物理實(shí)驗(yàn)“可視化”的探索與實(shí)踐

陳海深 葉其思 宋善炎

（1.湖南師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410081；2.廣西師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣西 桂林 541004）

實(shí)驗(yàn)是物理新課程改革的重要環(huán)節(jié)，是落實(shí)物理課程目標(biāo)、全面提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑，也是新課程改革的重要課程資源.［1］隨著物理實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)條件的進(jìn)一步改善和現(xiàn)代教育技術(shù)的不斷發(fā)展，物理實(shí)驗(yàn)的“可視化”教學(xué)也越來(lái)越受到學(xué)生的歡迎.它能夠?qū)鹘y(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)或技術(shù)無(wú)法展示的“疑難”演示實(shí)驗(yàn)、“復(fù)雜”演示實(shí)驗(yàn)直觀地呈現(xiàn)給學(xué)生.

物理實(shí)驗(yàn)“可視化”也是學(xué)生開展科學(xué)探究學(xué)習(xí)的重要方式，能夠吸引他們參與到觀察與體驗(yàn)、猜想與假設(shè)、分析與交流、實(shí)踐與創(chuàng)造等實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，讓學(xué)生獲得更形象、更直觀、更真實(shí)的認(rèn)知體驗(yàn)，使抽象的物理知識(shí)具體化、形象化、圖示化.也能促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展，提升他們的動(dòng)手實(shí)踐能力.［2］運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)的““可視化”實(shí)驗(yàn)還具有傳遞速度快、反饋效率高的特點(diǎn)，能夠提高物理實(shí)驗(yàn)演示的效果，為科學(xué)概念的形成提供關(guān)鍵的證據(jù)，幫助學(xué)生科學(xué)有效地建構(gòu)物理知識(shí)，從而達(dá)到提高物理教學(xué)水平的目的.

1 物理實(shí)驗(yàn)“可視化”的開發(fā)與實(shí)踐

1.1 “色差法”可視

（1）彩虹杯.

實(shí)驗(yàn)器材：白砂糖、顏色為紅、黃、綠3種顏色的色素、水、3個(gè)燒杯、玻璃瓶、勺子、玻璃棒.

實(shí)驗(yàn)步驟：① 將3個(gè)燒杯分別編號(hào)為1、2、3；② 分別在1號(hào)燒杯中加入1勺白糖，綠色素3滴，在2號(hào)燒杯中加入3勺白糖，黃色素3滴，在3號(hào)燒杯中加入6勺白糖，紅色素3滴；③ 向每個(gè)燒杯中加入15mL的水；用玻璃棒分別充分?jǐn)嚢杈鶆颍虎?用玻璃棒先將3號(hào)燒杯中的溶液引流入空玻璃杯，然后再將2號(hào)燒杯中溶液引流入玻璃杯，最后將1號(hào)燒杯中的溶液引流入玻璃杯；⑤ 觀察物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：顏色不同的糖水出現(xiàn)色差分層，含糖量多的溶液在玻璃杯下層，含糖量少的在玻璃杯上層，形成如圖1所示的彩虹杯.

圖1

實(shí)驗(yàn)原理探究：溶液含糖量的多少影響了溶液的濃度，進(jìn)而影響了其密度.由G=mg=ρVg可知密度越大物體質(zhì)量越大，故受到的重力越大，所以密度大的液體在下層，密度小的液體在上層，因此出現(xiàn)了可視的溶液色差分層現(xiàn)象.這個(gè)實(shí)驗(yàn)有利于加深學(xué)生對(duì)溶液濃度與密度、重力關(guān)系之間的理解.

（2）冰瑪瑙.

實(shí)驗(yàn)器材：冰塊、藍(lán)色素、鹽、塑料盤.

實(shí)驗(yàn)步驟：① 在塑料盤上放兩塊冰塊，其中一塊冰不撒鹽（如圖2），在另一塊撒上少量的鹽（如圖3）；② 將兩塊冰塊上分別滴加2滴藍(lán)色素；③觀察物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

圖2

圖3

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：沒(méi)撒鹽的冰塊，藍(lán)色素從冰塊表面滑過(guò)（如圖4）；表面撒鹽的冰塊，藍(lán)色素慢慢滲入冰塊中（如圖5）.

