“雙減”政策下初中物理實驗教學的改進研究

秦宇飛　楊曉輝　張進富　黃國鋒　柴萬東

摘 要：物理是以觀察、實驗和邏輯相結合的科學，物理實驗在物理教學過程中具有極其重要的作用，現有實驗課中由于部分實驗儀器自身局限性，出現定量研究不夠精細、數據處理效率低、不能更好地拓寬學生的知識面等問題。本文以“做功改變物體內能”實驗為例，將傳感器引入初中物理實驗中，通過引入氣體壓強傳感器、溫度及濕度傳感器，對實驗過程中物理量的細微變化進行探測并實時顯示，結合相應軟件得出相關物理量變化曲線圖，使實驗過程及結果更加直觀可靠。

關鍵詞：雙減;教學效率;傳感器;改進實驗

中圖分類號：G420? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2022）04-0082-03

1 實驗教學改進的必要性

1.1 時代背景的需求

2021年7月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發了《關于進一步減輕義務教育階段學生作業負擔和校外培訓負擔的意見》，指出要“大力提升教育教學質量，確保學生在校內學足學好”。“雙減”背景下要求學校教育要以“減負增效”為導向，教師要在有限的教學時間之內改進教學手段保證教學質量，提升學生的學習興趣，提高教學效率。初中物理的教學內容多是以學生的生活和經驗為背景，根據物理現象，總結物理規律，揭示物理本質。“雙減”政策使學生有了較充分的時間，通過改進物理實驗裝置，可提高學生的參與熱情、激發培養學生的學習興趣、開拓學生的知識面、更好地提高教學效率。

1.2 物理課程標準的要求

根據《義務教育物理課程標準》（2021版），“物理是一門注重實驗的自然科學基礎課程，此階段的物理課程應注意讓學生經歷實驗探究過程，學習科學知識和科學探究方法，提高分析問題和解決問題的能力”[1]。生動有趣的演示實驗，有助于提高學生的學習興趣，理解抽象的物理規律;直觀形象的物理現象及數據顯示，可以培養學生的觀察能力;精確的實驗數據分析可以提高分析問題解決問題的能力，培養學生嚴謹的科學態度。現有物理實驗儀器存在定量研究不夠精細、數據處理效率低的局限性。

1.3 科技發展的必然

現如今信息科學技術高速發展，傳感器等科學技術廣泛應用于生活生產實踐當中。日常生活中自動控制溫度的電飯鍋、遠距離控制的自動開關門、電視遙控器和手機中橫屏豎屏的切換;工業生產中測量工廠內濕度的濕度計、煙霧報警器等都用到了傳感器及相關技術。初中物理教材實驗中也多次提到傳感器技術的應用，人教版初中物理教材中的“用傳感器比較不同物質的比熱容”“電磁波的發射與接收”“用傳感器研究氣體壓強和流速的關系”“利用傳感器觀察不同音叉波形”都用到了傳感器[2]。把傳感器等現代科技設備引入初中物理實驗教學中，對物理實驗裝置進行改進，使用傳感器采集相應的物理量并實時直觀顯示，用相應的軟件對數據進行處理，得出物理量變化規律的圖像。使實驗精細化、可視化且易于操作，方便深入研究物理現象和規律，提高學生的參與熱情以及實驗能力，加強了課程內容與現代社會和科技發展的聯系。

2 改進實驗原則

2.1 科學性原則

九年級的學生在前面課程中已經學會溫度計的使用，引入溫度傳感器不會削弱應有知識的掌握。實驗裝置的改進注重了可行性、安全性、易操作性、合理性、科學性等原則。能夠保證實驗教學的科學、準確，遵循物理客觀規律，充分發揮實驗的教學功能，充分體現教育價值。

2.2 貼近生活原則

根據新課標課程基本理念“使學生從生活走向物理”[1]，實驗改進貼近學生生活，符合學生認知特點和思維水平，注重培養學生將科學技術應用于日常生活的意識，激發學生將日常生活用品和新科技產品緊密結合應用于物理實驗探究的想法，培養學生參加、觀察、制作、調查等科學實踐活動的興趣。

2.3 多樣化原則

實驗裝置的改進，遵循了多樣化原則，主要包括實驗儀器選取的多樣化和教學方式的多樣化。實驗儀器的選取不局限于文中所選物品，可以就地取材，多樣化地選取與現代科技設備相關的及生活中常見的物品，引導學生親自參與實驗裝置的制作和實驗內容的探究，讓學生歷經科學探究過程，掌握科學研究方法，達到“合理使用信息科學技術，培養創新精神和實踐能力”[1]的課標要求。

