基于现代信息技术的物理教学实验改进

张骏

物质的熔化与凝固是平时生活中较为常见的物态变化现象，学生比较熟悉，但没有深入了解，仅停留在感性认知层面。教科书先大致比较冰和石蜡的熔化，试图利用学生已有的生活经验，初步认识到不同的固体，熔化的特点并非相同。在此基础上，再以海波和松香为实验材料，记录在熔化过程中两者的温度变化数据，并根据实验数据作出熔化图像，反映两种固体在加热时温度随时间的变化规律，总结出晶体和非晶体熔化的规律，引出熔点、晶体和非晶体等概念。

一、传统实验存在的问题分析

教材中海波熔化的实验具体操作如下：把装有海波的试管放在盛水的烧杯里，缓慢加热，观察海波状态的变化（如图1）。待温度上升到40℃开始，每隔0.5分钟记录一次温度，到海波完全熔化后再记录几次。该实验完成后，再将实验材料改为松香，重复上述实验步骤。

1、探究的材料选取不理想，实验操作繁琐

海波是热的不良导体，在水浴加热的过程中，不同部位的海波温度不一样。若温度计插入的位置不合适，便不能将熔化时的真实温度测量出来。而且，当海波开始熔化时，由于液态海波的形成，会产生了对流，使得还未熔化的海波迅速熔化，最终得不到晶体熔化时温度保持不变的过程。

该实验结束后，温度计和海波会黏在一起并凝固在试管中，若要将温度计取出，则须对其进行再次加热，而且对海波的回收也要进行再次加热至熔化后倒入回收容器进行回收。松香的熔化实验同样存在着实验结束后，实验器材清洗比较困难的情况。

2、实验的时间紧张，学生参与度低，实验现象难以观察

在教学参考书中，“熔化与凝固”这一节课只安排了一个课时，为了顺利完成教学任务，教师在实际操作过程中，会将海波、松香熔化的两个演示实验同时进行：两套试验仪器放在讲台的两边，每套仪器都请3个学生帮忙，1人报时，1人读温度计示数，1人在黑板上记录数据。其余的同学在下面听取汇报，并记录实验数据。再根据实验数据，绘制两个固体熔化的图像，从图像中找出相同点和不同点，进行比较后将其规律推广到两类不同的固体：晶体和非晶体。

从上述教学过程不难发现，对于海波和松香熔化实验的具体过程，能够直接参与实验操作的学生是很少的，而且对于实验现象，除了两位读取温度数据的同学能够观察得到，其余学生由于位置的关系均无法观察。观察的困难必然导致学生对晶体熔点的理解不够深入和透彻，使得学生在晶体达到熔点后能够处于何种物态的判断带来困难。从培养学生的核心素养层面来看，学生的实验操作能力和实验现象观察能力也得不到培养和发展。

二、实验的改进措施

针对实验中存在的以上问题，笔者对实验进行了以下改进。首先，将实验材料由海波和松香分别替换成常见的冰块和石蜡，便于学生课后进行重复实验;其次，利用DISLab系统完成实验数据的采集和处理，得到物质熔化的温度—时间图像，并在实验过程中利用投屏软件放大实验现象;最后，利用带显示器的便携式温度传感器，让学生在课外自行探究和验证常见物质的熔化特点。具体操作如下：

1、基于DISLab系统的实验设计

在实验桌面上放置两个铁架台，选择直径适当的试管两支，不能太细，以免实验过程时间过短，不利于实验现象的观察。将盛水量和装石蜡量均为约三分之一的两个试管分别固定在铁架台上。取两个温度传感器，固定在试管中，并调整其位置，使探头的能够处在实验材料的中间位置，保证实验数据的准确性。其中，在石蜡中的温度传感器探头固定时，可在将石蜡加热熔化的过程中将其固定好，再让其自然冷却，这样可以确保探头处于最佳测量位置。将温度传感器与DISLab数据采集器连接，并把数据采集器连上计算机，让测量的温度数据通过DISLab系统中的通用软件进行处理。

图2实验装置结构图

根据上图的设计连接好实验装置，开始进行实验前，将课前准备的冷冻成块状的饱和浓盐水，从保温杯中取出放在烧杯中，作为冷却媒介，将试管中的纯净水冷冻成固体。冷冻完成后，接下来便可以进行熔化实验。为避免熔化的时间过短，温度数据采集不充分，可准备两烧杯，一杯装温水，一杯装开水，将装有冰和石蜡的两试管分别放在其中进行水浴加热。

