合理利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)努力提升物理核心素養(yǎng)

摘 要：數(shù)字傳感器技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高中物理課堂教學(xué)中，本文基于筆者的教學(xué)實(shí)踐，嘗試將該技術(shù)引入初中課堂，在“熔化與凝固”一節(jié)學(xué)習(xí)中，作為學(xué)生物理探究的認(rèn)知工具來合理使用。對培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的研究方法和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶骄烤瘢M(jìn)而努力提升物理核心素養(yǎng)做出初步探索。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化；傳感器；核心素養(yǎng)；熔化；實(shí)驗(yàn)

一、 背景

隨著數(shù)字化傳感器技術(shù)不斷發(fā)展，傳感器技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高中物理課堂教學(xué)中。但很多教師僅僅只是把傳感器當(dāng)成精密的測量工具，而沒有把它作為學(xué)生物理探究的認(rèn)知工具來合理使用，尤其在初中課堂，仍然局限于較為粗糙的測量工具和低效的實(shí)驗(yàn)操作。研究如何在初中物理課堂中合理使用傳感器技術(shù)，改進(jìn)課堂教學(xué)模式、優(yōu)化物理教學(xué)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的研究方法和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶骄烤瘢M(jìn)而努力提升物理核心素養(yǎng)是有意義的課題。本文基于筆者的教學(xué)實(shí)踐，探索如何在物理課堂中合理利用傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)學(xué)生物理觀念的建立、科學(xué)思維的培養(yǎng)、科學(xué)探究的經(jīng)歷、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的體驗(yàn)。

二、 思考

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，尤其在初中階段做好物理分組實(shí)驗(yàn)，對激發(fā)學(xué)生的興趣、提高學(xué)生的操作技能、培養(yǎng)學(xué)生的探究能力、養(yǎng)成科學(xué)的思維方式、形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和科學(xué)精神等，都有極其重要的作用。“探究冰的融化特點(diǎn)”是蘇科版八年級(jí)物理繼“水的沸騰”后，又一個(gè)重要的探究物理規(guī)律的實(shí)驗(yàn)。由于眾多因素的影響，該實(shí)驗(yàn)一直作為演示實(shí)驗(yàn)來操作。同時(shí)，在分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，延續(xù)了上一個(gè)實(shí)驗(yàn)“水的沸騰”的方法和步驟，即記錄時(shí)間和溫度值，通過描點(diǎn)畫線的方法，作出溫度隨時(shí)間變化的圖像，從中找出晶體和非晶體在熔化過程中的特點(diǎn)。這個(gè)過程中存在數(shù)據(jù)誤差大、收集慢、效率低等問題，使得一節(jié)課只能完成熔化研究實(shí)驗(yàn)，而凝固這一過程只能夠口頭敘述或視頻代替，更不用說做學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)了。基于上述原因，筆者引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)器材，并改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，以適應(yīng)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的要求，且簡化了數(shù)據(jù)采集和分析處理過程，大大提高了課堂效率，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)的思維探究等能力，對提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)做出了嘗試。

三、 改進(jìn)和操作

1. 引入數(shù)字化傳感器，因?yàn)槠渚哂幸韵绿攸c(diǎn)：（1）強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集能力；（2）靈活的數(shù)據(jù)處理能力；（3）便利的開放互動(dòng)式系統(tǒng)等。本實(shí)驗(yàn)使用了溫度傳感器，其溫度探頭位于針狀合金棒的頂端，使用時(shí)和普通液體溫度計(jì)類似，符合學(xué)生所學(xué)習(xí)的溫度計(jì)使用要點(diǎn)，所以對學(xué)生而言不存在使用上的困難。本實(shí)驗(yàn)采用朗威DISLab LW-T803系列溫度傳感器（-50℃～+200℃）及配套數(shù)據(jù)采集器，軟件版本V8.0。

2. 在直徑為1cm的玻璃試管中倒入1～2mL的水，放入-10℃的冰鹽水中，將溫度傳感器的感溫部分插入水中合適位置，靜等1分鐘左右，待凝固后取出，放入冷凍室備用。

