“下沉物體是否受浮力”數字化實驗創新開發

◇寧洪岺 張 超（山東：聊城東昌府區教育和體育局 東昌府區東關民族小學）

2022年4月，教育部頒布了新修訂的義務教育課程方案和科學課程標準。課標提出，教師應利用信息技術輔助手段，如虛擬仿真實驗、數字化實驗等，讓學生比較直觀便捷地學習相關知識。學校與教師還應關注數字化教材、音像資料、多媒體軟件等資源的開發與使用。

5月，為貫徹落實《教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見》（教基〔2019〕16 號）和《山東省教育廳關于加強新時代學生創新素養培育體系建設的意見》（魯教辦字〔2021〕2 號）精神，山東省聊城市組織了第一屆小學科學教師實驗教學能力大賽，其中一項內容是“實驗設計及操作”，分為常規實驗和數字化實驗設計及操作。通過參加比賽查閱資料，筆者了解到數字化實驗創新了實驗教學方式，豐富了實驗教學實施形式，合理使用這些資源，有助于激發學生學習科學的興趣，提高教學活動的質量。實驗中，學生通過綜合運用觀察、觀測、模擬、體驗、設計等多種方式，促進傳統實驗教學手段與數字化實驗的有機融合，切實增強了創新實驗教學的趣味性和吸引力，提高了實驗教學的質量和效果。下面，筆者針對數字化實驗設計項目中“下沉物體是否受浮力”實驗的設計開發展開剖析，希望有助于數字化實驗設備的推廣使用。

一、軟件界面開發

對于“下沉物體是否受浮力”實驗，我采用了圖形化編程軟件“慧編程”軟件進行實驗界面的布局，共分為按鈕區、數據展示區、數據記錄區、測力模擬區、結論區5個部分。

二、硬件部分

本次實驗除了軟件部分，還需要智能主板及部分常規實驗器材進行補充，具體如下：鐵架臺、升降架、彈簧測力計、燒杯、重物、帶智能芯片的超聲波傳感器、帶擋板的激光筆等。以下是完整實物展示圖：

三、實驗原理

由于擋板上固定有激光筆，且激光筆可指出彈簧測力計上指針的示數，所以，通過超聲波傳感器發出和接收超聲波可感知擋板的高度，從而實時反饋給計算機端編寫好的程序。再通過一系列程序算法，把測出的高度換算成力的大小，就可以知道重物在水中浮力的大小了。

四、操作步驟

（一）搭建實驗環境

把帶有擋板的激光筆固定在鐵架臺上。

將調零完畢的彈簧測力計固定在鐵架臺支架上。

把連有智能主板的超聲波傳感器豎直向上放在桌上。

（二）測量重物在空氣中的重量

把重物懸掛在彈簧測力計上，用激光筆標記彈簧測力計讀數。點擊程序界面中的“記錄”按鈕，記錄該重物在空氣中的重量。為了使實驗結論更加科學嚴謹，需點擊三次“記錄”按鈕，并通過點擊“計算”按鈕，求出并記錄讀數的平均值。

（三）測量把該重物的一半浸入水中的重量

把重物懸掛在彈簧測力計上，調整升降架使重物一半浸入水中，用激光筆標記彈簧測力計讀數。點擊“記錄”按鈕，記錄該重物的一半浸入水中的重量。同樣，為了保證數據的準確性，需點擊三次“記錄”按鈕，并通過點擊“計算”按鈕，求出并記錄讀數的平均值。

（四）測量把該重物全部浸入水中的重量

把重物懸掛在彈簧測力計上，調整升降架，使重物全部浸入水中，但不要接觸杯底，用激光筆標記彈簧測力計讀數。點擊“記錄”按鈕，記錄該重物全部浸入水中時的重量。為了保證數據的準確性，需點擊三次“記錄”按鈕，并通過點擊“計算”按鈕，求出并記錄下該種情況下測力計讀數的平均值。

五、編程展示

（一）建立兩個變量和四個列表，用于存放數據

（二）主板程序

（三）數據展示區部分代碼

（四）彈簧模擬區部分代碼

（五）按鈕區部分代碼

六、數據分析

通過對比第1 個數據和第2、3 個數據，我們發現，彈簧測力計的讀數變小了，說明該重物在下沉的過程中受到了水的浮力。

對比第2個數據和第3個數據，我們發現，物體全部浸入時，彈簧測力計的讀數比浸入一半時更小了，說明全部浸入與浸入一半相比，物體所受到的水的浮力變大了。

七、實驗結論

對比重物在空氣中受到的重力，得知下沉物體受到浮力；物體下沉部分的體積越大，受到的浮力越大。

八、實驗反思

本次數字化實驗的設計開發與信息技術學科聯系密切，使用了圖形化編程技術，實現了傳統實驗的數字化顯示，這對于教師及中高年段學生來講，都是一件新事物，可能剛開始接觸時會有些不適應，但熟悉流程之后，在使用的過程中，學生能懷著激情與興趣進行探索，完成本次實驗的探索，從而完成實驗教學目標。

數字化實驗可以讓很多常規實驗變不可見為可見、變定性為定量、變不可能為可能，使教師轉變教學方法、讓學生轉變學習方式，從而徹底讓傳統型實驗質變為數字化實驗。當然，數字化實驗還有很多優勢，對于我們這些奮斗在一線、對創新實驗教學始終懷著飽滿熱情的教師來說，數字化實驗還有很長的路要走。我們要積極推動信息技術與創新實驗教學的深度融合，通過數字化實驗教學系統，以數字支撐實驗，改變學生的思維方式，幫助學生逐步養成用數字說話的意識，提升學生的科學素養。