摘要： 初中物理實驗教學(xué)中經(jīng)常出現(xiàn)實驗現(xiàn)象不明顯、讀數(shù)困難和數(shù)據(jù)處理耗時過長等問題。將信息技術(shù)與課堂教學(xué)融合，改變實驗的動態(tài)過程，可讓實驗動態(tài)過程由快變慢，便于觀察，也使動態(tài)過程的數(shù)據(jù)記錄便捷化、數(shù)據(jù)分析即時化，彌補了傳統(tǒng)實驗不足，更好地解釋物理現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化教學(xué);初中物理;動態(tài)過程

利用現(xiàn)代技術(shù)加快推動人才培養(yǎng)模式改革，實現(xiàn)規(guī)?；逃c個性化培養(yǎng)的有機結(jié)合，是教育現(xiàn)代化的戰(zhàn)略任務(wù)之一，也是教育信息化的重要目標(biāo)。在當(dāng)前課堂教學(xué)中，教師應(yīng)用信息技術(shù)可以更好地為初中物理實驗教學(xué)服務(wù)，解決物理實驗動態(tài)過程研究中存在的問題。

一、物理實驗及其數(shù)字化教學(xué)的現(xiàn)狀

（一）目前物理實驗中存在的問題

一是不易觀察動態(tài)實驗過程。學(xué)生要準(zhǔn)確讀出溫度計、彈簧秤的示數(shù)，只能等器具穩(wěn)定后再讀數(shù)。其實，對于彈簧振子的受力情況、連續(xù)變化的溫度和壓強、電動機啟動時電流的變化等動態(tài)物理量，實驗者無法精確測量，也無法及時記錄。二是記錄動態(tài)實驗過程耗時過長。在傳統(tǒng)實驗環(huán)境下，教師可以對視頻進(jìn)行錄制并回放來觀察動態(tài)物理量。然而，教師用此法記錄實驗數(shù)據(jù)效率低下，常常望而卻步。另外，教師為了節(jié)約實驗時間，有時只能減少數(shù)據(jù)的采集數(shù)，導(dǎo)致實驗的可信度降低。

（二）數(shù)字化實驗的應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前，信息技術(shù)與課堂教學(xué)融合已成趨勢，這種融合不僅促進(jìn)了教師教學(xué)方式的改變，而且讓學(xué)生有多種學(xué)習(xí)方式可選擇。數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室（Digital Information System Lab，DISLab）是一種全新的實驗手段體系。它整合了傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機三者的功能：傳感器替代了測量儀器用于采集多種物理量數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)通過采集器處理后傳到計算機;計算機對處理后的信息進(jìn)行實時處理與分析。

實驗者借助信息技術(shù)可使物理實驗中的動態(tài)由快變慢，再到靜止，便于肉眼觀察。DISLab的工作原理是借助傳感器使一些非電學(xué)量（如力、壓強、溫度等）轉(zhuǎn)化為電學(xué)量，實現(xiàn)數(shù)字化顯示。實驗過程中，基于實驗數(shù)據(jù)繪制的圖形同步生成。

教師將傳統(tǒng)實驗改為數(shù)字化實驗，數(shù)據(jù)處理的時間比例從45%降至3%，探索研究的時間比例從6%升至57%，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的質(zhì)量。教師可以有充足的時間對物理現(xiàn)象和物理規(guī)律進(jìn)行深入分析和討論。

教師應(yīng)用DISLab可使實驗動態(tài)過程由快變慢、動態(tài)過程的數(shù)據(jù)紀(jì)錄更便捷、動態(tài)過程的數(shù)據(jù)分析即時化，彌補傳統(tǒng)實驗的不足。

二、物理實驗動態(tài)過程的數(shù)字化探究

（一）觀察物理實驗動態(tài)過程

1.呈現(xiàn)最大靜摩擦動態(tài)轉(zhuǎn)變過程

人們用彈簧測力計可以粗略測得滑動摩擦力值，然而在實驗中用彈簧測力計鉤住小木塊并勻速直線拉動，使小木塊在長木板上滑動，操作起來有一定難度。實驗者需要時刻注視彈簧測力計，待示數(shù)穩(wěn)定后讀數(shù)，而穩(wěn)定的時段往往比較短，讀數(shù)難度較大。

實驗中，彈簧測力計的拉力逐漸增大，達(dá)到一定數(shù)值后木塊開始滑動。由于彈簧測力計變化較快，相較滑動摩擦力，實驗者觀察最大靜摩擦力的難度更大。筆者使用DIS進(jìn)行最大靜摩擦力實驗，讓學(xué)生在電腦屏幕上觀察拉力變大的全過程（如圖1）。根據(jù)平衡條件，可知靜摩擦力變化也是如此。曲線的峰值表征最大靜摩擦力值，曲線還揭示了最大靜摩擦力出現(xiàn)后摩擦力變化并趨于常數(shù)的規(guī)律。筆者用這段圖線，讓學(xué)生加深對最大靜摩擦力的理解。