圖4

圖5

實(shí)驗(yàn)原理探究：同一物質(zhì)的分子在晶體狀態(tài)下呈現(xiàn)規(guī)則的排列，原子或分子間的吸引力相同，各個(gè)方向受力均勻，不易受到外界溫度的影響.而滲入了其它物質(zhì)的原子或分子后的晶體，由于其分子或原子大小不同，它們的排列不規(guī)則，分子間的吸引力不均勻，在溫度較低時(shí)會(huì)逐漸熔化.當(dāng)鹽滲入到冰塊中形成鹽水固態(tài)物，使得原來(lái)冰中水分子的排序變得混亂，容易受外界溫度的影響，使其熔點(diǎn)降低，導(dǎo)致原先的冰塊因?yàn)辂}的混合而融化.撒鹽部分融化得更快，冰塊中就產(chǎn)生了裂紋，藍(lán)色素就可以順著裂縫向下流動(dòng)，產(chǎn)生（如圖5）冰瑪瑙的色差可視效果.這個(gè)實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生對(duì)晶體性質(zhì)的理解.

1.2 “透明法”可視

（1）聽話的瓶子.

實(shí)驗(yàn)器材：橡皮筋、透明的空瓶、螺母、回形針.

實(shí)驗(yàn)步驟：①在瓶子底部和瓶蓋的中間各鉆一個(gè)孔；② 將螺母纏繞并綁在橡皮筋的中間；③ 將橡皮筋的兩端分別穿過(guò)瓶底和瓶蓋的小孔，并用回形針固定?。ㄈ鐖D6）；④ 用手滾動(dòng)瓶子；⑤ 觀察物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

圖6

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：將瓶放于水平面，用力初始推動(dòng)瓶，啟動(dòng)后撤除外力又“聽話”的滾回來(lái).

實(shí)驗(yàn)原理探究：瓶?jī)?nèi)螺母的重量遠(yuǎn)大于空瓶的重量，用手推動(dòng)空瓶使其開始運(yùn)動(dòng)，瓶?jī)?nèi)螺母由于相對(duì)質(zhì)量較大，慣性也較大，故保持靜止的狀態(tài).而瓶身在滾動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)著橡皮筋開始纏繞，瓶身的動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)化為與瓶相連的皮筋的彈性勢(shì)能.當(dāng)橡皮筋纏繞到一定程度時(shí)，螺母在高度扭轉(zhuǎn)的皮筋及重力的作用下，其儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能又開始轉(zhuǎn)化為瓶身的動(dòng)能，推動(dòng)瓶子回滾，故無(wú)論滾出多遠(yuǎn)，瓶子都會(huì)“聽話”的滾回來(lái)，并且在滾動(dòng)的過(guò)程中能使瓶身與螺母運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的差異直接可視.這個(gè)實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生對(duì)慣性的大小以及能量轉(zhuǎn)化的科學(xué)理解.

（2）雙心壺.

實(shí)驗(yàn)材料：透明塑料瓶、熱熔膠槍、空筆芯、發(fā)泡板、紅色素、水.

實(shí)驗(yàn)步驟：① 將一個(gè)透明的塑料瓶上下部分切掉，取中間部分；② 把發(fā)泡板（如圖7），豎著插入中間部分的瓶子的中，用熱熔膠槍將發(fā)泡板固定在塑料瓶中間（如圖8）；③ 在瓶子的兩側(cè)對(duì)稱的位置用錐子扎兩個(gè)小孔（如圖9）；④ 用錐子在已鉆好的兩個(gè)孔外側(cè)的中間并高于兩個(gè)小孔的高度處鉆一個(gè)孔，其大小可以放入筆芯（如圖10）；⑤將塑料瓶的上下底部用熱熔膠封好；⑥ 雙心壺的制作完成，然后將兩種不同顏色的液體分別倒入兩側(cè)隔間內(nèi)；⑦ 用手指堵住一側(cè)的小孔，觀察水的流動(dòng)情況.

圖7

圖8

圖9

圖10

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：倒水時(shí)，堵住的一側(cè)水流不出來(lái)；未堵住的一側(cè)水卻流出來(lái)了.