3 “做功改變物體內能”實驗改進

初中教材“做功改變物體內能”實驗中，如何改變物體的內能以及用明顯的實驗現象展示內能的變化，得出科學的結論是教學難點。傳統的實驗裝置存在著很大程度的不足，引入傳感器等裝置對原有實驗裝置進行改進，可以最大限度地克服這些困難，提升教學效率。

3.1 原實驗方案中存在的不足

圖1、圖2為人教版初中物理內能一章中的演示實驗。在圖1中把硝化棉放入配有活塞的厚玻璃筒中，實驗時把活塞迅速下壓，硝化棉被引燃，說明氣體溫度升高，內能增加，證明做功可以改變氣體內能;如圖2中在瓶中裝入少量水，不斷向燒瓶充氣至塞子跳起，可以看到瓶內出現白霧，瓶中水蒸氣液化成了小水滴，說明氣體膨脹對外做功，溫度降低，內能減小，證明做功改變物體的內能。

圖1裝置空氣壓縮引火儀操作需要一定的力量和技巧，往往受壓活塞的力度和速度不夠，空氣潮濕硝化棉受潮等因素制約，而導致演示效果不佳[3]，實驗成功率較低，學生切身參與到實驗操作當中有困難;對瓶內打氣增大氣體壓強無法定量展示瓶內氣壓大小，學生會懷疑是否是由于壓縮氣體做功而導致內能發生改變;硝化棉燃燒放出有害氣體污染環境。

圖2裝置由于溫度變化不明顯、后排學生看不清瓶內白霧、無法定量顯示液化程度，導致學生對瓶內溫度是否降低存在疑問;瓶內氣壓增大軟木塞彈出存在安全隱患。

兩裝置沒有直觀反映物體內能變化的物理量，最好能用溫度變化定量反映物體內能變化[4]，也無法定量反應瓶內氣壓的變化;壓縮氣體做功與氣體膨脹對外做功是兩個分立的實驗，但是后者的前半個過程與前者重復，實驗裝置分離操作耗時耗力;玻璃壁質量問題和操作不當等會存在安全隱患。

3.2 實驗改進方案

3.2.1 實驗器材。溫度傳感器、壓強傳感器、濕度傳感器、啟普發生器、橡皮活塞、帶桶玻璃膠槍、電腦、數據采集器、數據線、細繩、少量水、打氣筒、熱熔膠。

3.2.2 設計原理。利用帶桶的玻璃膠槍對啟普發生器內氣體進行壓縮做功，將溫度作為內能變化的量度，溫度顯示裝置實時顯示溫度情況，電腦顯示器顯示溫度隨時間變化的圖像，得出壓縮空氣做功與內能變化的關系;繼續壓縮氣體直到活塞被彈出，觀察溫度的變化情況，同時利用壓強傳感器以及濕度傳感器實時監測瓶內氣壓變化情況以及瓶內水蒸氣液化情況。

3.2.3 裝置制作。如圖3所示連接裝置，利用細繩線將活塞與啟普發生器連接以防活塞飛出傷人;將壓強傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器探頭從連接口伸入啟普發生器，并且用熱熔膠密封接口;將帶桶的玻璃膠槍與啟普發生器的另一連接口連接;將傳感器、數據采集裝置、數據顯示裝置連接。

3.2.4 實驗操作。（1）接通傳感器等裝置電源。（2）塞上活塞，壓縮氣體觀察壓強變化以檢查裝置氣密性。（3）在容器中加入少量水，注意保證傳感器離水面有足夠的距離。（4）塞上活塞后推動玻璃膠槍對啟普發生器瓶內氣體壓縮;觀察壓強、溫度及濕度變化。（5）繼續壓縮氣體直至活塞彈出。（6）重復上述步驟，進行多次實驗。（7）觀察并分別導出電腦中如圖4、圖5、圖6所示啟普發生器瓶內的氣壓、溫度、濕度值變化曲線圖。

3.2.5 分析現象得出結論。推動玻璃膠槍對瓶內氣體壓縮做功，根據圖4、圖5、圖6顯示，在此過程中氣壓、溫度、濕度值圖線先上升，說明瓶內氣壓增大、溫度升高、濕度升高（溫度升高后水蒸氣空間分布密度增大），由此得出壓縮氣體做功瓶內氣體內能增大，機械能轉化為內能;繼續壓縮氣體直至活塞彈出，此時在啟普發生器瓶內出現少量白霧，說明瓶內溫度降低，瓶內部分水蒸氣液化變為小水滴。在此過程中實驗現象可能不明顯，可以通過觀察溫度、濕度及氣壓數值的變化及圖像中氣壓、溫度、濕度值圖線，定量說明瓶內氣壓減小、溫度降低、濕度下降（水蒸氣發生液化小水珠落回液面），得出氣體膨脹對外做功，瓶內氣體溫度降低，內能減少，內能轉化為活塞運動的機械能，總結得出做功可以改變物體內能的結論。

