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 Excel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 10Ω 和 一 个 5Ω 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

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