数字技术在初中物理实验教学中应用的课例研究

李尚初

摘要：现代教学中，用精当的数字资源与数字技术辅助实验教学的关键环节，将会起到画龙点睛、锦上添花的升华作用.本文拟用课例研究的方法，对在实验教学中如何恰当运用数字资源加以阐释.

关键词：数字资源;实验教学;课例研究

实验教学是物理教学的重要组成部分，是落实物理课程目标，全面提高学生科学素养的重要途径.将数字资源与数字技术运用在课堂内实验教学的恰当环节，或者课堂外实验教学的预习、复习环节，将对实验教学起到较好的升华作用.

1 数字技术怎样用于物理实验教学更有效

数字技术和数字资源怎样用于实验教学会更有效，笔者以几节优课课例，从创设问题情景、放大实验细节、突破教学难点、激发学生兴趣等方面，对运用数字技术辅助实验教学的有效性进行分析阐释.

1.1 数字技术用于创设问题情景，为实验教学做好铺垫

课例片段《流体压强与流速关系》的数字视频引入

哈尔滨市81中学蒋晓薇老师的《流体压强与流速关系》教学中，在前面引入环节的向上和向下吹乒乓球比赛的游戏结束后，教师提出问题，让学生观看事先拍摄好的数字视频中的四个实验，判断视频中的四个实验现象的真假.如图1所示，一是向用架子固定好（或两手所持）的两张平行纸张间吹气，两张纸会相互远离;二是将硬币平放在水平桌面上，正前方大约10厘米处垂直横放一钢板尺（大约2厘米高），沿着桌面平行的方向用力吹气，会看到硬币可以跳过钢板尺;三是用带针管的注射器向水盆中的中间大约有4厘米的两静止小船间注射水流，小船相互远离;四是取一根从中间切开一个小孔并折成直角的吸管，将短的一端竖直插入红色的水中，器材之前放一张白纸，然后向水平管口吹气，在白纸看到一个美丽的水花.观看这四个视频，让学生来判断视频当中实验现象的真假.

点评《流体压强与流速关系》一课，难点是运用流体压强与流速关系来解释生活中的现象，学生可能在生活中有一定的观察，但由于不了解这方面的知识而没有真正关注过有关的生活现象.比如向两张纸中间吹气后两张纸的运动状态和两个小船并行且靠近时的运动趋势.学生往往会因为生活中观察到的现象而错误地臆想，将结论迁移到该现象中，比如旗杆上的红旗随风飘动的现象，让学生认为向两张纸中间吹气会让两张纸向外分开或者是不动;而“真假”这个实验视频的播放，恰好就创设了实验的问题情景.让学生在开展实验前，先在头脑中问问自己视频中的哪种现象可能是真的，既展现了学生的原有认知，又规范了后面实验的操作要领，为其后学生实验的实施做了充分的铺垫.

这样处理可以激发学生的好奇心，使学生已有的认知水平和后面的实验教学，产生足够的碰撞，学生会非常愿意开展实验进行验证，从而激励学生去主动思考，产生学习的主动性.

课例片段《测量小灯泡的电功率》的教学引入

哈尔滨市风华中学王善丽老师在《测量小灯泡的电功率》教学引入时，播放了灯光师通过调节控制器，来展示舞台上的彩色灯光明暗变化的灯光秀视频，如图2所示.

点评《测量小灯泡的电功率》是课标在“科学内容”相关主题中提出的“20个学生必做实验”之一.该实验涉及转换、间接测量、观察、对比、分析等科學研究方法，对全面培养学生的科学素养有着重要意义.那么怎样才能让学生在有限的时间内充分经历科学探究的过程呢？首先应从生活现象中抽象出物理问题，引导学生围绕着物理问题展开科学探究活动.本节课的教学情境中，小灯泡的明暗变化是由于电能转化为光能的快慢不同造成的，将直观的灯的明暗变化与抽象的能量转化快慢联系在一起，对学生来讲困难较大，所以教师采用灯光秀的展示，将现象和问题都呈现在学生面前，使学生自然而然地进入科学探究情境.

1.2 数字技术用于放大实验细节，规范学生实验的操作步骤

课例片段《测量小灯泡的电功率》一课，在学生动手做实验之前播放数字视频，如图3所示，展示了实验操作要领、操作步骤、放大了实验细节.