4 實驗改進效果

4.1 安全可靠，成功率高

利用溫度傳感器測量溫度反映物體內能的變化，避免使用硝化棉燃燒放出有害氣體，在整個實驗中未出現明火，實驗更安全;用細線將活塞與啟普發生器連接避免活塞飛出傷人，安全可靠;傳感器感應系數靈敏度較高，準確及時反應壓縮瓶中氣壓、溫度、濕度變化情況，得出科學的實驗結論。

4.2 現象明顯，形象直觀

改進實驗既利用活塞彈出等顯而易見的現象定性展示，又利用傳感器定量測量瓶內氣壓、溫度、濕度三者的變化情況得出變化曲線圖，將三個物理量放在一起對比，看到三者的變化情況，學生可以清晰明了地看到啟普發生器瓶內氣壓先減小后變大，溫度和濕度先變大隨著活塞彈出溫度和濕度都下降，實驗現象明顯。使學生對做功可以改變物體的內能這一規律有比較清晰的認識[5]，符合初中生的思維發展水平，有利于學生由形象思維向抽象過渡。通過傳感器測量的溫度、氣壓、濕度值數據更加精確，更容易總結出溫度變化、內能變化及做功的關系，有助于提高學生的總結能力，培養學生嚴謹的科學態度。

4.3 資源整合，省時省力

把教材中“壓縮空氣做功”實驗和“氣體體積膨脹做功”實驗合二為一，將前者產生的高壓氣體應用于后者氣體體積膨脹，充分利用實驗資源。方便、直觀、快速顯示實驗數據，減少實驗時間，充分提高課堂效率，有利于貫徹落實“雙減”政策中“減負增效”的教育要求。

4.4 易于操作，切身體驗

教材中實驗由于安全性以及需要一定的操作技巧，只能教師演示學生觀看，改進實驗由于傳感器可對實驗過程中的物理量細微變化進行探測，利用玻璃膠槍杠桿省力，實驗操作難度較低，學生操作也能得到相應的物理量變化曲線，完全可以讓學生親自參與到實驗探究歷程當中，通過親自組裝、操作實驗，有助于理解抽象的物理規律，提高動手能力，貫徹“從做中學”的實驗教學理念。

4.5 聯系生活，啟發教育

此實驗改進裝置中，氣壓、溫度、濕度傳感器都是學生日常生活中所接觸現代科技產品的組成元件，裝置中的廢舊玻璃膠槍桶也是生活中常見的物品，這些實驗儀器具有生活化、科技化等特點。裝置制作和實驗探究過程中可以啟發培養學生將科學應用于日常生活，將日常生活中的物品應用于科學探究的意識，培養學生的創新意識，激發學生的學習熱情。學生親自操作具有現代科技感的傳感器實驗裝置也能培養其將科學技術服務于人類的責任感和使命感。

4.6 激發興趣，學科滲透

本實驗的授課對象是九年級學生，已具備一定的初中物理基礎知識且對電子產品接觸較多，對新型實驗裝置具有較大興趣，利用傳感器改進此實驗可以培養學生對實驗探究和科技知識的探索欲、求知欲，滿足新課標要求;通過對傳感器和相關配套軟件的操作使用，可以促進學生對于信息技術方面知識的學習掌握，理解信息技術帶給生活的便利，拓寬學生的知識廣度。

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參考文獻：

〔1〕中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2021版）[S].北京：人民教育出版社，2021.

〔2〕劉作志.基于DIS的初中物理實驗課程資源整合研究[D].青島：青島大學，2021.

〔3〕滕代安.做功改變物體內能實驗的改進[J].中學物理教學參考，2019，48（10）：78-79.

〔4〕陳濤，劉全民，劉東利.“做功改變物體內能”改進實驗[J].中學物理，2019，37（06）：30-32.

〔5〕張有建，李鳳嬌.做功改變物體內能實驗儀器的改進[J].中學物理，2018，36（08）：24-25.

收稿日期：2022-01-06

通訊作者：柴萬東（1971-），男，漢族，內蒙古赤峰人，碩士研究生導師，研究方向：傳感器應用，基本教育理論。