實(shí)驗(yàn)原理探究：當(dāng)我們用手指堵住其中的一個(gè)小孔時(shí)，由于壺外的大氣壓強(qiáng)高于壺內(nèi)大氣壓強(qiáng)，所以水不能流出.當(dāng)我們松開手指后，壺外的大氣壓強(qiáng)與壺內(nèi)的大氣壓強(qiáng)相等，水就能夠流出來(lái)，將看不見的壓強(qiáng)作用于水的流動(dòng)直接可視出來(lái)，有利于學(xué)生對(duì)大氣壓的作用效果的理解.［3］

1.3 “數(shù)字法”可視

DISLab即數(shù)字化信息系統(tǒng)，由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和電腦組成其中傳感器可以將實(shí)時(shí)感應(yīng)的物理變化傳遞至電腦進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集.使用DISLab專用軟件對(duì)物理實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)的采集、處理、分析，可以將物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程中視覺不能精確覺察出來(lái)的變化以數(shù)字、圖像等方式展示給學(xué)生.［4］

（1）金屬的熱脹冷縮.

實(shí)驗(yàn)器材：鐵絲、棉繩、力傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)、酒精燈、打火機(jī)、鐵架臺(tái).

實(shí)驗(yàn)步驟：① 將力傳感器固定在一個(gè)鐵架臺(tái)上；② 將鐵絲的兩端用棉線固定，棉線的一端與力傳感器的掛鉤固定，另一端固定在另一個(gè)鐵架臺(tái)上，使鐵絲處于繃直狀態(tài)；③ 連接好數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)、力傳感器，建立坐標(biāo)系并設(shè)置橫坐標(biāo)代表時(shí)間，縱坐標(biāo)代表力；④ 點(diǎn)擊DISLab界面中的啟動(dòng)鍵，開始記錄鐵絲的受力情況，待數(shù)值穩(wěn)定后，點(diǎn)燃酒精燈加熱鐵絲（如圖11）；⑤50s后熄滅酒精燈，讓鐵絲冷卻（如圖12）；⑥ 觀察物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

圖11

圖12

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：初始拉力為3N，加熱過(guò)程，拉力逐漸減小，冷卻過(guò)程，拉力逐漸恢復(fù)3N數(shù)值.

實(shí)驗(yàn)原理探究：加熱過(guò)程，鐵絲受熱膨脹伸長(zhǎng)，繃直的鐵絲變得略微松弛，拉力減小.冷卻過(guò)程，鐵絲受冷冷縮，恢復(fù)繃緊的狀態(tài)，測(cè)力計(jì)的測(cè)量恢復(fù)至3N的數(shù)值（圖13）.將金屬的熱脹冷縮產(chǎn)生的用肉眼觀察不到的微小形變借助數(shù)字化、圖像化方式讓學(xué)生直觀的可視，有利于學(xué)生對(duì)金屬物理性質(zhì)的學(xué)習(xí)和掌握.

圖13

（2）線圈的自感現(xiàn)象.

實(shí)驗(yàn)器材：導(dǎo)線、電池、電池盒、線圈、開關(guān)、電阻、電流傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī).

實(shí)驗(yàn)步驟：① 用導(dǎo)線將線圈、電阻、電池盒、開關(guān)、電流傳感器串聯(lián)，并接通電源（如圖14）；② 打開DIS軟件；③ 閉合開關(guān)，觀察物理實(shí)驗(yàn)圖像；④ 斷開開關(guān)；⑤ 用導(dǎo)線替換線圈，閉合開關(guān)，再次觀察圖像.

圖14

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：在有線圈的電路中（如圖15），開關(guān)閉合的瞬間，電路中的電流是緩慢地增加，然后達(dá)到恒定（如圖16）.若把電路中的線圈替換成導(dǎo)線，在開關(guān)閉合的瞬間，電流馬上增大后達(dá)到恒定（如圖17）.

