应用传感器和电子表格的实验教学探究

林丰 陈玉茹 王理想

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》对必做实验“气体的等温变化”提出的教学要求为：通过实验，了解气体实验定律。为培养学生的探究能力，笔者基于素养本位学习观的4个方法要素，即坚持问题导向、创设真实情境、建构合作关系、实施指导性探究^[1]，在信息技术支持下创设情境，激发学生学习动力，并利用传感器获取数据，借助电子表格（Excel）软件精准分析数据，通过教具和教法的整合创新，让学生亲身探究“气体的等温变化”规律，建立物理观念，提高科学思维能力。实验探究过程中，笔者引导学生分组合作探究，实事求是开展实验，培养学生的科学品质。

一、教学内容、目标与重难点分析

如何探究“气体的等温变化”，教材给出了两种实验方法：一种是利用带有气压表的注射器来探究，该方案不足之处在于气压表读数不精确且手绘作图及处理数据耗时多，效率较低；另一种是用数字化信息系统（DIS）采集数据，用计算机软件处理数据描绘图像，这样实验能有效提高测量精度，同时让学生体验数据处理的过程，提高学生科学探究的质量。

教学目标：一是先演示实验，再让学生体验实验，了解气体的状态参量是存在变化关系的，学会运用控制变量法研究“气体的等温变化”规律；二是让学生经历提出问题、猜想分析、设计实验、采集数据、处理数据、得出结论和交流评价的过程，学习具体方法；三是通过引导，让学生在探究中养成敢于探索、敢于提问、勇于创新的科学精神，培养他们热爱科学的情感。

教学重点：探究在温度不变的情况下，一定质量的气体压强与体积的关系。

教学难点：设计方案，处理数据，分析误差。

二、教学思路

教师基于素养本位学习观的4个方法要素，建构了教学思路（如图 1）：首先，压缩空气引火仪创设真实问题情境，启发学生思考气体状态参量间存在一定的关系；接着，利用数字测温器和自制的针筒实验教具，探究一定质量的气体发生“等温变化”的条件；然后，围绕如何测量气体的体积和压强这一核心问题，引导学生利用DIS设计实验方案，充分运用DIS引导学生观察气体做等温变化时，压强与体积的数值变化，猜想气体压强与体积的关系，通过分组实验的方式进行实验探究，利用计算机软件记录和处理数据，分析气体压强与体积的关系；最后，带领学生分析实验误差，培养学生的科学思维能力。

三、教学过程

（一）创设实验情境，引入新课

教师演示“空气取火”实验：在空气压缩引火仪的气缸底部放置少许棉花，用力迅速向下推动活塞压缩气体，引导学生观察实验现象，探究气体状态参量间的关系。

师生互动过程：

【问题】压缩气体时，气体的体积、温度和压强如何变化？

学生：气体被压缩后，体积变小，棉花燃烧说明气体温度升高，气压可能变大、变小或不变。

【实验】学生用手堵住针筒出气口，缓慢推动活塞，压缩气体，通过手感受推力的变化，判断气体被压缩时其压强如何变化。

学生：推活塞的力变大，说明气压变大。

【问题】上述实验表明，气体的3个状态参量间存在某种关系，如何更好地研究气体的3个状态参量间的关系，降低探究难度？

学生：可采用控制变量法探究两个物理量之间的关系，控制其他物理量不变。

教师：我们先着手研究一定质量的气体，控制气体温度不变，探究气体压强与体积的关系。

设计意图：为启发学生思考气体状态参量之间的关系，明确核心问题，教师创设情境，让学生感知气体状态参量间存在某种关系，明确需要解决的问题及解决方法，提高探究的积极性。

（二）用测温器探究气体等温变化的条件

实现气体等温变化是实验的前提，也是实验难点。在以往的教学中，教师常根据热平衡理论进行演绎、推理，探究气体做等温变化的条件。但是这样实验，学生经常犯不规范操作的错误。例如：学生过快地推动活塞改变气体的体积并立即读取气体的压强；长时间用手握住装有气体的容器外壁；等等。为了让学生有效探究气体做等温变化的条件，规范学生的实验操作，教师将温度传感器与显示器相结合，组装了数字测温器和针筒教具，用以探究气体做等温变化的条件。

