數(shù)字化實驗技術(shù)在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用

一、教學(xué)內(nèi)容

本課主要圍繞“牛頓第一定律”的核心知識展開，首要內(nèi)容為牛頓第一定律的內(nèi)容、適用范圍與生活中典型的應(yīng)用場景。在掌握理論基礎(chǔ)的前提下，課程進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生接觸并操作數(shù)字化實驗設(shè)備，在此過程中，學(xué)生需要完成小車滑行實驗，通過改變實驗條件，如摩擦面材質(zhì)、初始高度等，觀察小車滑行距離和速度變化，并通過傳感器記錄數(shù)據(jù)。

二、教學(xué)目標(biāo)

1.在真實、可視、可量化的實驗情境中理解牛頓第一定律的核心內(nèi)涵。

2.通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，能夠親自操作數(shù)字化實驗儀器，在數(shù)據(jù)采集與分析的過程中觀察物體運動狀態(tài)的變化，逐步形成對“物體在不受外力作用時將保持勻速直線運動或靜止\"的科學(xué)認(rèn)知。

三、教學(xué)重點、難點

本節(jié)課的教學(xué)重點是引導(dǎo)學(xué)生準(zhǔn)確掌握牛頓第一定律的科學(xué)內(nèi)容，并能通過數(shù)字化實驗技術(shù)進(jìn)行有效驗證。

教學(xué)難點主要體現(xiàn)在兩個方面。一方面，數(shù)字化實驗設(shè)備的操作對于初中階段的學(xué)生而言仍屬新穎，他們在傳感器連接、軟件使用、數(shù)據(jù)讀取等方面可能會遇到技術(shù)障礙，需要教師適時給予指導(dǎo)。另一方面，學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)與理論之間的關(guān)系缺乏經(jīng)驗，容易出現(xiàn)分析結(jié)果表面化、推理不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)葐栴}。

四、學(xué)情分析

八年級學(xué)生思維活躍、求知欲強，對新技術(shù)有較高的接受度。數(shù)字化實驗技術(shù)的引人在一定程度上滿足了他們對科學(xué)探究的興趣，有助于增強學(xué)生學(xué)習(xí)動機。與此同時，他們的邏輯分析、科學(xué)表述和操作技能尚處于逐步形成階段，這決定了教學(xué)中教師必須合理控制實驗操作的復(fù)雜度，提供清晰的分步指導(dǎo)，避免學(xué)生因技術(shù)困難而削弱學(xué)習(xí)信心。教學(xué)中教師必須注重引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑原有認(rèn)知，以實驗數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行科學(xué)思考和邏輯重構(gòu)。

五、教學(xué)準(zhǔn)備

為了確保教學(xué)活動的順利開展，教師需提前準(zhǔn)備與課程配套的數(shù)字化實驗儀器，包括滑動小車、斜面軌道、不同材質(zhì)的平面（如毛巾、棉布、光滑木板）以及連接用的速度傳感器、運動數(shù)據(jù)記錄器和相關(guān)分析軟件。教師還應(yīng)準(zhǔn)備配套PPT課件，內(nèi)容涵蓋牛頓第一定律的歷史背景、理論分析、生活應(yīng)用實例及本節(jié)課實驗環(huán)節(jié)的引導(dǎo)說明。此外，適當(dāng)引入相關(guān)教學(xué)視頻，有助于激發(fā)學(xué)生興趣，增強知識的直觀性。

六、教學(xué)過程

（一）導(dǎo)人新課—一數(shù)字化實驗環(huán)境下的物理世界觀察

教師通過多媒體投影展示實驗圖（見圖1），圖片中分別描繪了小車在三種不同材質(zhì)（毛巾、玻璃和木板）的水平面上滑行的情景。

圖1

教師：同學(xué)們，你們覺得這三種表面哪一種對小車的阻力最大？哪一種最小？為什么？

學(xué)生甲：毛巾最粗糙，小車在上面應(yīng)該跑得最短，阻力最大。

學(xué)生乙：玻璃是最光滑的，小車滑得最遠(yuǎn)。

教師點頭表示肯定，同時打開數(shù)字實驗平臺，將實驗過程的短視頻播放給全班觀看。視頻中，小車分別從斜面頂部滑下，在三種不同表面上的滑行距離由近及遠(yuǎn)，隨后屏幕上實時生成了三條對應(yīng)的速度-時間圖。

教師：大家看到了三種情況的速度變化曲線，有什么發(fā)現(xiàn)？

學(xué)生丙：毛巾上小車速度減得最快，玻璃上速度變化最小。

教師：很好。也就是說，在玻璃上，小車受到的阻力最小，它幾乎能保持原來的運動狀態(tài)。那你們想一想，如果我們把表面變得更加光滑，甚至設(shè)想成沒有任何阻力，小車會發(fā)生什么？