点评 为了激发学生的学习兴趣，教师为学生准备了模拟灯光秀的灯光观察箱，其内部结构笑脸灯箱与本节课要研究的小灯泡并联，由滑动变阻器控制它们的亮暗.本着物尽其用、节省时间的原则，取下笑脸灯箱后，学生可以利用灯光观察箱测量小灯泡的电功率，这样做既保证学生的兴趣，又不会制造障碍干扰学生的学习.为了避免学生操作的盲目性，教师利用视频指导学生如何取下笑脸灯箱，以小灯泡为测量对象.考虑学生之前做电学实验时所用的元件可能不同，视频中教师还演示了灯光观察箱对应的电学元件的连接方法，大大提高了实验教学的指导效率.

1.3 数字技术用于突破教学难点，帮助学生理解实验原理

课例片段蒋老师的《流体压强与流速关系》一课的最后教学环节，让学生一边观看利用数字技术制作的向上吹乒乓球和向下吹乒乓球的气体流动方向和特点的动画视频，一边解释为什么向上吹漏斗中的乒乓球，乒乓球不升起来;向下吹漏斗中乒乓球，乒乓球不掉下去的教学片段.如图4所示.

点评 蒋晓薇老师执教的《流体压强与流速关系》在引课时请几位学生一起参与游戏，向上吹乒乓球，学生看到乒乓球吹不起来;然后教师又演示了用吹风机向下吹乒乓球，学生又看到乒乓球不掉下来.原因是什么，教师没有马上点破，而是把这个“悬念”留到了课堂的最后，用数字技术的动画视频来帮助学生理解其中的原理.因为前面教师已和学生一起通过探究活动得到伯努利原理，共同分析了飞机升力的产生原理，所以在应用这个动画视频时，教师就请学生观看动画视频，通过组织语言，自己总结为什么向上吹漏斗中的乒乓球，乒乓球不升起来和向下吹漏斗中的乒乓球，乒乓球又不掉下来的原因.动画视频的应用，很好地模拟了两种情景中各部分气流的流动情况，给学生的思考和表达提供了直观依据，所以学生水到渠成地得出了实验现象的原理.

2 数字技术运用于实验教学中的相对优势

2.1 利用仿真实验让思维可视化

课例片段

伏安法测电阻和测小灯泡的电功率的实验教学，都可以用电学仿真实验软件，模拟连接实验电路的过程，让学生在实际连接时可以边观看仿真实验的视频，边练习连接电路.这样学生实验时有思维可视化的辅助，所以电路连接会更顺畅.用仿真实验室也可模拟演示光的反射，学生对实验操作步骤一目了然.如图5所示.

点评初中物理实验教学，受学校条件和实验器材自身可视化程度的限制，演示實验的效果并不理想.为增强演示实验的可视化程度，可以给学生模拟演示实验的操作步骤和方法.

2.2 利用动画、视频慢镜头，白板放大再现物理现象和过程

现代数字技术可以实现物理世界的宏观“再现”，即把不可见的现象模拟再现，微观现象模拟放大，瞬间现象延迟放缓等，使其易于观察.

课例片段观察气体燃烧膨胀对外做功实验的慢镜头回放

原实验（如图6所示）：

实验器材：酒精、镊子、火柴、空矿泉水瓶

实验步骤：①用镊子在瓶盖上打孔;②向瓶内滴加酒精后振荡瓶子;③摆放好瓶子，用镊子夹住点燃的火柴，放置在瓶口;④观察到瓶子飞出的现象，由于速度过快，其它现象不易观察到.

改进实验：把原来实验中的矿泉水瓶竖直固定，再重复上面的实验步骤，同时用手机拍摄成视频，再利用慢镜头回放实验过程.通过慢镜头可以观察到酒精燃烧，燃气喷出等现象，如图7所示，

点评 气体燃烧膨胀对外做功实验的实验现象若直接观察，只能观察到瓶子飞出的实验现象，而如果用数字视频慢镜头回放的技术手段，就能把较短时间内发生的瞬间的变化过程放缓、放慢，从而让学生观察到瞬间的过程而进一步思考气体对外做功时内能是怎样变化的.即点燃酒精气体后，气体燃烧，瞬间升温膨胀对外做功时其内能减少，所以温度迅速降低，向外界空气吸收热量，导致空气中的部分水蒸汽降温凝结成小水雾.

数字技术恰到好处地运用于实验教学，一定能在多方面多角度辅助教学，增加实验教学的效果，而现在一些新技术，如3D虚拟增强现实技术在教育中的应用是以可视化的3D立体模型为基础，通过启发式、项目体验式的教学方式，综合应用VR、AR技术，实现沉浸性、交互性、真实性强的学习情境，完善探究学习和认知的过程.

参考文献：

[1]侯丹，宋吴泽.3D虚拟增强现实技术在中学物理教学中的应用研究[J].天津师范大学学报（基础教育版），2018（7）：69 -74.