让数字化探究实验教学变得更加完美——“气体的等温变化探究实验设计”教学案例

柏 会

(南京市江宁高级中学　江苏　南京　211100)



让数字化探究实验教学变得更加完美
——“气体的等温变化探究实验设计”教学案例

柏 会

(南京市江宁高级中学江苏南京211100)

重视科学探究实验的完整性，让数字化实验简约而不简单；课堂上的有效提问，让学生在数字化实验过程中“动起来”．

数字化探究实验传统实验有效提问

1　案例背景

随着现代信息技术和传感技术的发展，对探究实验室的产生提供了技术支撑，数字化探究实验室应运而生．许多经济比较发达的地区已给各学校配备了数字化实验仪器，并建有一定数量的数字化实验室．

数字化实验较传统实验有如下优点：测量范围广，弥补了传统实验的局限或空白；记忆功能能够实时测量所需物理量，便于分析动态实验过程并增强对比性；测量精度高、灵敏度好，节省测量时间—改变了实验课堂的时间分配和重心．然而任何事物都有其两面性，数字化实验也有一定的缺点，比如软硬件系统原理的复杂性，增加学生对仪器原理的认知难度，影响学生对知识的构建；数字化的过度智能不利于部分重要基础能力的培养．我们教师在数字化实验教学过程中，怎样做才能让学生既能保持对数字化实验的新鲜感，感受其快捷方便，又不让学生做数字化实验的傀儡，有自己的思维，各种感官都动起来呢？

下面笔者以气体的等温变化探究实验教学设计为例，加以说明．

2　案例展示——气体的等温变化实验探究

2.1实验目的

教师提出问题:

(1)探究气体的等温变化实验，我们需要研究哪两个量间的关系？

(2)我们的研究对象是什么？实验过程中对它有什么要求？

学生思考，并回答以上两个问题．教师强调，本实验目的为探究一定质量的气体，做等温变化时，压强与体积的关系．对气体的要求是质量保持不变、温度保持不变．

2.2实验器材的选定

教师提出问题:

(1)大家结合自己的实际生活经验和实验目的，思考一下我们用什么来封闭一定质量的气体，并且又能改变其体积呢？

(2)如何测量封闭气体的体积和压强呢？

经过思考并讨论，学生能想到用注射器来封闭一定质量的气体，用气压计来测量封闭气体的压强．

教师出示传统实验装置如图1所示，让学生有所了解．

图1　测量气体体积和压强的传统实验装置

2.3实验注意事项

教师提出问题:

(1)同学们，我们如何保证封闭气体的质量不变呢？

(2)实验过程中要保持封闭气体的温度不变，我们可以保持封闭气体温度是常温，和周围环境的温度相同；我们也可以保持较高温度不变，比如说50℃或60℃．分别如何做，并且要注意哪些问题呢？

学生思考并讨论，适时引导学生得出结论．

(1)保证质量不变的方法——将注射器壁涂上润滑油，防止漏气.

(2)保持封闭气体温度不变的方法.

1)保持封闭气体与周围环境温度相同

缓慢推动活塞，防止封闭气体的温度升高(可以让学生联想给自行车充完气，摸一下充气筒，会发热).

实验过程中应注意手不要接触注射器，以免封闭气体吸收手的热量，而使其温度升高．

推动活塞后，静置一会，待气体和周围大气充分进行热交换，以保持温度不变．

2)保持封闭气体在一特定的较高温度下

把整个装置放入热水中，用温度计测出水温(注意加多一点水)．

实验过程中若发现温度计示数降低，可适量加入一些热水，使温度计示数回复原值．

2.4预设实验步骤

教师提出问题:你认为本探究实验的大致步骤是怎样的？

学生回答：

(1)用注射器封闭一定质量的气体，记下气体初始状态的体积和压强V1，p1.

(2)推动活塞，改变封闭气体的体积，记下此时气体的体积和压强V2，p2.

(3)重复以上实验步骤，记下多组体积和压强.

教师追问:得到的数据如何处理呢？

学生回答：利用作图法，画出p-V图像.

2.5利用先进的DIS数字实验设备进行此实验

(1)教师说明

利用DIS数字实验系统，来做此实验，测量气体压强时我们用压强传感器代替压强计，利用数据采集器，直接将压强传感器输入的模拟信号转变为数字信号，并将数字信号输入计算机，计算机记录数据分析数据．利用如图2所示的装置．

图2　利用数字实验设备测量气体体积和压强

提醒学生打开DIS实验系统，在表格中设定压强、体积两个量，体积可以从注射器壁上的刻度直接读出，测得的压强值在计算机屏幕上实时显示，用鼠标单击后由计算机自动记录．这样可以获得不同体积时气体压强的数值．

(2) 学生进行实验

实验过程，教师巡视，做适时指导．

(3) 数据的处理

学生得到数据，教学生利用Excel处理数据，画出p-V图像．把不同组的图像拍出来，通过PPT展示给大家，进行比较，大部分学生得出的p-V图像，好像是双曲线．

教师提问：

1)同学们，你们能得出什么结论呢？

2)能不能说明一定质量的等温变化的气体，压强与体积成反比呢？我们再怎么样去研究两者的关系呢？(大家可以类比一下探究加速度与质量关系的实验中，我们研究力一定时，加速度a与质量m的关系时，如何处理的？)

(4)归纳总结，得出结论.