（學(xué)生開始熱烈討論）

學(xué)生丁：它不會停下來，會一直動。

教師：那么，沒有推力，它也會繼續(xù)運動，這是不是跟我們平常認(rèn)為的“沒有推力就停下來”有些不同？

學(xué)生點頭。

教師適時板書關(guān)鍵詞“阻力\"“速度變化\"“保持運動狀態(tài)”，并提示學(xué)生將這些關(guān)鍵詞與今天要學(xué)習(xí)的物理定律聯(lián)系起來。

隨后，教師播放數(shù)字實驗平臺中的“數(shù)據(jù)對比模塊”，將三種實驗情境的速度-時間圖、滑行距離和阻力大小進(jìn)行對照分析。

教師：根據(jù)這些數(shù)據(jù)，我們是否能得出初步的判斷：物體在沒有外力作用下，它的運動狀態(tài)會如何？

學(xué)生（一致回答）：會保持原來的運動狀態(tài)。

教師：非常好，我們剛才通過觀察圖像、分析數(shù)據(jù)、提出設(shè)想，其實已經(jīng)邁出了理解牛頓第一定律的第一步。接下來，我們將用更精確的實驗操作和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)來驗證這個判斷。

（設(shè)計意圖：打破學(xué)生以往對“運動必須靠力維持”的直覺判斷，引導(dǎo)他們通過數(shù)字化的手段觀察和分析真實物理現(xiàn)象。通過圖像形式呈現(xiàn)不同材質(zhì)表面對小車運動的影響，學(xué)生能夠在視覺和感知層面形成初步印象。）

（二）理論與實踐一數(shù)字化實驗中的牛頓第一定律

在完成第一環(huán)節(jié)的觀察與引導(dǎo)之后，教師開始組織學(xué)生借助數(shù)字化實驗技術(shù)進(jìn)行定量研究，為幫助學(xué)生更直觀、更準(zhǔn)確地分析運動狀態(tài)的變化規(guī)律，教師引入了速度傳感器、運動數(shù)據(jù)記錄器和平板數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等數(shù)字化實驗設(shè)備。

教師首先展示了一張預(yù)設(shè)的實驗記錄表（如表1），結(jié)構(gòu)簡潔明了，學(xué)生需通過數(shù)字化手段填充其中的數(shù)據(jù)。

表1

教師：我們今天不僅要觀察現(xiàn)象，還要獲得真實的數(shù)據(jù)。而這正是數(shù)字化實驗技術(shù)能帶給我們的最大幫助。接下來，每組將借助傳感器和數(shù)據(jù)采集器記錄下小車在三種不同表面滑行的運動距離。記錄完畢后，我們要分析數(shù)據(jù)是否能支持這樣的假設(shè)：物體在外力消失后仍會保持運動狀態(tài)。

學(xué)生開始組裝實驗平臺。每組桌上配有一塊可更換的水平實驗面、一輛標(biāo)準(zhǔn)小車、一塊斜面、紅外測速傳感器、一臺平板電腦。教師示范連接步驟，幫助學(xué)生完成數(shù)據(jù)終端與傳感器之間的藍(lán)牙配對。

教師：大家要注意保持每次釋放高度相同，只更換表面材質(zhì)，這樣才能保證我們只測量一個變量 一阻力。

各小組進(jìn)入實驗環(huán)節(jié)，依次完成三組實驗記錄。學(xué)生操作數(shù)字平臺界面，對每次實驗進(jìn)行命名、截圖并保存數(shù)據(jù)。五分鐘后，實驗數(shù)據(jù)基本完成，教師組織小組內(nèi)初步討論。

教師：請大家打開你們的速度-時間圖，觀察小車速度的變化趨勢。有哪組愿意分享？

學(xué)生（甲組）：我們發(fā)現(xiàn)，在毛巾表面上，小車速度下降最快，圖像傾斜角最大；而在桌面上，幾乎呈一條平緩直線。

教師：這組數(shù)據(jù)很典型，說明光滑表面阻力小，速度變化小，小車更容易保持原有運動狀態(tài)

教師（繼續(xù)追問）：如果將桌面換成更光滑的玻璃，甚至設(shè)想完全沒有阻力，小車又會怎么樣？

學(xué)生乙：那小車就可能永遠(yuǎn)運動下去。

教師（點頭鼓勵）：這就是牛頓第一定律要告訴我們的核心思想一一當(dāng)物體不再受外力時，它并不會停下來，而是會保持勻速直線運動。我們無法在現(xiàn)實中構(gòu)造沒有阻力的環(huán)境，但我們可以利用數(shù)字化實驗技術(shù)逼近理想狀態(tài)，從數(shù)據(jù)中推理出運動規(guī)律。

