數字化探究實驗在初中物理教學中的優勢及應用

張繼紅

（沈陽市第一二六中學）

《義務教育物理課程標準（2022年版）》指出，物理學由實驗和理論兩部分組成。物理實驗是人類認識世界的一種重要活動，是進行科學研究的基礎。學生經歷過基本的科學探究過程，會受到科學精神的熏陶，提高科學素養，促進全面發展。

數字化探究實驗在國外較為普及，美國、日本、德國、英國、新加坡等國家的中學物理類教材中已頻繁出現應用案例，成為學生科學探究的重要平臺。數字化探究實驗是指采用數據采集器、電腦等多個終端設備、傳感器及各種配套輔助器材來完成物理教材中的實驗。數字化探究實驗是對傳統實驗的有益補充，在傳統實驗中存在一些只能定性無法定量的實驗以及對一些微小或瞬間數據的測量不夠準確等問題，數字化實驗能為解決這些問題發揮出重要作用。

一、數字化探究實驗的主要應用器材

（一）數據采集器

數據采集器是傳感器與計算機的接口。它的作用是把實驗中各種傳感器輸出的電信號轉換成數字信號并輸入到計算機中。采集器與計算機之間通過USB接口相連，具有優異的兼容性、穩定性和操作上的靈活性。

（二）實驗箱

將物理教學相關儀器、部件、配件、文字資料等，經過科學設計集成至一個箱體中，這樣的實驗設備稱為實驗箱，其便于攜帶、保管，用于課堂教學、實驗培訓等。

（三）傳感器

傳感器的作用是把實驗中測量的各種非電信號（如力、位移、光強、PH值、電流等）轉換成標準的電信號，并把這些電信號傳遞給采集器。

（四）數字化探究實驗專用軟件

數字化探究實驗軟件主要用于傳感器數據的采集、數據表現與數據分析。軟件在數據表現上，提供了數據表格、數據曲線等表現形式，其操作簡單，使用方便。

二、數字化探究實驗在教學中的優勢

（一）數字化探究實驗具有顯性的教學功能

首先，數字化探究實驗有利于全面推進實驗教學現代化。數字化探究實驗使數據實時采集、實時傳輸、實時記錄、實時繪圖、實時分析、實時分享等人類科學實驗的夢想成為現實，使“科學家的實驗室”走進普通的物理教學課堂。此外，教學實驗模板、實驗結果以及實驗報告的電子化，使得教學評價和教學指導模式更加現代化，從而可以進一步促進和優化教學效果。

其次，數字化探究實驗有利于彌補傳統實驗的不足。以往傳統實驗中一些效果不好的、沒有辦法定量的、沒有辦法顯示的、沒有辦法分析的實驗，通過數字化探究實驗來做，往往能夠以可視的、可量的實驗效果展現在學生面前，使物理實驗教學效率大大提升，這對于教師演示實驗和學生分組實驗都是大有裨益的。

最后，數字化探究實驗有利于加深學生對實驗現象和原理的理解。由于數字化實驗的結果非常直觀、精確，學生對許多實驗現象的直接觀察和定量記錄得以實現，對實驗結果的認可度和把握性大大提高，能夠從傳統的“死記硬背”“照方抓藥”式的機械性學習轉變為有意義的理解性、探究性學習，學習效率和效果也將隨之提高。

（二）數字化探究實驗具有物理學科素養的培育價值

首先，數字化探究實驗有助于培養學生的定量思維習慣。“定性—半定量—定量”是科學實驗的基本途徑，也是實驗研究逐步深入的必然過程。部分傳統實驗中，定量實驗手段的缺失制約了學生實驗方法的創新，也制約了學生的定量思維發展。而采集高頻化、記錄自動化、數據精確化、分析智能化、存儲便捷化的數字化實驗則可以彌補此類缺失，使學生養成定量思維的習慣。

其次，數字化探究實驗有助于培養學生的發散性思維、創造性思維。“工欲善其事，必先利其器”，教育推動科技發展，但科技成果需要及時反哺教育，否則教育會越來越落后于科技發展。數字化探究實驗通過新的科技手段，使傳統的實驗教學效果得到了質的提升，拓展了學生發散性思維、創造性思維的寬度和深度，能夠使學生的發散性思維、創造性思維得到開發和培養。