2.探究杠桿平衡條件

在探究杠桿平衡條件的實驗中，鉤碼在實驗中只能產(chǎn)生豎直向下的力，自然懸掛時無法改變動力和阻力的方向，需要彈簧測力計充當(dāng)阻力或者動力，通過改變拉力方向來改變力臂。傳統(tǒng)實驗中，彈簧測力計在改變拉力方向時難以準(zhǔn)確讀數(shù)，只有停在某個角度時才能讀數(shù)。這不便于觀察示數(shù)變化。

其實，對于該實驗同樣可以用力傳感器來取代彈簧測力計。力傳感器在改變拉力方向時，獲得的拉力變化是實時且連續(xù)的，傳輸?shù)接嬎銠C后得到的數(shù)據(jù)同樣是實時且連續(xù)的。相較于傳統(tǒng)實驗，數(shù)字化實驗的好處是不需要人工讀數(shù)，還可以揭示實時且連續(xù)的變化規(guī)律，在計算機上導(dǎo)出大量連續(xù)的實驗數(shù)據(jù)或直接以曲線圖的形式直觀呈現(xiàn)。

如果要做探究杠桿平衡條件的拓展實驗，同樣可以利用數(shù)字化實驗設(shè)備的便利性。傳統(tǒng)實驗中，讀數(shù)困難的問題難以解決，實驗者只能于固定位置，靜止不動時才能讀數(shù)，如果杠桿轉(zhuǎn)動起來，對于變化情況的觀察往往束手無策。筆者利用DIS實驗設(shè)備輕易完成動態(tài)變化的實驗操作，讓學(xué)生將主要精力放在操作上。在杠桿轉(zhuǎn)動過程中，如果力始終是豎直向上的，則向上的力保持不變（如圖2）。

3.解釋電動機啟動電流的動態(tài)過程

電動機通電瞬間，轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)，所有電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，轉(zhuǎn)子線圈相當(dāng)于一個定值電阻，啟動電流比較大。然而，電動機的啟動電流和正常工作電流究竟相差多大，學(xué)生沒有感性認(rèn)識。

筆者利用DISLab技術(shù)對電動機的啟動電流進(jìn)行探究，對兩種電流的大小進(jìn)行大致判斷。筆者利用DISLab技術(shù)生成啟動電流隨時間變化而變化關(guān)系圖（如圖3）：點是電動機啟動時的最大電流，線段所在的縱坐標(biāo)值是電動機的正常工作電流;電動機的啟動過程是很快的，在這個實驗中約為0.5秒，如果電動機功率大些，啟動時間可能更久一些;啟動電流時間是正常工作電流的3～5倍。通過觀察圖像，學(xué)生比較容易理解實驗現(xiàn)象和原理。

實驗者還可以利用DISLab對電動機轉(zhuǎn)子不動時所造成的危害進(jìn)行探究。在實驗中，筆者緊緊握住電動機的轉(zhuǎn)子。此時，轉(zhuǎn)子的電流始終是正常工作電流的3～5倍（如圖4），轉(zhuǎn)子線圈處于短路狀態(tài)，電動機相當(dāng)一個純電阻，所有電能都轉(zhuǎn)化為熱能。安裝電動機時，如果發(fā)現(xiàn)通電后轉(zhuǎn)子不動，首先要切斷電源，然后分析原因。

（二）記錄物理實驗動態(tài)過程

1.記錄蹦極中彈性繩受力動態(tài)

在蹦極過程中，當(dāng)人體落到離地面一定距離時，橡皮繩會被拉開、繃緊，阻止人體繼續(xù)下落，當(dāng)?shù)竭_(dá)最低點時橡皮繩再次彈起（如圖5）。

為了更好地研究物體的受力情況，在課堂上教師常用一個砝碼和一根有彈性的繩子模擬蹦極過程。盡管教師講得很辛苦，但學(xué)生聽得似懂非懂——砝碼在下降過程中哪點的速度最大這個難點在傳統(tǒng)課堂上很難突破。

筆者在彈性繩子的一端接上拉力傳感器模擬蹦極過程，借助傳感器記錄砝碼下降、上升過程中橡皮繩的受力情況，并在電腦中形成力隨時間變化的曲線。由于選擇的橡皮繩比較細(xì)，導(dǎo)致鋼球不受橡皮繩拉力的滯空時間很短，與實際蹦極過程有一點差別。分析后，筆者在線上標(biāo)出過程中的幾個關(guān)鍵點、、、（如圖6）。

學(xué)生從圖6觀察可知：蹦極有一段無彈力階段，即從點下降到點的過程中繩子不受拉力;到的過程中，拉力逐漸變大，階段拉力始終小于重力，鉤碼處于加速階段;點到點的過程中，拉力大于重力，鉤碼處于減速階段;點為形變最大點，彈性勢能最大;從點回到點還是要經(jīng)過點，其中，階段是蹦極的第二個無彈力階段，點是蹦極的第二個低點。進(jìn)一步分析還可得出如下結(jié)論：在整個曲線中，第一次下落時經(jīng)過的點的速度最大，最后鉤碼停留在點;蹦極演示實驗中物重0.4牛，在最低點時彈力繩的拉力接近1.2牛。