隨后，教師板書：牛頓第一定律：一切物體在沒有受到外力作用的時候，總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)。

（設(shè)計意圖：通過數(shù)字化實驗技術(shù)讓學(xué)生從感性觀察轉(zhuǎn)向理性分析。與傳統(tǒng)實驗相比，數(shù)字化技術(shù)不僅提供了更高精度的數(shù)據(jù)記錄，還能實時呈現(xiàn)運動過程中的關(guān)鍵變量，如速度變化、位移變化、加速度趨勢等。）

（三）實驗操作 探究物體運動的數(shù)字化記錄

教師：我們已經(jīng)知道，牛頓第一定律的內(nèi)容是不受力的物體會保持原來的運動狀態(tài)。但“不受力”只是一個理想條件，我們在現(xiàn)實中怎么接近它？今天，我們就要通過一組實驗來感受，并借助數(shù)字化工具記錄它留下的真實軌跡。

教師展示實物裝置 —一個由金屬片、小球、支座組成的慣性實驗裝置，同時在屏幕上投影如圖2所示的實驗圖。左圖：手指撥動金屬片前，小球靜止在金屬片上；右圖：金屬片被迅速撥出，小球垂直下落，精準(zhǔn)落入支座凹槽。

圖2

教師：從圖中可以看出，小球沒有隨金屬片一起飛出，而是直接垂直落下。這說明什么？

學(xué)生：小球有保持原來靜止?fàn)顟B(tài)的趨勢。

教師：這正是我們今天要探究的重點：物體保持運動狀態(tài)的本能傾向一一慣性。

教師隨后引導(dǎo)學(xué)生使用數(shù)字化位移追蹤儀對這個過程進(jìn)行實時捕捉。每組實驗臺上配置微型光電跟蹤儀與高幀頻攝像模塊，可自動生成位移-時間圖，記錄小球脫離金屬片瞬間的真實運動路徑。

每組開始操作：將小球放在金屬片中心；手指快速撥動金屬片；平板終端自動生成小球軌跡圖，并給出初速度趨勢分析；導(dǎo)出視頻幀圖和坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

教師巡視至甲組：

教師：你們的圖像顯示小球基本是豎直下落，說明什么？

學(xué)生：說明它在水平方向沒有被帶動，還是保持原來的靜止?fàn)顟B(tài)。

教師：很好。這是對靜止物體慣性的一種直接驗證。現(xiàn)在我們換一個思路，如果物體在運動中突然失去外力，它會怎么做？

教師調(diào)出第二組裝置：電磁投射臂裝置。該裝置模擬“擺動至最低點時突然斷繩”，并借助數(shù)字化追蹤球體的運動路徑。實驗如圖3所示：球向左擺動到最高點，突然釋放；釋放后球體沿水平方向飛出。

圖3

教師通過數(shù)字化高頻圖像追蹤技術(shù)，讓學(xué)生看到小球瞬間離開后的路徑。終端顯示球體沿水平方向做勻速直線運動，圖像標(biāo)出“受力消失前后\"的加速度與方向變化。

教師：大家思考一下，小球在被釋放后，它沿哪個方向運動？為什么不是斜向下？不是曲線？

學(xué)生乙：它是水平運動的，因為在斷繩那一刻，它的運動方向就是水平的。

教師：所以，是什么使它保持這個方向的運動？

學(xué)生：慣性。

教師：那它為什么不是一直加速，而是保持勻速？

學(xué)生：因為外力消失了，沒有力改變它。

教師：這正是牛頓第一定律最核心的內(nèi)容—如果不受外力，物體就會總保持原有的狀態(tài)。我們的數(shù)字化實驗設(shè)備把這瞬間的狀態(tài)清清楚楚地呈現(xiàn)出來了。

此后，學(xué)生分別操作兩組實驗，并用數(shù)字化工具進(jìn)行記錄。

（1）靜止小球失去支撐后的豎直下落軌跡;

（2）運動小球失去約束后的水平方向勻速運動路徑。

他們導(dǎo)出圖像、讀取數(shù)據(jù)、分析起始速度變化和受力情況，并在小組內(nèi)進(jìn)行對比討論。

教師鼓勵學(xué)生將現(xiàn)象與定律語言進(jìn)行匹配，對照定律中的關(guān)鍵詞，如“一切”“總保持”，進(jìn)行解析。

（設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)通過數(shù)字化工具對慣性實驗中的“靜者恒靜\"和“動者恒動\"現(xiàn)象進(jìn)行可視化捕捉與定量還原，通過圖像分析、數(shù)據(jù)追蹤與運動曲線呈現(xiàn)，學(xué)生能夠深入理解牛頓第一定律中“受力一運動狀態(tài)變化”的邏輯關(guān)系，在“實驗—觀察—解釋”的閉環(huán)中實現(xiàn)物理規(guī)律的主動建構(gòu)。）