再次，數字化探究實驗有助于培養學生的綜合探究能力。面臨問題困境—提出科學假設—設計驗證步驟—實施探究過程—重新假設—校正步驟—重新探究直到解決問題，這是科學探究的基本模式，而探究教學的過程就是教會學生模擬科學家發現真理的過程。由于科學探究過程的難點在于實證，數字化實驗系統為廣大師生提供了實證的機會和手段。數字化探究實驗還為學生發展現代科技素養提供了契機，學生可以運用各類傳感器、數據采集器、電腦以及必要的實驗配件等硬件，通過開放性的軟件進行各類實驗操作，提高實驗的綜合性和現代化水平。

最后，數字化探究實驗有助于培養學生合作學習的習慣。合作是現代人必備的基本素質之一，學生的合作意識在數字化實驗中會不斷強化。由于數字化實驗過程需要用到傳感器、數據采集器和電腦，而硬件及軟件的操作往往一個人難以實現，需要2人一組或者多人合作才能圓滿完成，這可讓學生體驗到合作的重要性和樂趣。

三、數字化探究實驗在教學中的應用案例

（一）數字化探究實驗在“聲音的特性”中的應用

“聲音的特性”是人教版物理實驗教材八年級上冊第一章第三節的教學內容。本節課的教學重點是在學習了聲音的產生與傳播的基礎上，讓學生進一步理解聲音、了解聲音現象的豐富多彩。本節課是研究聲音現象非常重要的一部分內容，學生對音調、響度、音色等概念容易混淆，所以可用聲音傳感器采集聲音，讓學生通過聽、看、想、做等活動，來感知聲音的特性，完成教學目標。主動性、獨立性、體驗性、問題性是現代學習方式的重要特征，基于此，結合教材要求和學生特點，本節課在探究音調、響度的影響因素時，可采用教師指導下的探究性教學方法。在教學中，教師應創設合適的情境，激發學生的問題意識，引導學生設計實驗，協助學生歸納、理解，使剛剛接觸物理的學生既能發揮自主性又能避免盲目性。在學生對概念進行理解和辨析時，教師可采用實驗和多媒體相結合的教學方式。教學中，教師可通過創設情境、演示探究，引導學生學會使用傳感器，掌握多種信息技術，使抽象的聲音教學變得生動。為了完成本節課的聲音采集，我主要應用了以下教學資源：聲音傳感器、不同頻率的音叉、小錘、架子鼓、小提琴、數據采集器、數據分析軟件等。在多媒體資源的使用方面，則以Powerpoint軟件、Realplay播放器、虛擬示波器軟件、視頻文件、音頻文件等進行配合。

【實驗過程】

首先，教師用情境導入法引出聲音的概念——播放五種不同的聲音，引起學生聽覺上的沖突，讓學生直觀地感受噪聲與樂音的區別，以方便學生理解樂音的定義。在此基礎上，教師提出樂音和噪聲的區別，從而引出這節課的主題——樂音的特征。為了讓學生對音調的概念有更清晰的認識，教師找出兩名女同學唱歌，一個是女低音，一個是女高音，讓學生聽一聽這兩個聲音的區別。學生發現，聽覺上的區別無法用具體的東西來表征，因此還需要用實驗來驗證。于是，教師引導學生連接數據采集器和聲音傳感器，打開數據采集軟件，用大小相同的力敲擊不同頻率的音叉，從而采集到的不同頻率的聲音數據。學生根據實時采集到的數據，分析實驗結論，得出音調與頻率的關系圖像，并根據波形圖分析得出疏密程度不同的波形圖。（如圖1）

圖1

通過波形圖，教師可引導學生探究聲音的響度與振幅的關系：波形越密—振動越快—頻率越高—音調越高；波形越稀—振動越慢—頻率越低—音調越低。

為了讓學生感受到聲音是有大小的，教師可用情境導入法，引導學生用大小不同的力敲擊，通過波形圖，使學生得出響度的定義。（如圖2）

圖2

響度的定義：重敲架子鼓—聲音大—響度大；輕敲架子鼓—聲音小—響度小。

其次，教師引導學生連接聲音傳感器和數據采集器，采集同一個頻率音叉的聲音（同一個音叉，敲擊力的大小不同）。學生根據產生的波形，分析實驗的波形圖，得出結論：聲音越大—振幅越大—響度越大；聲音越小—振幅越小—響度越小。

最后，教師引導學生探究音色的形成過程：用聲音播放器模擬鋼琴聲、葫蘆絲聲、吉他聲，用聲音傳感器去采集，從而形成不同的波形，根據波形圖分析數據，得出結論：不同的發聲體發出聲音的波形不同，音色不同，所以音色取決于發聲體本身。

