例談數(shù)字化探究實驗室在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用

邱樹青

摘要：數(shù)字化探究實驗室作為一種新型課程資源和新的教學(xué)方式，以學(xué)生的真實實驗為基礎(chǔ)，用傳感器進行實驗數(shù)據(jù)的測量，實現(xiàn)了計算機與初中物理教育教學(xué)的有效整合。初中物理教育教學(xué)在常規(guī)教學(xué)創(chuàng)新、傳統(tǒng)實驗改進、科學(xué)探究深入等方面與數(shù)字化探究實驗室相結(jié)合產(chǎn)生了良好的效果。本文以“摩擦力”教學(xué)為例，探索在初中物理教學(xué)中如何利用數(shù)字化探究實驗室。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化探究實驗室?計算機?初中物理教學(xué)

2019年3月，我縣教育第一集團聯(lián)盟建成了全縣第一個數(shù)字化探究實驗室，實驗室配備了一套VR、部分數(shù)字化演示實驗器材以及多套數(shù)字化探究實驗系統(tǒng)，可以進行很多數(shù)字化實驗，例如：測量小車速度、水凝固與冰熔化、測滑動摩擦力大小、伏安法測電阻實驗等。這將大大地改善了學(xué)校的實驗教學(xué)條件，是提高學(xué)校的教學(xué)質(zhì)量的途徑之一，也豐富了教師的教學(xué)手段。

一、數(shù)字化探究實驗系統(tǒng)簡介

數(shù)字化探究實驗系統(tǒng)的組成

1.硬件：傳感器、采集器、計算機

2.軟件：數(shù)據(jù)采集控制軟件、數(shù)據(jù)處理軟件

二、數(shù)字化探究實驗的特征

1.數(shù)據(jù)采集的功能強大

通過計算機，可以采集到從傳感器瞬間變化過程中獲得的大量數(shù)據(jù)，也可以采集緩慢過程中的不同實驗數(shù)據(jù)。

2.數(shù)據(jù)處理的能力更加靈活

利用計算機，可以來控制實驗的進行，也可以對很多數(shù)據(jù)進行煩瑣的、迅速的處理，例如數(shù)據(jù)間的相互轉(zhuǎn)換、圖像的合成、實驗誤差的計算等。

3.為互動式課堂教學(xué)創(chuàng)設(shè)了條件

通過計算機的聯(lián)機，很好地實現(xiàn)了各種實驗數(shù)據(jù)的共享，在此基礎(chǔ)上可以對各種實驗結(jié)果進行討論、比較，為互動式的課堂教學(xué)創(chuàng)設(shè)了有利條件。

三、教學(xué)實例——“摩擦力”

“摩擦力”是初中物理最重要的概念之一，也是教學(xué)難點之一。“探究影響滑動摩擦力大小的因素”是讓學(xué)生了解有關(guān)摩擦力的基本知識、掌握測量滑動摩擦力的基本方法的實驗，該實驗是使木塊在長木板上做勻速直線運動，然后再根據(jù)二力平衡的原理間接測出了摩擦力的大小。

如圖1所示的裝置是以往實驗教學(xué)過程中經(jīng)常采用的，用彈簧測力計拉著木塊在水平長木板上做勻速直線運動，根據(jù)彈簧測力計的示數(shù)來間接測量摩擦力的大小。但由于人的拉力很難穩(wěn)定，很難使木塊做勻速直線運動，彈簧測力計的示數(shù)不穩(wěn)定，且不易讀數(shù)，摩擦力很難測量，本實驗大多情況下作為一種模糊的定性研究。

利用數(shù)字化探究實驗室中的裝置和器材，即可解決上述問題。

實驗方案：用拉力傳感器測量滑動摩擦力

1.實驗裝置及器材：拉力傳感器、智能數(shù)字實驗盤、計算機、SenseDisc iLab實驗軟件、表面粗糙程度不同的木板、木塊、重物等。如圖2所示，為已經(jīng)連接的智能數(shù)字實驗盤和拉力傳感器，拉力傳感器可測拉力大小，利用智能數(shù)字實驗盤將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給計算機，再由專門實驗軟件自動進行數(shù)據(jù)處理，繪制圖像。

2.實驗操作：用數(shù)據(jù)線連接好計算機、智能數(shù)字實驗盤、拉力傳感器，將拉力傳感器固定，將木塊放在木板上，用細線與拉力傳感器相連，如圖3所示，拉動木板，這樣木塊始終與桌面保持相對靜止，即可測出木塊受到的摩擦力。

在緩慢拉動木板的過程中，開始時，木塊在木板上并沒有運動，但是它們之間有相對運動的趨勢，那么它們之間也就存在著靜摩擦力;當(dāng)木板被拉動時，那么木板和木塊之間就產(chǎn)生了滑動摩擦力。由于木塊始終保持相對靜止，所以各個時間段的滑動摩擦力的大小也就等于相應(yīng)的拉力大小了。當(dāng)把實驗數(shù)據(jù)傳輸給計算機時，計算機就會自動繪畫成圖像，如圖4所示。這樣通過圖像清晰地給學(xué)生呈現(xiàn)了摩擦力的變化情況。

然后，再改變接觸面的粗糙程度和木塊上的重物，進一步探究滑動摩擦力大小與接觸面粗糙程度和壓力的關(guān)系，最后得出結(jié)論：壓力越大，接觸面越粗糙，滑動摩擦力越大。

3.實驗分析：由圖像可知，圖中的①體現(xiàn)了木塊受到的拉力為零時處于靜止的狀態(tài)，因此沒有受到摩擦力的作用。圖中②表明了木塊與木板之間保持相對靜止時，靜摩擦力隨著拉力的增大而增大，圖中③是顯示的是木板剛好被拉動時，受到的摩擦力即為最大靜摩擦力，圖中④表明的是物體的運動過程，由圖中可以清晰地看出滑動摩擦力的大小是小于最大靜摩擦力的大小，并且是始終保持不變的。

4.實驗優(yōu)勢：由以上分析可知，實驗數(shù)據(jù)分析層次的提升歸功于數(shù)字傳感器的介入。圖像的顯示能夠培養(yǎng)學(xué)生的觀察、分析和歸納等能力，讓他們對摩擦力的認知有了進一步的提高，將教學(xué)內(nèi)容變得更加嚴謹、更加科學(xué)。圖4的完整圖線不僅讓學(xué)生了解了最大靜摩擦力，還加深了對摩擦力的理解，為進一步學(xué)習(xí)高中物理知識打下了基礎(chǔ)。

四、結(jié)束語

在初中物理教學(xué)過程中利用了數(shù)字化探究實驗室，肯定會深受學(xué)生喜愛和歡迎，其強大的教學(xué)功能， 將有助于傳統(tǒng)的教學(xué)手段與計算機教學(xué)技術(shù)相結(jié)合 ，也有助于初中物理新課改的順利推進。在初中物理傳統(tǒng)實驗教學(xué)的改進、科學(xué)探究的深入和創(chuàng)新等應(yīng)用層次上，利用數(shù)字化探究實驗室必將帶來質(zhì)的飛躍。學(xué)習(xí)新技術(shù)，運用新技術(shù)，也給我們教師提出了新的要求、新的使命、新的挑戰(zhàn)。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：人民教育出版社，2011.

[2]任偉德.中學(xué)使用數(shù)字信息系統(tǒng)實驗儀器的探討和思考[J]，教學(xué)儀器與實驗，2007（1）.

責(zé)任編輯：黃大燦