物理实验“可视化”的探索与实践

陈海深 叶其思 宋善炎

（1.湖南师范大学教育科学学院，湖南 长沙 410081；2.广西师范大学物理科学与技术学院，广西 桂林 541004）

实验是物理新课程改革的重要环节，是落实物理课程目标、全面提高学生科学素养的重要途径，也是新课程改革的重要课程资源.［1］随着物理实验环境、实验条件的进一步改善和现代教育技术的不断发展，物理实验的“可视化”教学也越来越受到学生的欢迎.它能够将传统物理实验或技术无法展示的“疑难”演示实验、“复杂”演示实验直观地呈现给学生.

物理实验“可视化”也是学生开展科学探究学习的重要方式，能够吸引他们参与到观察与体验、猜想与假设、分析与交流、实践与创造等实验过程中，让学生获得更形象、更直观、更真实的认知体验，使抽象的物理知识具体化、形象化、图示化.也能促进学生科学思维的发展，提升他们的动手实践能力.［2］运用现代技术的““可视化”实验还具有传递速度快、反馈效率高的特点，能够提高物理实验演示的效果，为科学概念的形成提供关键的证据，帮助学生科学有效地建构物理知识，从而达到提高物理教学水平的目的.

1 物理实验“可视化”的开发与实践

1.1 “色差法”可视

（1）彩虹杯.

实验器材：白砂糖、颜色为红、黄、绿3种颜色的色素、水、3个烧杯、玻璃瓶、勺子、玻璃棒.

实验步骤：① 将3个烧杯分别编号为1、2、3；② 分别在1号烧杯中加入1勺白糖，绿色素3滴，在2号烧杯中加入3勺白糖，黄色素3滴，在3号烧杯中加入6勺白糖，红色素3滴；③ 向每个烧杯中加入15mL的水；用玻璃棒分别充分搅拌均匀；④ 用玻璃棒先将3号烧杯中的溶液引流入空玻璃杯，然后再将2号烧杯中溶液引流入玻璃杯，最后将1号烧杯中的溶液引流入玻璃杯；⑤ 观察物理实验现象.

实验现象：颜色不同的糖水出现色差分层，含糖量多的溶液在玻璃杯下层，含糖量少的在玻璃杯上层，形成如图1所示的彩虹杯.

图1

实验原理探究：溶液含糖量的多少影响了溶液的浓度，进而影响了其密度.由G=mg=ρVg可知密度越大物体质量越大，故受到的重力越大，所以密度大的液体在下层，密度小的液体在上层，因此出现了可视的溶液色差分层现象.这个实验有利于加深学生对溶液浓度与密度、重力关系之间的理解.

（2）冰玛瑙.

实验器材：冰块、蓝色素、盐、塑料盘.

实验步骤：① 在塑料盘上放两块冰块，其中一块冰不撒盐（如图2），在另一块撒上少量的盐（如图3）；② 将两块冰块上分别滴加2滴蓝色素；③观察物理实验现象.

图2

图3

实验现象：没撒盐的冰块，蓝色素从冰块表面滑过（如图4）；表面撒盐的冰块，蓝色素慢慢渗入冰块中（如图5）.

图4

图5

实验原理探究：同一物质的分子在晶体状态下呈现规则的排列，原子或分子间的吸引力相同，各个方向受力均匀，不易受到外界温度的影响.而渗入了其它物质的原子或分子后的晶体，由于其分子或原子大小不同，它们的排列不规则，分子间的吸引力不均匀，在温度较低时会逐渐熔化.当盐渗入到冰块中形成盐水固态物，使得原来冰中水分子的排序变得混乱，容易受外界温度的影响，使其熔点降低，导致原先的冰块因为盐的混合而融化.撒盐部分融化得更快，冰块中就产生了裂纹，蓝色素就可以顺着裂缝向下流动，产生（如图5）冰玛瑙的色差可视效果.这个实验有利于学生对晶体性质的理解.

1.2 “透明法”可视

（1）听话的瓶子.

实验器材：橡皮筋、透明的空瓶、螺母、回形针.

实验步骤：①在瓶子底部和瓶盖的中间各钻一个孔；② 将螺母缠绕并绑在橡皮筋的中间；③ 将橡皮筋的两端分别穿过瓶底和瓶盖的小孔，并用回形针固定住（如图6）；④ 用手滚动瓶子；⑤ 观察物理实验现象.

图6

实验现象：将瓶放于水平面，用力初始推动瓶，启动后撤除外力又“听话”的滚回来.

实验原理探究：瓶内螺母的重量远大于空瓶的重量，用手推动空瓶使其开始运动，瓶内螺母由于相对质量较大，惯性也较大，故保持静止的状态.而瓶身在滚动时，带动着橡皮筋开始缠绕，瓶身的动能逐渐转化为与瓶相连的皮筋的弹性势能.当橡皮筋缠绕到一定程度时，螺母在高度扭转的皮筋及重力的作用下，其储存的弹性势能又开始转化为瓶身的动能，推动瓶子回滚，故无论滚出多远，瓶子都会“听话”的滚回来，并且在滚动的过程中能使瓶身与螺母运动状态的差异直接可视.这个实验有利于学生对惯性的大小以及能量转化的科学理解.

