巧用數(shù)字實驗，體會物理圖景之美
——例談數(shù)字實驗促進(jìn)初中物理圖景教學(xué)

萬芷宏，何 曉*

（新疆師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054）

中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《加快推進(jìn)教育現(xiàn)代化實施方案（2018－2022年）》指出“大力推進(jìn)教育信息化，促進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，支持學(xué)校充分利用信息技術(shù)開展人才培養(yǎng)模式和教學(xué)方法改革，逐步實現(xiàn)信息化教與學(xué)應(yīng)用師生全覆蓋。[1]”基于Vernier實驗平臺的數(shù)字實驗就是將信息技術(shù)與物理教育教學(xué)的深度融合，發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢輔助物理教學(xué)的設(shè)計和實施，滿足學(xué)生有效利用實驗室資源的自主學(xué)習(xí)和個性化發(fā)展的需求，促進(jìn)學(xué)生“學(xué)會知識構(gòu)建、學(xué)會問題解決、學(xué)會身份構(gòu)建、學(xué)會高階思維[2]”的深度學(xué)習(xí)。

1 物理圖景概念界定

對于圖景，郭喬、李婷認(rèn)為“物理圖景是人腦中形成的對物理過程兼具形象思維與抽象思維的動態(tài)圖像，是學(xué)生解決物理問題時由感性認(rèn)識到理性認(rèn)識的橋梁，是幫助學(xué)生成功解題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。物理圖景一般包括圖式文本、知識框圖、示意圖、函數(shù)圖像等。[3]”在教學(xué)中，圖景對物理概念的構(gòu)建、規(guī)律的理解和習(xí)題的解決都有不可忽視的作用，物理圖景形象直觀地進(jìn)行表達(dá)，更好地將文字轉(zhuǎn)化為圖示有助于提高學(xué)生的數(shù)理思維能力，提升學(xué)生觀察力和想象力。

2 數(shù)字實驗的特點(diǎn)

數(shù)字實驗是基于計算機(jī)真實發(fā)生的實驗，相較于傳統(tǒng)實驗，數(shù)字實驗有很多優(yōu)勢。（1）數(shù)字實驗精確性高；（2）數(shù)字實驗直觀性強(qiáng)[4]；（3）數(shù)字實驗?zāi)芡瓿梢恍﹤鹘y(tǒng)實驗無法做或者做不好的實驗。這也是數(shù)字實驗在中國快速成長的重要原因之一，才促使數(shù)字實驗在上海乃至全國各個學(xué)科推廣使用開來。

3 例談數(shù)字實驗促進(jìn)初中物理圖景教學(xué)

人教版義務(wù)教育物理教科書中容納了很多數(shù)字實驗的案例，例如八年級上冊《測量平均速度》拓展性實驗就展示了利用傳感器測量運(yùn)動小車在不同位置時的速度；九年級《比熱容》一節(jié)展示利用傳感器比較不同物質(zhì)的比熱容，除此以外，還有很多沒有容納的概念、規(guī)律、習(xí)題等可以使用數(shù)字實驗進(jìn)行突破。

3.1 巧用數(shù)字實驗圖景突破“液體壓強(qiáng)大小的影響因素”

《液體的壓強(qiáng)》是人教版八年級下冊具有承上啟下作用的一節(jié)內(nèi)容，這一節(jié)教材首先從生活經(jīng)驗感受液體壓強(qiáng)的存在，再利用傳統(tǒng)實驗探究液體壓強(qiáng)的特點(diǎn)，最后利用邏輯推演液體壓強(qiáng)的大小計算公式，并進(jìn)行練習(xí)，達(dá)到了解生活中和液體壓強(qiáng)有關(guān)的現(xiàn)象，如連通器、船閘等。

這種設(shè)計看似從定性走向定量，讓學(xué)生在體驗式的學(xué)習(xí)中能夠多層次、多感官的感受液體壓強(qiáng)，但在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，往往使用兩到三種液體進(jìn)行對比得出“同一深度，液體密度越大，壓強(qiáng)越大”的結(jié)論，無法通過實驗現(xiàn)象明確液體壓強(qiáng)到底是怎樣隨液體密度變化的？是正比關(guān)系還是平方關(guān)系呢？

我們采用Vernier數(shù)字實驗平臺來取代教材中第34頁“探究液體內(nèi)部的壓強(qiáng)”實驗，實驗器材有：計算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、氣體壓強(qiáng)傳感器、透明盛液桶、PVC管（約30厘米）。