师生互动过程：

【问题】回忆“空气取火”实验并结合热平衡知识，思考：在改变气体的体积时，控制气体温度不变，需满足哪些条件？

学生：在环境温度不变时，缓慢推动活塞，气体的温度才能视为不变。

【实验】用针筒和数字测温器密闭一定质量的气体，在室内温度为30.7 ℃且不变时，学生以极慢的速度缓慢推动活塞和以较快的速度匀速推动活塞，观察温度计示数，验证猜想是否正确。

学生：实验表明，在室温不变时，缓慢改变气体体积，同时手不与容器外壁接触，即可控制气体温度不变。

设计意图：教师利用信息技术实现探究气体做等温变化的条件，引导学生观察数字测温器示数变化，探究气体做等温变化的条件，区分缓慢推动活塞与匀速推动活塞的区别，规范操作，最终实现理论推导和实践探究的有效融合。

（三）设计测量气体体积和压强的实验方案

设计合理、可行的测量物理量的方案，是获取实验数据的重要途径。教师通过问题驱动，引导学生综合运用所学知识设计测量物理量的方案，研讨、评估实验方案的可行性，确定符合信息技术情境要求的实验方案。

师生互动过程：

【问题】实验中，需要测量哪些物理量？

学生：气体体积和压强。

【问题】如何测量气体体积和压强？

学生：方案一，利用圆柱形玻璃管和机械式压强计密闭一定质量的气体，气体可以简化成圆柱体，体积V等于横截面积S与空气柱长度L的乘积，气压则由压强计读出。方案二，利用针筒和压强传感器密闭一定质量的气体，从针筒壁上的刻度读出气体的体积V，用压强传感器测量气体的压强p，从DIS系统界面读取压强数值。

教师：用传感器测量压强比机械式压强计更精确，读数更加便捷。故选用DIS进行探究。

设计意图：让学生知道实验中需要测量哪些物理量，理解相关方法原理，培养学生设计实验方案和交流表达的能力，提高学生发散思维的能力，增强学生运用信息技术的意识。

（四）定性实验，猜想分析

猜想要基于生活常识或科学实验结果。如果学生盲目猜想会增加他们的认知负担，不利于教学目标的达成。教师采用确定的测量物理量的方案，指导学生组装器材，通过推动活塞，观察压强值的变化情况。

师生互动过程：

【问题】在温度不变的情况下，一定质量的气体压强与体积存在怎样的关系呢？

【实验】教师介绍传感器配套软件的界面和读取气体压强值的方法，指导学生组装实验仪器，缓慢推动活塞压缩气体，观察DIS软件中压强值的变化情况。

学生：通过定性实验可知，对于一定质量的气体来说，在温度不变的情况下，气体体积减小，其压强增大，由此猜想压强与体积成反比关系。

教师：猜想压强与体积的平方、三次方甚至是n次方，是否都能满足气体体积减小，压强增大的关系？

学生：是的。

设计意图：教师利用DIS创设物理情境，以丰富的视觉材料刺激学生的感官，让学生观察实验结果得到定性结论：体积减小，压强增大。基于定性实验的结论，教师通过设问的方式，引导学生合理猜想，培养学生的思维能力。

（五）分组实验，获取数据

各组学生分工合作，在教师的指导下操作实验器材并采集数据，在数据表格中记录气体体积与压强（见表1）。

设计意图：教师组织学生分组实验，增加学生合作学习与自主学习的机会，促进学生对知识的深层理解，发展学生科学论证、质疑创新等思维能力，让学生在研讨中取长补短，掌握交流技巧，以此培养学生实验操作能力、创新能力、交流合作能力和自主学习能力。