（2）双心壶.

实验材料：透明塑料瓶、热熔胶枪、空笔芯、发泡板、红色素、水.

实验步骤：① 将一个透明的塑料瓶上下部分切掉，取中间部分；② 把发泡板（如图7），竖着插入中间部分的瓶子的中，用热熔胶枪将发泡板固定在塑料瓶中间（如图8）；③ 在瓶子的两侧对称的位置用锥子扎两个小孔（如图9）；④ 用锥子在已钻好的两个孔外侧的中间并高于两个小孔的高度处钻一个孔，其大小可以放入笔芯（如图10）；⑤将塑料瓶的上下底部用热熔胶封好；⑥ 双心壶的制作完成，然后将两种不同颜色的液体分别倒入两侧隔间内；⑦ 用手指堵住一侧的小孔，观察水的流动情况.

图7

图8

图9

图10

实验现象：倒水时，堵住的一侧水流不出来；未堵住的一侧水却流出来了.

实验原理探究：当我们用手指堵住其中的一个小孔时，由于壶外的大气压强高于壶内大气压强，所以水不能流出.当我们松开手指后，壶外的大气压强与壶内的大气压强相等，水就能够流出来，将看不见的压强作用于水的流动直接可视出来，有利于学生对大气压的作用效果的理解.［3］

1.3 “数字法”可视

DISLab即数字化信息系统，由传感器、数据采集器和电脑组成其中传感器可以将实时感应的物理变化传递至电脑进行实时的数据采集.使用DISLab专用软件对物理实验中数据的采集、处理、分析，可以将物理实验过程中视觉不能精确觉察出来的变化以数字、图像等方式展示给学生.［4］

（1）金属的热胀冷缩.

实验器材：铁丝、棉绳、力传感器、数据采集器、计算机、酒精灯、打火机、铁架台.

实验步骤：① 将力传感器固定在一个铁架台上；② 将铁丝的两端用棉线固定，棉线的一端与力传感器的挂钩固定，另一端固定在另一个铁架台上，使铁丝处于绷直状态；③ 连接好数据采集器、计算机、力传感器，建立坐标系并设置横坐标代表时间，纵坐标代表力；④ 点击DISLab界面中的启动键，开始记录铁丝的受力情况，待数值稳定后，点燃酒精灯加热铁丝（如图11）；⑤50s后熄灭酒精灯，让铁丝冷却（如图12）；⑥ 观察物理实验数据.

图11

图12

实验现象：初始拉力为3N，加热过程，拉力逐渐减小，冷却过程，拉力逐渐恢复3N数值.

实验原理探究：加热过程，铁丝受热膨胀伸长，绷直的铁丝变得略微松弛，拉力减小.冷却过程，铁丝受冷冷缩，恢复绷紧的状态，测力计的测量恢复至3N的数值（图13）.将金属的热胀冷缩产生的用肉眼观察不到的微小形变借助数字化、图像化方式让学生直观的可视，有利于学生对金属物理性质的学习和掌握.

图13

（2）线圈的自感现象.

实验器材：导线、电池、电池盒、线圈、开关、电阻、电流传感器、数据采集器、计算机.

实验步骤：① 用导线将线圈、电阻、电池盒、开关、电流传感器串联，并接通电源（如图14）；② 打开DIS软件；③ 闭合开关，观察物理实验图像；④ 断开开关；⑤ 用导线替换线圈，闭合开关，再次观察图像.

图14

实验现象：在有线圈的电路中（如图15），开关闭合的瞬间，电路中的电流是缓慢地增加，然后达到恒定（如图16）.若把电路中的线圈替换成导线，在开关闭合的瞬间，电流马上增大后达到恒定（如图17）.

图15

图16

图17

实验原理探究：电路闭合开关通电的瞬间，电流迅速增加，线圈中产生感应电动势.根据楞次定律，感应电动势在闭合电路中会阻碍原来电流的增加，故在有线圈的电路中，接通或断开电路瞬间，学生具身观察到电流缓慢增大或缓慢减少的现象，便于对于线圈在电路中“阻碍作用”的“可视化”观察，也有助于学生理解电路的“暂态变化”.

1.4 “影像法”可视

教师利用相机微距拍摄技术、相机的慢拍摄、tracker软件（专用于物理教学的影像分析和建模工具的软件，借助其丰富的数据绘图、函数建模等程序，将适时收集的物理影像和空间数据转换到软件上显示）等现代技术手段，把物理实验变化的“暂态过程”，通过适时追踪的影像进行自动或手动的绘图与分析，从而使许多某些微观现象“可视化”、暂态现象“凝固化”，让学生直接观察到“瞬间变化”的物理实验过程.［5］如以单摆物理实验为例，通过运动影像轨迹追踪的方式让学生在较长时间内观察到“瞬间变化”的可视效果.