圖15

圖16

圖17

實(shí)驗(yàn)原理探究：電路閉合開關(guān)通電的瞬間，電流迅速增加，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在閉合電路中會(huì)阻礙原來(lái)電流的增加，故在有線圈的電路中，接通或斷開電路瞬間，學(xué)生具身觀察到電流緩慢增大或緩慢減少的現(xiàn)象，便于對(duì)于線圈在電路中“阻礙作用”的“可視化”觀察，也有助于學(xué)生理解電路的“暫態(tài)變化”.

1.4 “影像法”可視

教師利用相機(jī)微距拍攝技術(shù)、相機(jī)的慢拍攝、tracker軟件（專用于物理教學(xué)的影像分析和建模工具的軟件，借助其豐富的數(shù)據(jù)繪圖、函數(shù)建模等程序，將適時(shí)收集的物理影像和空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到軟件上顯示）等現(xiàn)代技術(shù)手段，把物理實(shí)驗(yàn)變化的“暫態(tài)過(guò)程”，通過(guò)適時(shí)追蹤的影像進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)的繪圖與分析，從而使許多某些微觀現(xiàn)象“可視化”、暫態(tài)現(xiàn)象“凝固化”，讓學(xué)生直接觀察到“瞬間變化”的物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程.［5］如以單擺物理實(shí)驗(yàn)為例，通過(guò)運(yùn)動(dòng)影像軌跡追蹤的方式讓學(xué)生在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)觀察到“瞬間變化”的可視效果.

單擺的運(yùn)動(dòng).

實(shí)驗(yàn)器材：棉繩、鋼球、鐵架臺(tái)、tracker軟件.

實(shí)驗(yàn)步驟：將棉繩系在鋼球上，棉繩的另一端固定于鐵架臺(tái)上（如圖18），將小球繃直拉離平衡位置，幅度小于5°，靜止釋放小球，同時(shí)啟動(dòng)tracker軟件進(jìn)行記錄，讓學(xué)生觀察tracker軟件（如圖19）中采集的影像視頻改變擺長(zhǎng)，進(jìn)行同樣影像視頻分析與觀察.

圖18

圖19

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：在tracker軟件中設(shè)定坐標(biāo)軸和質(zhì)點(diǎn)（擺球），點(diǎn)擊質(zhì)點(diǎn)使其從靜止開始做單擺運(yùn)動(dòng)，對(duì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)影像跟蹤記錄，并繪制成單擺振動(dòng)圖像（如圖20）.然后設(shè)置和改變擺長(zhǎng)變量，進(jìn)行記錄并對(duì)比觀察.

圖20

實(shí)驗(yàn)原理探究：?jiǎn)螖[的周期取決于擺長(zhǎng)，擺長(zhǎng)越長(zhǎng)，擺球擺動(dòng)的周期會(huì)越長(zhǎng).利用tracker軟件采集物體的運(yùn)動(dòng)影像，將追蹤到的運(yùn)動(dòng)影像軌跡生成單擺振動(dòng)的二維波形圖，并在時(shí)間軸上直觀顯示出波形圖的疏密.這個(gè)實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生對(duì)單擺振動(dòng)快慢與波形圖疏密關(guān)系的“可視化”觀察與分析.

1.5 “間接法”可視

音叉的振動(dòng).

實(shí)驗(yàn)器材：音叉、乒乓球、細(xì)繩、鐵架臺(tái).

實(shí)驗(yàn)步驟：①用細(xì)繩懸掛乒乓球；②將細(xì)繩的一端固定在鐵架臺(tái)上，待乒乓球靜止；③敲擊音叉；④ 移動(dòng)音叉，使得音叉靠近靜止的乒乓球（如圖21）；⑤ 觀察物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

圖21

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：靜止的乒乓球緊靠音叉，然后敲擊音叉，乒乓球會(huì)向音叉外側(cè)彈出，達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)，乒乓球在重力的作用下又落回到原來(lái)位置，在靠近振動(dòng)中的音叉時(shí)，又再次彈出.

實(shí)驗(yàn)原理探究：發(fā)聲的音叉在振動(dòng)，音叉振動(dòng)產(chǎn)生的能量以空氣為介質(zhì)進(jìn)行傳遞，乒乓球在振動(dòng)形式的能量作用下被彈開，乒乓球的運(yùn)動(dòng)間接地將音叉的微小振動(dòng)放大并“可視化”，有利于學(xué)生形象直觀的理解音叉發(fā)聲的本質(zhì)特征是振動(dòng).