（二）數字化探究實驗在“水沸騰時的溫度變化規律”中的應用

“探究水沸騰時的溫度變化規律”是人教版初中物理教材八年級上冊第三章第三節的熱學重點實驗，實驗目的是讓學生通過實驗，知道水的沸點，讓學生經歷用圖像法探究物理量變化規律的過程，理解液體沸騰的條件和特點，學會觀察，在實驗中培養實事求是的科學態度。在探究“水沸騰時的溫度變化規律”的數字化探究實驗中，需要用到如下器材：電腦（顯示屏）、數字化探究軟件、溫度傳感器、電加熱器、鐵架臺、燒杯、水。

【實驗過程】

首先，連接好數字化探究軟件、溫度傳感器，連接好電加熱器和電源。

其次，用量杯量取適量的熱水，放在電加熱器上進行加熱。

再次，溫度傳感器探頭放入水中，注意不要碰到容器底和容器側壁。

最后，點擊開始鍵，采集數據。注意給水加熱的過程中觀察水沸騰前和沸騰后的氣泡大小變化。

學生根據實時采集的數據可以形成圖像分析和實驗結果分析：沸騰前水吸熱，溫度升高，在燒杯底部產生許多氣泡，氣泡在上升的過程中逐漸變小。水沸騰時水繼續吸熱，但是溫度不變，氣泡在上升的過程中逐漸變大）。液體沸騰的條件，達到一定的溫度，繼續吸熱。

該數字化探究實驗比起傳統實驗，主要有以下改進：實驗數據實時采集、實時傳輸、實時記錄、實時繪圖、實時分析、實時分享；教學實驗模板、實驗結果以及實驗報告電子化、信息化；用電加熱器代替酒精燈，提高了熱效率，縮短了實驗時間，加快了物理過程的變化，得出了更科學的實驗結論。

（三）數字化探究實驗在探究“伏安法測電阻”中的應用

“伏安法測電阻”是人教版初中九年級物理教材“部分電學”“歐姆定律”一章中的重點電學實驗，傳統實驗用電流表電壓表做這個實驗時，只能采集幾組數據，然后進行描點、連線形成圖像，得出規律。由于數據的讀取是非連貫的，學生只能讀取幾組，實驗誤差較大。采用數字化實驗完成探究過程則可以有效解決這些問題。數字化實驗的原理是通過I=U/R得出R=U/I。

為了高精度完成此次實驗，我使用了如下器材：計算機、數字化系統軟件、數據采集器、電壓傳感器、電流傳感器、滑動變阻器、待測電阻、導線。電壓傳感器、電流傳感器與傳統的電壓表、電流表一樣使用，用紅色鱷魚夾接正極，用黑色鱷魚夾接負極，與電學實驗板上的紅色接線柱、黑色接線柱相對應。傳感器使用前，先調零，在使用過程中，應注意電壓和電流不要超過傳感器的量程。

【實驗過程】

首先，連接計算機、數據采集器及電壓傳感器、電流傳感器。如圖3所示，將電流傳感器、待測電阻、滑動變阻器、學生電源、開關組合成串聯電路（斷開），將電壓傳感器并聯在待測電阻的兩端。

圖3

其次，打開軟件系統中的自動識別傳感器，選擇菜單欄中的“實驗配置—采集參數—手動記錄”，然后點擊“確定”。點擊菜單欄“實驗控制”，選擇“調零”，選中電流、電壓傳感器，然后點擊“確定”。右擊數據列表，選擇“增加數據列”，在“名稱”中輸入R，在“單位”中輸入Ω，在分類中選擇“計算項”，并輸入表達式U/I。

打開學生電源，閉合電路，點擊“開始”，待數據穩定后，點擊“記點”。

最后，調節滑動變阻器的阻值，待數據穩定后點擊“記點”，采集到多組數據。（如表1）。

表1滑動變阻器阻值數據

實驗結果顯示，數字化探究實驗的實驗數據精確度較傳統實驗有大幅提高，數據采集穩定，能夠把獲得的實驗數據快速生成圖形、表格及實驗報告，方便完成多組數據在同一圖形界面進行對比分析。此外，數字化探究實驗對于學習的主體——學生來說，能同時觀察測量過程與繪圖分析過程的同步，實現了強大的數據處理功能，大大提高了實驗效率。