巧用数字实验，体会物理图景之美——例谈数字实验促进初中物理图景教学

万芷宏，何 晓*

（新疆师范大学物理与电子工程学院，新疆 乌鲁木齐 830054）

中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《加快推进教育现代化实施方案（2018－2022年）》指出“大力推进教育信息化，促进信息技术与教育教学深度融合，支持学校充分利用信息技术开展人才培养模式和教学方法改革，逐步实现信息化教与学应用师生全覆盖。[1]”基于Vernier实验平台的数字实验就是将信息技术与物理教育教学的深度融合，发挥信息技术的优势辅助物理教学的设计和实施，满足学生有效利用实验室资源的自主学习和个性化发展的需求，促进学生“学会知识构建、学会问题解决、学会身份构建、学会高阶思维[2]”的深度学习。

1 物理图景概念界定

对于图景，郭乔、李婷认为“物理图景是人脑中形成的对物理过程兼具形象思维与抽象思维的动态图像，是学生解决物理问题时由感性认识到理性认识的桥梁，是帮助学生成功解题的关键环节。物理图景一般包括图式文本、知识框图、示意图、函数图像等。[3]”在教学中，图景对物理概念的构建、规律的理解和习题的解决都有不可忽视的作用，物理图景形象直观地进行表达，更好地将文字转化为图示有助于提高学生的数理思维能力，提升学生观察力和想象力。

2 数字实验的特点

数字实验是基于计算机真实发生的实验，相较于传统实验，数字实验有很多优势。（1）数字实验精确性高；（2）数字实验直观性强[4]；（3）数字实验能完成一些传统实验无法做或者做不好的实验。这也是数字实验在中国快速成长的重要原因之一，才促使数字实验在上海乃至全国各个学科推广使用开来。

3 例谈数字实验促进初中物理图景教学

人教版义务教育物理教科书中容纳了很多数字实验的案例，例如八年级上册《测量平均速度》拓展性实验就展示了利用传感器测量运动小车在不同位置时的速度；九年级《比热容》一节展示利用传感器比较不同物质的比热容，除此以外，还有很多没有容纳的概念、规律、习题等可以使用数字实验进行突破。

3.1 巧用数字实验图景突破“液体压强大小的影响因素”

《液体的压强》是人教版八年级下册具有承上启下作用的一节内容，这一节教材首先从生活经验感受液体压强的存在，再利用传统实验探究液体压强的特点，最后利用逻辑推演液体压强的大小计算公式，并进行练习，达到了解生活中和液体压强有关的现象，如连通器、船闸等。

这种设计看似从定性走向定量，让学生在体验式的学习中能够多层次、多感官的感受液体压强，但在传统实验教学中，往往使用两到三种液体进行对比得出“同一深度，液体密度越大，压强越大”的结论，无法通过实验现象明确液体压强到底是怎样随液体密度变化的？是正比关系还是平方关系呢？

我们采用Vernier数字实验平台来取代教材中第34页“探究液体内部的压强”实验，实验器材有：计算机、数据采集器、气体压强传感器、透明盛液桶、PVC管（约30厘米）。

使用Vernier数字实验平台“探究液体内部的压强”影响因素实验步骤：（1）将传感器、数据采集器和计算机连接；（2）在PVC管的5厘米、10厘米、15厘米和20厘米处做好标记，将传感器的探头插进PVC管的一端；（3）打开logger3.15软件界面，编辑好传感器接收的压强减去大气压强就等于此时的液体压强；（4）透明盛液桶装满清水，将PVC管的一端插入同种液体5厘米、10厘米、15厘米和20厘米深度处，采集同种液体不同深度处的液体压强，所得同种液体不同深度压强数据及实时生成图像如图1（左）（P230）。（5）在透明盛液桶依次装入酒精、清水、盐水和酱油，将PVC管的一端插入相同深度，所得不同液体相同深度处压强数据及实时生成图像如图1右。

图1 液体压强和深度关系图（左），液体压强和密度关系图（右）

通过Vernier数字实验平台“探究液体内部的压强”，利用实时的精确数据采集和图景分析可直接得到“在同种液体内部，液体压强和深度成正比”及“在同一深度，液体压强和液体密度成正比”的结论，学生不仅明确液体压强的影响因素深度和液体密度，同时还能由图景进一步判断深度和液体密度到底是怎样影响液体压强的，促进学生“学会读图、用图，”这是对传统实验进一步的补充和完善。

3.2 巧用数字实验绘制浮力经典题型的图景

在学习人教版八年级下册《浮力》一章时，我们总会遇到一道典型题目：

例1：在弹簧测力计下挂一圆柱体，将圆柱体从盛有水的烧杯上方离水面某一高度处缓缓下降，然后将其逐渐浸入水中（水=1.0×103kg/m3；g取10N/kg）。当圆柱体下降2cm时，弹簧测力计示数为2.76N，6cm时，0.11N，之后随着圆柱体下降，弹簧测力计示数保持0.11N不变。

在实际教学中，圆柱体下降2至6厘米时，随着圆柱体的下降，浸入水中的体积越来越大，所以弹簧测力计的示数越来越小，但很少有老师解释“为什么弹簧测力计的示数和下降的高度是一条倾斜的直线段而不是曲线呢？如果是倾斜的直线段，斜率能不能计算呢？”

我们利用基于Vernier数字实验平台能实时采集弹簧测力计的示数F，生成弹簧测力计的示数F和圆柱体下降高度 的图景，如图2。

图2 弹簧测力计示数与物体下降高度关系图

针对圆柱体下降2至6厘米时，设物理重力为G，物体底面积为，液体密度为，弹簧测力计的示数F和下降的高度h（浸没深度）的关系可以进一步从理论进行分析，因为和是常数，所以，弹簧测力计的示数F是浸没深度 的一次函数，该线段斜率为。

生动直观的数字实验图景能辅助学生从实验和理论两方面理解“二次称重”计算浮力的方法，实验现象明晰、易见。这就要求老师在备课中，要突破教材的“贮存状态的知识”，厘清知识的内在逻辑，选择合适的方法把“贮存状态的知识”转化为“传输状态的知识”，为学生所理解和接受。

4 结语

利用好数字实验的物理图景，能帮助学生理解物理实验过程、掌握物理规律、解决物理问题。本研究仅呈现了两个实例供一线教师参考和使用，数字实验的图景在教学中怎么实施与评价还有待进一步讨论和研究。