单摆的运动.

实验器材：棉绳、钢球、铁架台、tracker软件.

实验步骤：将棉绳系在钢球上，棉绳的另一端固定于铁架台上（如图18），将小球绷直拉离平衡位置，幅度小于5°，静止释放小球，同时启动tracker软件进行记录，让学生观察tracker软件（如图19）中采集的影像视频改变摆长，进行同样影像视频分析与观察.

图18

图19

实验现象：在tracker软件中设定坐标轴和质点（摆球），点击质点使其从静止开始做单摆运动，对质点的运动进行实时影像跟踪记录，并绘制成单摆振动图像（如图20）.然后设置和改变摆长变量，进行记录并对比观察.

图20

实验原理探究：单摆的周期取决于摆长，摆长越长，摆球摆动的周期会越长.利用tracker软件采集物体的运动影像，将追踪到的运动影像轨迹生成单摆振动的二维波形图，并在时间轴上直观显示出波形图的疏密.这个实验有利于学生对单摆振动快慢与波形图疏密关系的“可视化”观察与分析.

1.5 “间接法”可视

音叉的振动.

实验器材：音叉、乒乓球、细绳、铁架台.

实验步骤：①用细绳悬挂乒乓球；②将细绳的一端固定在铁架台上，待乒乓球静止；③敲击音叉；④ 移动音叉，使得音叉靠近静止的乒乓球（如图21）；⑤ 观察物理实验现象.

图21

实验现象：静止的乒乓球紧靠音叉，然后敲击音叉，乒乓球会向音叉外侧弹出，达到最高点时，乒乓球在重力的作用下又落回到原来位置，在靠近振动中的音叉时，又再次弹出.

实验原理探究：发声的音叉在振动，音叉振动产生的能量以空气为介质进行传递，乒乓球在振动形式的能量作用下被弹开，乒乓球的运动间接地将音叉的微小振动放大并“可视化”，有利于学生形象直观的理解音叉发声的本质特征是振动.

1.6 “介质法”可视

（1）磁场的存在.

实验器材：磁铁、铁屑粉.

实验步骤：① 将磁铁放在白纸上；② 在磁铁周围撒上铁屑介质；③ 观察物理实验现象.

实验现象：散布的铁屑整齐地排列在磁铁周围（如图22）.

图22

实验原理探究：磁铁周围存在着磁场，磁场真实存在但肉眼无法观察到，铁屑介质在磁场作用下有序地排列并将看不见的磁场可视出来，有利于学生对磁场的客观存在的具身体验与科学理解.

（2）光路的呈现.

实验器材：激光笔、电动喷瓶、自来水.

实验步骤：① 将自来水装入电动喷瓶内；② 按下喷瓶开关，产生烟雾现象；③ 打开激光笔开关；④ 观察物理实验现象.

实验现象：在烟雾介质中，可以清晰的显示出激光的光线路径（如图23）.

图23

实验原理探究：光线照射时，肉眼很难直接观察到光线的路径.但当一束光线透过喷瓶的烟雾时，烟雾介质是胶体，其分散剂是空气，而分散剂是微小的液滴，光线入射时会产生丁达尔现象，从而使光线变得“可见”，有利于学生对光线的具身体验与观察.

2 物理实验“可视化”反思

（1）失真性.物理实验“可视化”虽然鼓励学生直观的观察与物理实验的创新，但也可能会因为“材料的替代”、“数字的模拟”、“材料的添加”、“效果的放大”等“可视化”手段而造成原始物理实验的“失真”，或者由于增加了实验材料和新技术工具而使原本简单的物理实验变得更为复杂.

（2）依赖性.“可视化”的物理实验虽然能让学生直观地观察到现象，容易激发学生的兴趣和满足好奇心，但由于有时产生“一眼洞穿”的效果，也会限制学生萌生更多的猜想和假设，因而有可能降低学生进一步的深入思考和探究.

（3）定势性.“可视化”的物理实验使学生直观的观察到实验器材的内部材料和关键结构，容易掩盖实验背后的原理探究，可能降低学生的科学思维和逻辑推理水平，并且当再次出现同质或类似实验现象时，依思维定势的聚焦实验装置的内部材料和关键结构，从而减少对物理实验现象本身的探究.

3 结语

随着5G时代的到来，在线数据可视化、云计算、在线导图、虚拟现实技术的应用普及，可以预测线上线下的技术融合会衍生出更加丰富的教学可视化的应用模式和场景，如何将其与物理实验教学相结合，形成模型、方法、技术相结合的理论和实践体系是非常有应用价值的研究方向.［6］