(shí)驗(yàn)的解決方法是采用溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集器，將實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)顯示在屏幕上、記錄在電腦中。經(jīng)設(shè)置后，電腦界面還可以直接呈現(xiàn)溫度隨時(shí)間變化的曲線。圖像既可以幫助學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，又可以讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中得出電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與時(shí)間的關(guān)系，大幅提高實(shí)驗(yàn)效率，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的觀感，使學(xué)生在演示實(shí)驗(yàn)中更有參與感，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

為了讓學(xué)生更好地觀察燒瓶內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在燒瓶外未添加保溫層。想要忽略散熱對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，需要縮短加熱時(shí)間，使液體快速升溫。依據(jù)公式Q=cm△t"，在吸收的熱量一定時(shí)，燒瓶中液體的溫度變化量受液體質(zhì)量和液體種類的影響。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)之初，筆者選取了不同質(zhì)量的水和油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使用阻值為2 Ω的定值電阻通過1 A電流對(duì)液體加熱60 s，測(cè)量液體的溫度變化量△t并記錄（見表1）。

實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)燒瓶中的液體體積過少時(shí)，難以將電阻絲和溫度傳感器的探頭均完全浸沒于液體中且不接觸燒瓶，所以將液體體積最小值選取為100 ml。從數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，選用水作為被加熱液體時(shí)，由于水的比熱容較大，吸收相同熱量時(shí)水的溫度變化量較小，100 ml的油在60 s內(nèi)溫度變化量更大。所以在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中燒瓶內(nèi)盛放的液體為100 ml食用油。

溫度傳感器探頭放置的位置極大程度上影響了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。熱量從電阻絲傳遞給食用油，瓶中各部分油的溫度并不統(tǒng)一。各版教材中均沒有明確說明溫度計(jì)液泡在液體中相對(duì)電阻絲的位置。若傳感器探頭距離電阻絲位置偏遠(yuǎn)，觀察到的溫度變化很慢，現(xiàn)象不明顯。部分熱量在向外傳遞的過程中會(huì)散失到空氣中，使測(cè)量的溫度偏低。在組建裝置時(shí)，需調(diào)整傳感器探頭位置，使探頭盡可能靠近但不直接接觸電阻絲。本次實(shí)驗(yàn)，筆者將傳感器探頭放置在電阻絲上方約0.5 cm處，并保證各個(gè)燒瓶中溫度傳感器探頭與電阻絲間的距離一致。

基于上述實(shí)驗(yàn)和分析，自制6個(gè)實(shí)驗(yàn)用燒瓶，每個(gè)燒瓶各裝100 ml食用油，將電阻絲浸沒在油中，用溫度傳感器測(cè)量油溫。實(shí)驗(yàn)中所用的阻值不同的定值電阻是截取不同長度的直徑為0.5 mm、阻值5.551 Ω/m的Cr20Ni80鎳鉻絲自制而成。采用友高數(shù)字采集系統(tǒng)及其配套的YOCO-S14 型號(hào)溫度傳感器（量程-20-120 ℃）實(shí)現(xiàn)測(cè)量和收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的工作。傳感器將溫度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)記錄并傳輸至計(jì)算機(jī)。依據(jù)控制變量的思想，將該實(shí)驗(yàn)分解為3個(gè)小實(shí)驗(yàn)：定量探究電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與導(dǎo)體的電阻、導(dǎo)體中的電流和通電時(shí)間之間的關(guān)系。其中，定量探究電熱與通電時(shí)間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以在進(jìn)行另外兩個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)得到，并且在每一次實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)采集器界面都直接顯示了溫度與時(shí)間的關(guān)系，因此無需再單獨(dú)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。利用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置，按電路圖連接電路（如圖1），進(jìn)行測(cè)量。

三、數(shù)據(jù)處理的思維進(jìn)階

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析論證并得出相應(yīng)結(jié)論是科學(xué)探究中關(guān)鍵的步驟，在此過程中可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，讓學(xué)生領(lǐng)悟運(yùn)用實(shí)證分析客觀世界本質(zhì)規(guī)律和內(nèi)在聯(lián)系的實(shí)驗(yàn)思想。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師需讓學(xué)生能更充分地參與到數(shù)據(jù)處理中來，切身體會(huì)這一過程并形成科學(xué)認(rèn)知。

焦耳定律的內(nèi)容是一個(gè)含有平方項(xiàng)的公式，學(xué)生較難通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直接歸納得出結(jié)論。九年級(jí)學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了一次函數(shù)和二次函數(shù)，對(duì)其圖像有了基本的認(rèn)識(shí)。在充足的數(shù)學(xué)知識(shí)儲(chǔ)備基礎(chǔ)上，借助圖像法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以有效地幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出定量關(guān)系。

在數(shù)據(jù)分析的環(huán)節(jié)中，未采用常見的在DIS中內(nèi)嵌公式將處理好的數(shù)據(jù)結(jié)果直接展示給學(xué)生的方式，而是讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格。筆者在課前設(shè)置好空白的圖表，課上讓學(xué)生設(shè)計(jì)具體表格，提取數(shù)據(jù)采集器中采集到的溫度數(shù)據(jù)，借助Excel表格內(nèi)嵌的公式計(jì)算功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理，讓整個(gè)數(shù)據(jù)處理的過程顯化。Excel表格工具僅起到快速計(jì)算和繪制圖像的作用。如此，學(xué)生切身參與到數(shù)據(jù)處理的過程中去，并對(duì)數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行擬合，得出定量關(guān)系（如圖2）。

在探究電熱與電阻的關(guān)系實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)記錄表格，繪制成圖像后對(duì)其進(jìn)行擬合，繪制得到過原點(diǎn)的直線，觀察數(shù)據(jù)圖像得出結(jié)論：電流和通電時(shí)間一定時(shí)，油溫變化量跟電阻成正比，即電流通過導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的熱量跟電阻成正比。

在探究電熱與電流關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中，先設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)記錄表格，由繪制圖像可知溫度的改變量與電流的關(guān)系圖是一條近似二次函數(shù)的曲線，從而猜測(cè)溫度的改變量可能與電流的二次方成正比。改進(jìn)數(shù)據(jù)表格后繪制的圖像是一條過原點(diǎn)的直線。得出結(jié)論：當(dāng)電阻和通電時(shí)間一定時(shí)，電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與電流的二次方成正比（如圖3）。

四、教學(xué)實(shí)踐的價(jià)值延伸

本實(shí)驗(yàn)基于滬科技版教材中的器材進(jìn)行了升級(jí)，借助數(shù)字化系統(tǒng)，采用溫度傳感器測(cè)量溫度數(shù)據(jù)，測(cè)得的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器直接記錄到電腦，顯示在屏幕上。筆者開展該實(shí)驗(yàn)有效地解決了傳統(tǒng)液體溫度計(jì)讀數(shù)難、數(shù)據(jù)記錄慢的問題，讓學(xué)生更直觀便捷地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在數(shù)據(jù)分析階段，學(xué)生借助Excel表格工具進(jìn)行計(jì)算和繪圖，大幅縮短數(shù)據(jù)處理的時(shí)間，非常高效。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中真探究、真分析，對(duì)發(fā)展科學(xué)素養(yǎng)有積極作用，同時(shí)有利于培養(yǎng)學(xué)生借助計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理的高階能力。此能力可以遷移到其他實(shí)驗(yàn)中，逐步提高分析、解決問題的能力，對(duì)學(xué)生未來從事科學(xué)研究工作大有裨益。

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（作者系北京師范大學(xué)附屬中學(xué)教師）

責(zé)任編輯：祝元志