讓數字化探究實驗教學變得更加完美
——“氣體的等溫變化探究實驗設計”教學案例

柏 會

(南京市江寧高級中學　江蘇　南京　211100)

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讓數字化探究實驗教學變得更加完美
——“氣體的等溫變化探究實驗設計”教學案例

柏 會

(南京市江寧高級中學江蘇南京211100)

重視科學探究實驗的完整性，讓數字化實驗簡約而不簡單；課堂上的有效提問，讓學生在數字化實驗過程中“動起來”．

數字化探究實驗傳統實驗有效提問

1　案例背景

隨著現代信息技術和傳感技術的發展，對探究實驗室的產生提供了技術支撐，數字化探究實驗室應運而生．許多經濟比較發達的地區已給各學校配備了數字化實驗儀器，并建有一定數量的數字化實驗室．

數字化實驗較傳統實驗有如下優點：測量范圍廣，彌補了傳統實驗的局限或空白；記憶功能能夠實時測量所需物理量，便于分析動態實驗過程并增強對比性；測量精度高、靈敏度好，節省測量時間—改變了實驗課堂的時間分配和重心．然而任何事物都有其兩面性，數字化實驗也有一定的缺點，比如軟硬件系統原理的復雜性，增加學生對儀器原理的認知難度，影響學生對知識的構建；數字化的過度智能不利于部分重要基礎能力的培養．我們教師在數字化實驗教學過程中，怎樣做才能讓學生既能保持對數字化實驗的新鮮感，感受其快捷方便，又不讓學生做數字化實驗的傀儡，有自己的思維，各種感官都動起來呢？

下面筆者以氣體的等溫變化探究實驗教學設計為例，加以說明．

2　案例展示——氣體的等溫變化實驗探究

2.1實驗目的

教師提出問題:

(1)探究氣體的等溫變化實驗，我們需要研究哪兩個量間的關系？

(2)我們的研究對象是什么？實驗過程中對它有什么要求？

學生思考，并回答以上兩個問題．教師強調，本實驗目的為探究一定質量的氣體，做等溫變化時，壓強與體積的關系．對氣體的要求是質量保持不變、溫度保持不變．

2.2實驗器材的選定

教師提出問題:

(1)大家結合自己的實際生活經驗和實驗目的，思考一下我們用什么來封閉一定質量的氣體，并且又能改變其體積呢？

(2)如何測量封閉氣體的體積和壓強呢？

經過思考并討論，學生能想到用注射器來封閉一定質量的氣體，用氣壓計來測量封閉氣體的壓強．

教師出示傳統實驗裝置如圖1所示，讓學生有所了解．

圖1　測量氣體體積和壓強的傳統實驗裝置

2.3實驗注意事項

教師提出問題:

(1)同學們，我們如何保證封閉氣體的質量不變呢？

(2)實驗過程中要保持封閉氣體的溫度不變，我們可以保持封閉氣體溫度是常溫，和周圍環境的溫度相同；我們也可以保持較高溫度不變，比如說50℃或60℃．分別如何做，并且要注意哪些問題呢？

學生思考并討論，適時引導學生得出結論．

(1)保證質量不變的方法——將注射器壁涂上潤滑油，防止漏氣.

(2)保持封閉氣體溫度不變的方法.

1)保持封閉氣體與周圍環境溫度相同

緩慢推動活塞，防止封閉氣體的溫度升高(可以讓學生聯想給自行車充完氣，摸一下充氣筒，會發熱).

實驗過程中應注意手不要接觸注射器，以免封閉氣體吸收手的熱量，而使其溫度升高．

推動活塞后，靜置一會，待氣體和周圍大氣充分進行熱交換，以保持溫度不變．

2)保持封閉氣體在一特定的較高溫度下

把整個裝置放入熱水中，用溫度計測出水溫(注意加多一點水)．

實驗過程中若發現溫度計示數降低，可適量加入一些熱水，使溫度計示數回復原值．

2.4預設實驗步驟

教師提出問題:你認為本探究實驗的大致步驟是怎樣的？

學生回答：

(1)用注射器封閉一定質量的氣體，記下氣體初始狀態的體積和壓強V1，p1.

(2)推動活塞，改變封閉氣體的體積，記下此時氣體的體積和壓強V2，p2.

(3)重復以上實驗步驟，記下多組體積和壓強.

教師追問:得到的數據如何處理呢？

學生回答：利用作圖法，畫出p-V圖像.

2.5利用先進的DIS數字實驗設備進行此實驗

(1)教師說明

利用DIS數字實驗系統，來做此實驗，測量氣體壓強時我們用壓強傳感器代替壓強計，利用數據采集器，直接將壓強傳感器輸入的模擬信號轉變為數字信號，并將數字信號輸入計算機，計算機記錄數據分析數據．利用如圖2所示的裝置．

圖2　利用數字實驗設備測量氣體體積和壓強

提醒學生打開DIS實驗系統，在表格中設定壓強、體積兩個量，體積可以從注射器壁上的刻度直接讀出，測得的壓強值在計算機屏幕上實時顯示，用鼠標單擊后由計算機自動記錄．這樣可以獲得不同體積時氣體壓強的數值．

(2) 學生進行實驗

實驗過程，教師巡視，做適時指導．

(3) 數據的處理

學生得到數據，教學生利用Excel處理數據，畫出p-V圖像．把不同組的圖像拍出來，通過PPT展示給大家，進行比較，大部分學生得出的p-V圖像，好像是雙曲線．

教師提問：

1)同學們，你們能得出什么結論呢？

2)能不能說明一定質量的等溫變化的氣體，壓強與體積成反比呢？我們再怎么樣去研究兩者的關系呢？(大家可以類比一下探究加速度與質量關系的實驗中，我們研究力一定時，加速度a與質量m的關系時，如何處理的？)

(4)歸納總結，得出結論.