使用Vernier數(shù)字實驗平臺“探究液體內(nèi)部的壓強(qiáng)”影響因素實驗步驟：（1）將傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機(jī)連接；（2）在PVC管的5厘米、10厘米、15厘米和20厘米處做好標(biāo)記，將傳感器的探頭插進(jìn)PVC管的一端；（3）打開logger3.15軟件界面，編輯好傳感器接收的壓強(qiáng)減去大氣壓強(qiáng)就等于此時的液體壓強(qiáng)；（4）透明盛液桶裝滿清水，將PVC管的一端插入同種液體5厘米、10厘米、15厘米和20厘米深度處，采集同種液體不同深度處的液體壓強(qiáng)，所得同種液體不同深度壓強(qiáng)數(shù)據(jù)及實時生成圖像如圖1（左）（P230）。（5）在透明盛液桶依次裝入酒精、清水、鹽水和醬油，將PVC管的一端插入相同深度，所得不同液體相同深度處壓強(qiáng)數(shù)據(jù)及實時生成圖像如圖1右。

圖1 液體壓強(qiáng)和深度關(guān)系圖（左），液體壓強(qiáng)和密度關(guān)系圖（右）

通過Vernier數(shù)字實驗平臺“探究液體內(nèi)部的壓強(qiáng)”，利用實時的精確數(shù)據(jù)采集和圖景分析可直接得到“在同種液體內(nèi)部，液體壓強(qiáng)和深度成正比”及“在同一深度，液體壓強(qiáng)和液體密度成正比”的結(jié)論，學(xué)生不僅明確液體壓強(qiáng)的影響因素深度和液體密度，同時還能由圖景進(jìn)一步判斷深度和液體密度到底是怎樣影響液體壓強(qiáng)的，促進(jìn)學(xué)生“學(xué)會讀圖、用圖，”這是對傳統(tǒng)實驗進(jìn)一步的補(bǔ)充和完善。

3.2 巧用數(shù)字實驗繪制浮力經(jīng)典題型的圖景

在學(xué)習(xí)人教版八年級下冊《浮力》一章時，我們總會遇到一道典型題目：

例1：在彈簧測力計下掛一圓柱體，將圓柱體從盛有水的燒杯上方離水面某一高度處緩緩下降，然后將其逐漸浸入水中（水=1.0×103kg/m3；g取10N/kg）。當(dāng)圓柱體下降2cm時，彈簧測力計示數(shù)為2.76N，6cm時，0.11N，之后隨著圓柱體下降，彈簧測力計示數(shù)保持0.11N不變。

在實際教學(xué)中，圓柱體下降2至6厘米時，隨著圓柱體的下降，浸入水中的體積越來越大，所以彈簧測力計的示數(shù)越來越小，但很少有老師解釋“為什么彈簧測力計的示數(shù)和下降的高度是一條傾斜的直線段而不是曲線呢？如果是傾斜的直線段，斜率能不能計算呢？”

我們利用基于Vernier數(shù)字實驗平臺能實時采集彈簧測力計的示數(shù)F，生成彈簧測力計的示數(shù)F和圓柱體下降高度 的圖景，如圖2。

圖2 彈簧測力計示數(shù)與物體下降高度關(guān)系圖

針對圓柱體下降2至6厘米時，設(shè)物理重力為G，物體底面積為，液體密度為，彈簧測力計的示數(shù)F和下降的高度h（浸沒深度）的關(guān)系可以進(jìn)一步從理論進(jìn)行分析，因為和是常數(shù)，所以，彈簧測力計的示數(shù)F是浸沒深度 的一次函數(shù)，該線段斜率為。

生動直觀的數(shù)字實驗圖景能輔助學(xué)生從實驗和理論兩方面理解“二次稱重”計算浮力的方法，實驗現(xiàn)象明晰、易見。這就要求老師在備課中，要突破教材的“貯存狀態(tài)的知識”，厘清知識的內(nèi)在邏輯，選擇合適的方法把“貯存狀態(tài)的知識”轉(zhuǎn)化為“傳輸狀態(tài)的知識”，為學(xué)生所理解和接受。

4 結(jié)語

利用好數(shù)字實驗的物理圖景，能幫助學(xué)生理解物理實驗過程、掌握物理規(guī)律、解決物理問題。本研究僅呈現(xiàn)了兩個實例供一線教師參考和使用，數(shù)字實驗的圖景在教學(xué)中怎么實施與評價還有待進(jìn)一步討論和研究。