3. 器材從實(shí)驗(yàn)室拿到教室時(shí)，可用保溫杯放入適量的濃鹽水，將凍有溫度傳感器的試管放入其中，可保持其溫度在-7℃左右。

4. 將溫度傳感器接入電腦后，再將試管固定在試管夾上，操作簡便快捷。數(shù)據(jù)開始采集時(shí)，起始溫度可以從-6℃左右開始記錄。視環(huán)境溫度高低，30到40秒后溫度就可升高到0℃左右，并開始保持不變。5分鐘左右就可完成冰熔化時(shí)的溫度記錄和現(xiàn)象的觀察。（如圖）

5. 還可以將石蠟的熔化實(shí)驗(yàn)同步進(jìn)行，在兩個(gè)窗口中實(shí)時(shí)展示溫度變化曲線，顯示出兩者的溫度變化不同特點(diǎn)。教師做演示實(shí)驗(yàn)的話，可控制在5分鐘以內(nèi)；學(xué)生做分組實(shí)驗(yàn)的話，可控制在10分鐘到15分鐘之內(nèi)，實(shí)驗(yàn)的操作、數(shù)據(jù)的記錄、最后結(jié)果的分析都可完成。

6. 借用裝有冰凍濃鹽水的保溫杯還可完成凝固實(shí)驗(yàn)，極大地提高了學(xué)生對熔化和凝固過程的完整認(rèn)識(shí)。

四、 反思和評(píng)價(jià)

1. 溫度傳感器靈敏度高且數(shù)據(jù)記錄的精確度可調(diào)整，記錄溫度的時(shí)間間隔也可以進(jìn)行調(diào)整。通過軟件的調(diào)整，還可以將晶體和非晶體溫度圖像變化，放在一個(gè)平面直角坐標(biāo)系或兩個(gè)平面直角坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行比較，非常靈活。在處理稍許誤差時(shí)也很方便，可以用擬合曲線進(jìn)行一次函數(shù)或二次函數(shù)圖像的擬合。

2. 利用該裝置還可以進(jìn)行課后的延伸拓展探究，例如：水中混有雜質(zhì)（鹽水或糖水）以后的熔點(diǎn)或凝固點(diǎn)的變化情況；鹽水濃度對水的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)變化的影響；冰的比熱容和水的比熱容的變化。

3. 雖說初中課堂以體驗(yàn)基礎(chǔ)探究為主，學(xué)生必須知道數(shù)據(jù)是如何采集的，如何分析的，但是教材的上一個(gè)分組實(shí)驗(yàn)“研究水的沸騰”，已經(jīng)完整地經(jīng)歷了該過程，在本實(shí)驗(yàn)中再次經(jīng)歷這個(gè)過程，就顯得比較累贅，并且降低了課堂效率。為提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，可以將重復(fù)單調(diào)的數(shù)據(jù)收集和記錄工作，交由計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)完成，而學(xué)生就可將精力集中于對數(shù)據(jù)的分析、推理、整合等方面，并從中歸納出物理規(guī)律，這才是現(xiàn)階段對提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)最有力的幫助。

4. 若借用數(shù)字傳感器對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和分組實(shí)驗(yàn)，需要對學(xué)生進(jìn)行一定的培訓(xùn)，結(jié)合學(xué)校的硬件條件，筆者認(rèn)為可以適當(dāng)開展社團(tuán)興趣小組活動(dòng)，以提前接觸數(shù)字實(shí)驗(yàn)器材，為今后的學(xué)習(xí)和研究打下基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國二十一世紀(jì)教育發(fā)展綱要.

[2]孫海禎.用溫度傳感器改進(jìn)冰的熔化和凝固實(shí)驗(yàn)[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2014（12）.

作者簡介：

盛宏立，江蘇省常州市，常州市新北區(qū)實(shí)驗(yàn)中學(xué)。