打开DISLab系统，开始熔化实验，温度传感器会采集冰和石蜡熔化温度数据，并将数据传给计算机，系统的通用软件会将数据直接进行处理，得到两者的熔化温度—时间曲线图，如图所示：

图3冰块熔化温度—时间曲线图图4石蜡熔化温度—时间曲线图

通过以上系统生成的图像对比，学生可以比较明显地看出两种物质在熔化过程中具有不同的特点，在此基础上要求学生对两组实验图像进行分析，寻找出两种物质各自的熔化特点，最终通过分析，总结出晶体与非晶体熔化的特点。

2、利用投屏软件，放大实验现象

在操作实验的过程中，利用苹果手机自带的屏幕镜像功能，打开手机的视屏拍摄功能，结合电脑端AirPlay程序，实现实时投屏功能。使用Airplay技术将手机画面投屏后，只需找个好角度对准学生需观察的部分实验器材即可，这样全班学生都能很清楚地通过教室大屏幕观察固体熔化的实验现象。

图5投屏装置结构图

以上投屏装置的正常使用，需要让教室电脑和手机连接的是同一个无线网络，如果教室没有实现无线覆盖，可以通过安装USB随身wifi，把电脑端的互联网连接转换成wifi信号，然后将手机再连接该信号。其中，手机的类型并不局限于笔者使用的ios操作系统的苹果手机，Android操作系统的手机同样也可以实现实时投屏功能，如在Android操作系统的移动设备端和电脑端同时下载希沃授课助手，点击里面的对应的功能，便可实现实时投屏。

3、借助便携式温度传感器，学生课后进行自行探究

通过以上信息技术协助实验教学，非常的高效化和智能化，弥补了传统实验耗时的缺点，但同时也淡化了学生对实验的参与感。学生缺少了传统实验中的体验体会过程，无法亲自动手实践去创造、观察和体会物理现象，没有了施展的实验平台，不利于学生学习兴趣的激发，不利于学生观察能力和动手实践能力的提高。

为了弥补这样的缺憾，笔者在完成该堂课的教学任务后，借助便携式温度传感器（如图6），让学生放学回家后自行设计实验来验证课堂上探究的晶体和非晶体的熔化特点。便携式温度传感器，集成了数字显示屏，具有良好的线性和灵敏度，而且体积小，便于使用，打破了传统温度测量的局限性，为实验的开展提供了宽松的环境，让学生可以更加顺利的开展自主探究实验，能够在巩固课堂知识的同时，也能够让学生的主体意识和创新意识在主动探究过程中得以发挥，提高实验物理教学的质量。

三、小结和反思

日常的实验教学能为学生提供知识本源认知的最优化情境，运用实验展示物理现象和过程，不但可以使學生对物理现象及过程产生必要的感性认识，还能提高学生的专注度，引发学生的学习兴趣。然而在传统实验教学中，偶尔会存在实验操作耗时耗力，现象不易观察，数据处理繁琐，测量误差大，从而导致实验效率低下，这样不仅会影响学生对物理现象和规律的深人理解，还会影响教师的课程设计思路和教学过程。如在完成上述教学过程后，剩余的课堂教学时间已不足以支持再去完成凝固实验。因此，很多老师就在教学设计的过程中把与凝固相关的知识放在次要的位置，也不会安排与熔化实验对应的凝固实验，也就没有了通过实际测量得出的与熔化图像对称的凝固图像，全凭学生通过凝固是熔化的逆过程来推理。

本文教学演示实验的改进，是现代信息技术与传统实验整合的尝试，通过DISLab系统来协助实验教学，操作便捷、测量数据精准，实验过程中以投屏软件放大实验现象，便于学生观察熔化过程中的物态变化，最后DISLab系统采集的数据还可以“数形结合”，以图象的形式呈现出数据的变化规律，让学生能够对两类不同的物质熔化的温度特性进行比较分析，总结出物质的熔化规律。

当然，现代信息技术的引入，能够让课堂实验高效率、智能化，能够迅速得出物理规律，但也淡化了学生参与实验的过程，缺失了传统实验中的操作体验感，这些是在将现代信息技术与课堂实验教学融合的过程中需要注意的地方，笔者在本节课后为学生设计的自主探究环节，便是为降低其负面影响所作出的尝试，供大家参考。

（作者单位：浙江省杭州市杭州英特外国语学校）