2.處理重力與質(zhì)量關(guān)系數(shù)據(jù)

在探究重力與質(zhì)量關(guān)系時，課堂上教師準(zhǔn)備彈簧測力計和鉤碼讓學(xué)生進(jìn)行定量探究。每小組有4個固定質(zhì)量的鉤碼和一只彈簧測力計。實驗時，學(xué)生首先用彈簧測力計依次測出4個鉤碼受到的重力，將測量結(jié)果記錄在表1中，然后以質(zhì)量為橫坐標(biāo)，以重力為縱坐標(biāo)，建立平面直角坐標(biāo)系，分析得出物體受到的重力跟它的質(zhì)量成正比。

如果用傳統(tǒng)方法做實驗，學(xué)生得到的數(shù)據(jù)點只有4個，但這4個數(shù)據(jù)的記錄及分析卻耗費許多時間。筆者借助DIS實驗設(shè)備中的力傳感器，將非電物理量力轉(zhuǎn)化為電信號傳輸?shù)接嬎銠C，使其在探究重力與質(zhì)量關(guān)系實驗中充當(dāng)彈簧測力計的角色。

學(xué)生利用力傳感器做此實驗，不需要人工讀數(shù)，不需要人工記錄實驗數(shù)據(jù)，甚至不需要人工處理數(shù)據(jù)，只需將鉤碼掛在力傳感器的掛鉤上即可，由系統(tǒng)完成傳統(tǒng)實驗要求的所有操作。學(xué)生利用DIS做實驗，不會因為處理數(shù)據(jù)耗費大量時間，實驗中可以用更多的鉤碼得到更多的數(shù)據(jù)來分析重力與質(zhì)量的關(guān)系。系統(tǒng)自動根據(jù)12組數(shù)據(jù)進(jìn)行描點，生成物體受到的重力跟它的質(zhì)量成正比的函數(shù)曲線（如圖7）。

三、總結(jié)反思

信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合給師生帶來很多便捷。傳統(tǒng)教學(xué)中的問題有了更多更有效的解決方案。然而，數(shù)字化教學(xué)對于學(xué)生學(xué)習(xí)來說也有不足，不宜過分依賴技術(shù)。

教師用信息技術(shù)處理數(shù)據(jù)雖然足夠迅速，但這個過程存在隱蔽性，導(dǎo)致學(xué)生理解起來有難度。例如，要用信息技術(shù)模擬關(guān)蹦極過程，教師應(yīng)花一定時間作鋪墊，讓學(xué)生對蹦極有一定了解后再進(jìn)行數(shù)字化實驗效果比較好。在課堂上筆者作了三次鋪墊后才用信息技術(shù)進(jìn)行點撥。

第一次鋪墊是讓學(xué)生解一道題：

【舉例】某運動員做蹦極運動，如圖8甲所示，從高處點下落，點是彈性繩的自由落點，在點運動員所受彈力恰好等于重力，點是第一次下落到達(dá)的最低點。運動員所受彈性繩彈力的大小隨時間變化的情況如圖8乙所示（蹦極過程視為在豎直方向上的運動）。下列判斷正確的是（ ）。

A. 從點到點過程中運動員加速下落

B. 從點到點過程中運動員重力勢能增大

C. 時刻運動員動能最大

D. 運動員重力大小等于

學(xué)生通過解題，初步理解蹦極中的幾個關(guān)鍵點，為后續(xù)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

中學(xué)生玩過蹦極的很少，即便玩過也不一定能分析蹦極的過程，但如有蹦極體驗，會激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，提高課堂參與度。筆者播放蹦極視頻做第二次鋪墊。

筆者引導(dǎo)學(xué)生對幾個關(guān)鍵點進(jìn)行受力分析，這是第三次鋪墊。學(xué)生對開始形變的點、形變時合力為0的點、形變最大點這三點進(jìn)行分析，為探究蹦極時速度和能量的變化打好基礎(chǔ)。

在教育教學(xué)過程，教師要綜合考慮，科學(xué)施教。教師要用信息技術(shù)改進(jìn)實驗而不是完全取代，在教學(xué)過程中不能用信息技術(shù)排斥傳統(tǒng)實驗，而要用信息技術(shù)為傳統(tǒng)實驗賦能。對于一些物理實驗，教師要考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)特征與心智發(fā)展規(guī)律;對于一些數(shù)據(jù)，教師應(yīng)要求學(xué)生自己一個一個地獲得，自主處理數(shù)據(jù)，建立模型，理解物理本質(zhì)。

（作者系浙江省杭州市行知中學(xué)副校長，浙江省教壇新秀，杭州市學(xué)科帶頭人）