（四）課程總結(jié)與應(yīng)用展望 數(shù)字化技術(shù)與物理學(xué)的結(jié)合

在完成所有實驗環(huán)節(jié)和數(shù)據(jù)分析后，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)人本節(jié)課的總結(jié)與提升環(huán)節(jié)。此時學(xué)生已經(jīng)對牛頓第一定律有了較為深人的理解，也完成了多個數(shù)字化實驗平臺上的操作。

教師：今天我們從觀察一個小車的運動，到追蹤一個小球的軌跡，用了哪些現(xiàn)代工具？

學(xué)生甲：我們用了加速度傳感器。

學(xué)生乙：還有位移記錄儀和平板終端。

教師：這些就是數(shù)字化實驗技術(shù)的代表。它們讓我們看到了以前無法直接看見的運動數(shù)據(jù)，讓實驗不再是模糊的現(xiàn)象，而是可以量化、可分析的過程。你們覺得，這樣的技術(shù)將來還可以應(yīng)用在哪些方面？

學(xué)生丙：也許可以用在天文觀測，比如分析行星。

學(xué)生丁：醫(yī)學(xué)里也能用，比如追蹤人走路的速度和節(jié)奏。

教師：很好！其實不僅是科學(xué)研究，在工業(yè)檢測、運動訓(xùn)練、智慧交通等領(lǐng)域，數(shù)字化實驗技術(shù)都在發(fā)揮越來越重要的作用。

教師：在未來的學(xué)習(xí)中，這些工具會越來越多地出現(xiàn)。希望今天的這節(jié)課不只是讓你們記住了牛頓第一定律，還讓你們對物理世界的研究方法產(chǎn)生了新的興趣。

學(xué)生紛紛點頭，教師在總結(jié)后補充：為了進(jìn)一步鞏固本節(jié)課的內(nèi)容，也為了鍛煉大家的思維表達(dá)能力，課后請完成一個小任務(wù)一以“數(shù)字化技術(shù)如何改變我們的物理學(xué)習(xí)\"為題，寫一篇150字左右的反思短文。你們可以從今天的實驗體驗說起，比如傳感器記錄帶來的精準(zhǔn)觀察，也可以談?wù)剤D像分析帶來的新理解，甚至可以暢想一下它未來在科研或日常生活中的應(yīng)用。下節(jié)課我們將選出幾篇優(yōu)秀作品在班級內(nèi)分享，希望你們都能認(rèn)真思考，寫出屬于自己的感悟。

（設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)旨在讓學(xué)生從知識獲得者轉(zhuǎn)向技術(shù)思維者與科學(xué)探究者，借由回顧、提問與啟發(fā)，強化學(xué)生對數(shù)字化實驗技術(shù)在物理學(xué)習(xí)中的工具屬性與思想價值的理解，進(jìn)一步提升其物理學(xué)習(xí)的主動性與科學(xué)素養(yǎng)，為持續(xù)探索物理世界提供動力支撐。）

七、教學(xué)反思

本節(jié)課以數(shù)字化實驗技術(shù)為依托，引導(dǎo)學(xué)生圍繞牛頓第一定律開展實驗探究與理論建構(gòu)，整體教學(xué)效果良好。通過數(shù)字化傳感器、位移記錄器與數(shù)據(jù)可視化平臺，學(xué)生能夠直觀獲取實驗過程中的加速度、位移變化等核心物理量，加深了對牛頓第一定律的理解。與傳統(tǒng)實驗相比，數(shù)字化技術(shù)有效突破了觀察模糊、記錄不準(zhǔn)確等教學(xué)瓶頸，使抽象的物理規(guī)律具象化、數(shù)據(jù)化。

但在教學(xué)過程中也發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生在實驗設(shè)備的連接操作與參數(shù)設(shè)定方面存在困惑，教師仍需進(jìn)一步加強課前的器材培訓(xùn)與分組協(xié)作指導(dǎo)。同時，個別學(xué)生在圖像分析過程中對加速度變化與受力狀態(tài)的關(guān)系理解較淺，提示教師應(yīng)在理論講解與圖像解讀之間建立更清晰的邏輯橋梁。

后續(xù)教學(xué)中，教師應(yīng)將傳統(tǒng)演示實驗與數(shù)字化操作結(jié)合使用，一方面保持操作直觀性，另一方面深化定量分析訓(xùn)練。針對學(xué)生操作中普遍存在的問題，擬編寫一套《數(shù)字化物理實驗操作指導(dǎo)手冊》，用于課前預(yù)習(xí)與課后復(fù)盤，提高學(xué)生自主實驗?zāi)芰εc物理建模思維水平。

（作者單位：如皋市港城實驗初中）

編輯：趙飛飛