1.6 “介質(zhì)法”可視

（1）磁場(chǎng)的存在.

實(shí)驗(yàn)器材：磁鐵、鐵屑粉.

實(shí)驗(yàn)步驟：① 將磁鐵放在白紙上；② 在磁鐵周圍撒上鐵屑介質(zhì)；③ 觀察物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：散布的鐵屑整齊地排列在磁鐵周圍（如圖22）.

圖22

實(shí)驗(yàn)原理探究：磁鐵周圍存在著磁場(chǎng)，磁場(chǎng)真實(shí)存在但肉眼無(wú)法觀察到，鐵屑介質(zhì)在磁場(chǎng)作用下有序地排列并將看不見的磁場(chǎng)可視出來(lái)，有利于學(xué)生對(duì)磁場(chǎng)的客觀存在的具身體驗(yàn)與科學(xué)理解.

（2）光路的呈現(xiàn).

實(shí)驗(yàn)器材：激光筆、電動(dòng)噴瓶、自來(lái)水.

實(shí)驗(yàn)步驟：① 將自來(lái)水裝入電動(dòng)噴瓶?jī)?nèi)；② 按下噴瓶開關(guān)，產(chǎn)生煙霧現(xiàn)象；③ 打開激光筆開關(guān)；④ 觀察物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：在煙霧介質(zhì)中，可以清晰的顯示出激光的光線路徑（如圖23）.

圖23

實(shí)驗(yàn)原理探究：光線照射時(shí)，肉眼很難直接觀察到光線的路徑.但當(dāng)一束光線透過(guò)噴瓶的煙霧時(shí)，煙霧介質(zhì)是膠體，其分散劑是空氣，而分散劑是微小的液滴，光線入射時(shí)會(huì)產(chǎn)生丁達(dá)爾現(xiàn)象，從而使光線變得“可見”，有利于學(xué)生對(duì)光線的具身體驗(yàn)與觀察.

2 物理實(shí)驗(yàn)“可視化”反思

（1）失真性.物理實(shí)驗(yàn)“可視化”雖然鼓勵(lì)學(xué)生直觀的觀察與物理實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新，但也可能會(huì)因?yàn)椤安牧系奶娲薄ⅰ皵?shù)字的模擬”、“材料的添加”、“效果的放大”等“可視化”手段而造成原始物理實(shí)驗(yàn)的“失真”，或者由于增加了實(shí)驗(yàn)材料和新技術(shù)工具而使原本簡(jiǎn)單的物理實(shí)驗(yàn)變得更為復(fù)雜.

（2）依賴性.“可視化”的物理實(shí)驗(yàn)雖然能讓學(xué)生直觀地觀察到現(xiàn)象，容易激發(fā)學(xué)生的興趣和滿足好奇心，但由于有時(shí)產(chǎn)生“一眼洞穿”的效果，也會(huì)限制學(xué)生萌生更多的猜想和假設(shè)，因而有可能降低學(xué)生進(jìn)一步的深入思考和探究.

（3）定勢(shì)性.“可視化”的物理實(shí)驗(yàn)使學(xué)生直觀的觀察到實(shí)驗(yàn)器材的內(nèi)部材料和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，容易掩蓋實(shí)驗(yàn)背后的原理探究，可能降低學(xué)生的科學(xué)思維和邏輯推理水平，并且當(dāng)再次出現(xiàn)同質(zhì)或類似實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)，依思維定勢(shì)的聚焦實(shí)驗(yàn)裝置的內(nèi)部材料和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，從而減少對(duì)物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象本身的探究.

3 結(jié)語(yǔ)

隨著5G時(shí)代的到來(lái)，在線數(shù)據(jù)可視化、云計(jì)算、在線導(dǎo)圖、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用普及，可以預(yù)測(cè)線上線下的技術(shù)融合會(huì)衍生出更加豐富的教學(xué)可視化的應(yīng)用模式和場(chǎng)景，如何將其與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，形成模型、方法、技術(shù)相結(jié)合的理論和實(shí)踐體系是非常有應(yīng)用價(jià)值的研究方向.［6］