（六）处理和分析实验数据

实验数据是实验者开展科学思维活动的事实材料^[2]。学生利用压强传感器和针筒分别获得气体压强和体积状态参量的数据，根据实验数据利用Excel画出的p-V图像，展开科学论证，基于数学知识大胆地质疑所画的图像是否说明压强与体积成反比关系，并针对图像进行深度思考，利用Excel作出p-1/V图像，探究p与V的关系。学生基于实验数据开展科学思维活动，既提高了数据处理能力，又有效培育了自身科学思维素养。

师生互动过程：

【问题】为显化压强与体积的关系，可以用什么方法处理数据？

学生：用作图法尝试画出p-V图像，分析压强与体积的关系。

教师：作图工具有很多种，如用坐标纸手绘作图、用计算机软件作图等。这里，我们用Excel软件作图。请大家在Excel中作出p-V图像。

学生：用Excel作出了p-V图像。

【问题】画出的p-V图像能说明压强与体积成反比关系吗？

学生：画出的p-V图像是一条曲线，但不一定是反比例函数图像双曲线中的一条，无法说明p与V成反比关系。

【问题】回忆探究加速度a与质量m的关系，我们运用变换坐标的方法画出a-1/m得知加速度a与质量m成反比。类比，如何更直观说明p与V的关系？

学生：画出p-1/V图像，如果p-1/V图像是一条过原点的直线，则说明p与V成反比。

教师：请大家用计算机软件拟合出p-1/V图像。

学生：利用Excel作出了p-1/V图像。

教师：图像为一条直线，但放大图像坐标原点区域，发现直线不过原点，直接认为压强与体积的倒数成反比关系，这种做法较为牵强。我们要尊重和正视实验事实。直线不过原点说明实验数据存在误差。

【问题】实验误差主要是因为测量哪个物理量造成的？

教师：在DIS中，传感器测出的压强值精度高，其误差可忽略不计。请仔细观察实验仪器，判断实验误差是否主要来源于体积的测量。（教师用投屏仪在屏幕上展示实验装置。）

学生：针筒前端及连接传感器的软管内有气体。

【问题】在测量气体体积时是否考虑了这部分气体的体积？

学生：针筒壁上的刻度显示的是针筒内空气柱的体积，不包含针筒前端及连接传感器的软管内气体的体积，因此实验中气体体积的测量值比真实值小。

教师：事先依据特定的方法^[3]测出针筒前端及连接传感器的软管中气体体积V₀=0.77 mL，对体积数据进行修正，将表1中体积数值均加上这部分气体体积，再用计算机软件重新绘制p-1/V图线（如图2），结果发现p-1/V图像为一条经过原点的直线。

实验结论：在温度不变的情况下，一定质量的某种气体压强p与体积V成反比。

设计意图：教师引导学生经历分析和处理数据过程，提高数据分析与科学探究能力。学生通过分析误差，提高自身科学思维能力，养成实事求是的科学态度。

四、总结

教师创设真实的生活情境，通过问题驱动学生思考，建构模型引导学生实验、探究，最终得出了科学结论。在整个过程中，学生参与设计实验方案、猜想分析、实验操作、记录数据、处理数据等活动，他们的学习积极性和主动性得到充分发挥。在设计实验方案环节，教师将传统的数据处理方法和传感器等信息技术手段相结合，既提高了实验测量精度，又让学生经历数据处理过程，亲身体验并深度思考，发展了学生的学科素养。

注：本文系海南省教育科学规划2021年度立项课题“中学物理自制教具的研究与开发”（课题编号：QJY20211054）阶段性成果。

参考文献

[1] 张紫屏.论素养本位学习观[J].全球教育展望，2016（3）：3-14.

[2] 张玉峰.基于核心素养的中学物理实验教学重难点突破[M].北京：北京师范大学出版社，2021.

[3] 吴志山.等温变化时气体压强和体积倒数图像关系“异常”的探究[J].物理教学，2022（7）：30-32.

（作者林丰、陈玉茹系海南省文昌中学教师；王理想系海南省教育研究培训院教研员）

责任编辑：祝元志