中學物理實驗器材(數字化)可視化改進的探索

一、初中物理實驗器材數字化改造的研究背景

1.時代背景。當前社會已進入信息化的高速發展期，根據摩爾定律，信息技術的迭代在每兩年將提升一倍的性能，全息投影、3D打印、虛擬場景、人工智能已經逐漸開始應用到各個領域，信息化終將向智能化發展。物理是一門以實驗為基礎的學科，也是信息化、智能化發展的基礎學科，相關實驗、教學的技術應該緊跟時代的步伐，讓傳統的實驗在不失基本原理的基礎上加持信息化技術，未能若能與全息投影、3D打印、虛擬場景、人工智能等技術相結合，將更有利于學生對物理實驗的實際體驗，實驗效果和數據也更直觀、更準確，有利于學生對前沿技術的認知，與當前的實際發展接軌。

2.物理實驗課程教學現狀。現行初中物理教材中和課程標準中所給出的初中物理實驗方案是基于十年前甚至更久遠年代的技術背景所設計的，加之實驗儀器生產單位基于成本的考慮，普遍存在制造精度不高、質量不好、技術陳舊等問題，這直接導致初中物理一線教師在進行演示實驗和分組實驗的過程中，部分實驗現象不明顯、不直觀、數據不準確的現象，常常需要通過對實驗條件、操作方式、實驗環境等各方面的補充解釋作為對實驗結果的糾正，較為“勉強”的得出物理實驗結論，這顯然與物理科學和嚴謹的學科精神是相違背的，不利于對學生科學探究精神的培養。

二、初中物理實驗器材數字化改造解決的核心問題

1.數字化技術。利用現有的電子技術，將一些難以觀測的物理量通過傳感器、芯片的處理，最后通過液晶屏、數碼管顯示出來，相較傳統的機械式儀表，具有更精確和更直觀的特點。

2.可視化技術。利用液晶屏、數碼管高亮度的顯示特性，將演示實驗中難以直觀觀測的物理量展示出來，提高演示實驗的直觀性，提升演示實驗的效果。

3.相關顯示技術。隨著工業2.0的推進，目前我們已成為半導體元器件的制造大國，有相關成熟的產業鏈和制造技術低。

4.傳感器技術。普適性的民用溫度傳感器的誤差范圍已可以控制在0.1攝氏度，具有較高的精度，完全滿足初中物理實驗的需要。

三、實踐案例：初中物理實驗器材數字化、可視化改造研究內容

1.數字化改進“焦耳定律”“比熱容”實驗。焦耳定律實驗需要得出的結論是：電阻產生的熱量，與通過其的電流的平方成正比，與電阻的大小成正比，與通電時間成正比。關鍵就在于三個“正比”關系如何確立。原器材的實驗方案是通過“轉換法”，利用兩側U型管內液面高度差的不同來確立相關物理量的正比關系是不嚴謹的，且實驗現象也是不直觀，不便于課堂演示實驗。“比熱容”實驗則是通過兩種質量相同的液體在吸收相同熱量的情況下，比較升高溫度的多少來判斷該液體吸熱能力的強弱。原器材是用水銀溫度計來測量溫度，缺點是水銀溫度計的顯示不是太直觀可視化，不便于課堂演示實驗。

2.改進方案的效果。兩個實驗利用高亮數碼管和溫度傳感器進行了數字化、可視化改造，更直觀、更精確、更有利學生操作，更有利于學生通過實驗理解焦耳定律實驗和比熱容實驗的內在物理意義，以此得出的實驗結論更具說服力。我們在課堂上進行了多次實踐，取得良好的效果。

3.改進方案的成本和推廣研究。首先，一個實驗器材能否能進行推廣和應用，成本是一個重要的考量因素。我們研究的重要內容之一就是如何在相對合理的成本范圍內進行改進和改造，不追求高、精、尖，將實驗的課堂效果放在首位，也要將實用性和可推廣性放在重要的考量位置。其次，我們在追求數字化、可視化改進的時候，也不能一擁而上、沒有甄別。初中物理的眾多實驗中，有對基礎原理的探究和認識實驗，比如牛頓第一定律實驗、光學實驗、溫度計原理、托里拆利實驗等，這些實驗強調的是最基礎的物理原理，不可替代和跳躍，不適合對其進行數字化、可視化的改造。最后，先進的技術總是在不斷的迭代中，比如全息投影技術、無線互聯投屏技術、數字化模型構建技術、人工智能技術等，這些技術若能陸續引入到實驗中來，把一些物理抽象的概念通過全息投影具象化、通過投屏技術清晰化、通過數字化模型構建技術模型化、通過人工智能技術，都非常有利于學生對抽象物理知識的理解和掌握，對促進一線教學質量的提升是非常有幫助的。

【注：本文系深圳市龍崗區立項課題“中學物理實驗器材（數字化）可視化改進的探索”（課題編號：2021XK351）研究成果】

責任編輯 徐國堅