2.6本节课结束后家庭作业

传统实验和数字化实验，你喜欢哪种，为什么？

3　案例分析

3.1重视科学探究实验的完整性

重视科学探究实验的完整性，让数字化实验简约而不简单.

科学探究是一个过程，它主要包括:提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作等要素．无论是传统物理实验还是数字化实验，都不应脱离科学探究的一般过程．

在这一过程中不仅要关注学生科学探究的结果，更要强调学生在科学探究过程中的经历和体验．不仅要关注学生实际的实验操作，更要强调实验操作之前做的一系列的工作，比如实验目的的确定，实验仪器的选定，实验步骤的预设，甚至对实验过程中可能出现的问题进行预估，并能根据实验过程中可能出现的问题，讨论出相应的对策．因此，实验前做的这一系列的准备过程其实就是学生解决问题的过程，一个个问题得到解决，一个个困难得到攻克，学生自然能从中体会到探究的乐趣．

也许有些学生，甚至有些教师认为，实验目的的确定，实验仪器的选定，实验步骤的预设，只要学生看到了仪器不就一目了然了吗？殊不知，仪器摆在那里，只是以个体出现，只是一幅静态的没有生命的图画而已．只有通过学生的大脑加工出来的东西，才能具有生命力，才能保存长久．数字化实验操作过程非常简单，不用自己读数，不用自己处理数据，实验过程就是简单的机械运动．如何增加数字化实验过程的思维含量呢？“重视科学探究实验的完整性”，会让数字化实验简约而不简单．

3.2注意课堂提问的有效性

课堂上的有效提问，让学生在数字化实验过程中“动起来”.

软硬件系统原理的复杂性，增加学生对仪器原理的认知难度，影响学生对知识的构建；数字化的过度智能不利于部分重要基础能力的培养．如果不注意将难点分解，将部分知识让学生提前有一定的认知，本节课的实验可能看起来风生水起、一片欢腾，实则是一潭死水．学生思维没有被激发，只是在做简单的机械运动，对所做内容可能也是似是而非，整节课是极其失败的．

学起于思，思源于疑．问题是思维的起点，也是思维的动力．作为教师，只有通过挖掘教材，以问题为契机， 才能把学生的思考引向深入．知识发展本身有渐进性，因此教师在课堂提问的设计上应由易到难，由浅入深，层层递进，不断引导学生的思维向纵深发展．有效的课堂提问，能够培养学生的思维能力，帮助学生养成科学思考问题的方法．所以笔者在本节实验教学过程中，设置了一系列的问题，引发学生思考，让学生思维“动起来”，真正做到课堂效率最大化．

数字化实验系统记录数据、处理数据都比较快，好像一切都是预设好的，给人以难以置信的感觉．笔者在此环节设置了几个问题，将节奏拉慢，引发学生用类比法思考处理数据的方法，起到了缓冲的作用．只有手脑并用，充分调动学生的各种感官，将电脑软件的思维再现，让学生经过自己的思考，解决遇到的问题，才不至于整节课都飘飘然，才能足够地接地气．让课堂上适时的有效提问，带学生在数字化探究实验过程中真正“动起来”.

3.3实现传统实验与数字化实验的无缝对接

传统实验和数字化实验无缝对接，做到鱼和熊掌兼得.

本案例中，笔者在数字化实验前涉及了传统的探究气体等温变化的实验装置，这是不是画蛇添足呢？不同的教师可能有不同的看法．笔者认为在时间允许的情况下，将传统实验和数字化实验结合，是一种很好的方法，这有点鱼和熊掌兼得的意思吧！

4　案例反思

21世纪是以知识创新和科技应用为重点的知识经济时代，国力的强弱越来越取决于劳动者素质的优劣．学生未来的工作环境必然离不开以计算机为核心的信息化环境．数字化实验具有实验过程“可视化”、实验设计“重点化”、数据“智能化”、数据处理“智能化”、教学过程“现代化”的特点，能与未来科学实验和研究有个很好的衔接．所以适当进行数字化实验教学也势必行．怎样将数字化实验的效能发挥到极致呢？

笔者认为这需要长时间的进行尝试和摸索．但无论是什么形式的教学，都不是孤立存在的．我们能做的就是要整合各种资源，利用各种方法，本着培养学生各种能力的原则，尽可能地让数字化实验教学变得更加完美，让学生感受到数字化实验的魅力，享受科技进步的成果！

1董光顺．从新角度谈数字化物理实验的特点．实验教学与仪器 ，2013(7/8)：57

2016-02-29)