2.6本節課結束后家庭作業

傳統實驗和數字化實驗，你喜歡哪種，為什么？

3　案例分析

3.1重視科學探究實驗的完整性

重視科學探究實驗的完整性，讓數字化實驗簡約而不簡單.

科學探究是一個過程，它主要包括:提出問題、猜想與假設、制定計劃與設計實驗、進行實驗與收集證據、分析與論證、評估、交流與合作等要素．無論是傳統物理實驗還是數字化實驗，都不應脫離科學探究的一般過程．

在這一過程中不僅要關注學生科學探究的結果，更要強調學生在科學探究過程中的經歷和體驗．不僅要關注學生實際的實驗操作，更要強調實驗操作之前做的一系列的工作，比如實驗目的的確定，實驗儀器的選定，實驗步驟的預設，甚至對實驗過程中可能出現的問題進行預估，并能根據實驗過程中可能出現的問題，討論出相應的對策．因此，實驗前做的這一系列的準備過程其實就是學生解決問題的過程，一個個問題得到解決，一個個困難得到攻克，學生自然能從中體會到探究的樂趣．

也許有些學生，甚至有些教師認為，實驗目的的確定，實驗儀器的選定，實驗步驟的預設，只要學生看到了儀器不就一目了然了嗎？殊不知，儀器擺在那里，只是以個體出現，只是一幅靜態的沒有生命的圖畫而已．只有通過學生的大腦加工出來的東西，才能具有生命力，才能保存長久．數字化實驗操作過程非常簡單，不用自己讀數，不用自己處理數據，實驗過程就是簡單的機械運動．如何增加數字化實驗過程的思維含量呢？“重視科學探究實驗的完整性”，會讓數字化實驗簡約而不簡單．

3.2注意課堂提問的有效性

課堂上的有效提問，讓學生在數字化實驗過程中“動起來”.

軟硬件系統原理的復雜性，增加學生對儀器原理的認知難度，影響學生對知識的構建；數字化的過度智能不利于部分重要基礎能力的培養．如果不注意將難點分解，將部分知識讓學生提前有一定的認知，本節課的實驗可能看起來風生水起、一片歡騰，實則是一潭死水．學生思維沒有被激發，只是在做簡單的機械運動，對所做內容可能也是似是而非，整節課是極其失敗的．

學起于思，思源于疑．問題是思維的起點，也是思維的動力．作為教師，只有通過挖掘教材，以問題為契機， 才能把學生的思考引向深入．知識發展本身有漸進性，因此教師在課堂提問的設計上應由易到難，由淺入深，層層遞進，不斷引導學生的思維向縱深發展．有效的課堂提問，能夠培養學生的思維能力，幫助學生養成科學思考問題的方法．所以筆者在本節實驗教學過程中，設置了一系列的問題，引發學生思考，讓學生思維“動起來”，真正做到課堂效率最大化．

數字化實驗系統記錄數據、處理數據都比較快，好像一切都是預設好的，給人以難以置信的感覺．筆者在此環節設置了幾個問題，將節奏拉慢，引發學生用類比法思考處理數據的方法，起到了緩沖的作用．只有手腦并用，充分調動學生的各種感官，將電腦軟件的思維再現，讓學生經過自己的思考，解決遇到的問題，才不至于整節課都飄飄然，才能足夠地接地氣．讓課堂上適時的有效提問，帶學生在數字化探究實驗過程中真正“動起來”.

3.3實現傳統實驗與數字化實驗的無縫對接

傳統實驗和數字化實驗無縫對接，做到魚和熊掌兼得.

本案例中，筆者在數字化實驗前涉及了傳統的探究氣體等溫變化的實驗裝置，這是不是畫蛇添足呢？不同的教師可能有不同的看法．筆者認為在時間允許的情況下，將傳統實驗和數字化實驗結合，是一種很好的方法，這有點魚和熊掌兼得的意思吧！

4　案例反思

21世紀是以知識創新和科技應用為重點的知識經濟時代，國力的強弱越來越取決于勞動者素質的優劣．學生未來的工作環境必然離不開以計算機為核心的信息化環境．數字化實驗具有實驗過程“可視化”、實驗設計“重點化”、數據“智能化”、數據處理“智能化”、教學過程“現代化”的特點，能與未來科學實驗和研究有個很好的銜接．所以適當進行數字化實驗教學也勢必行．怎樣將數字化實驗的效能發揮到極致呢？

筆者認為這需要長時間的進行嘗試和摸索．但無論是什么形式的教學，都不是孤立存在的．我們能做的就是要整合各種資源，利用各種方法，本著培養學生各種能力的原則，盡可能地讓數字化實驗教學變得更加完美，讓學生感受到數字化實驗的魅力，享受科技進步的成果！

1董光順．從新角度談數字化物理實驗的特點．實驗教學與儀器 ，2013(7/8)：57

2016-02-29)