柏 會

(南京市江寧高級中學(xué)　江蘇　南京　211100)

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讓數(shù)字化探究實驗教學(xué)變得更加完美
——“氣體的等溫變化探究實驗設(shè)計”教學(xué)案例

柏 會

(南京市江寧高級中學(xué)江蘇南京211100)

重視科學(xué)探究實驗的完整性，讓數(shù)字化實驗簡約而不簡單；課堂上的有效提問，讓學(xué)生在數(shù)字化實驗過程中“動起來”．

數(shù)字化探究實驗傳統(tǒng)實驗有效提問

1　案例背景

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)和傳感技術(shù)的發(fā)展，對探究實驗室的產(chǎn)生提供了技術(shù)支撐，數(shù)字化探究實驗室應(yīng)運而生．許多經(jīng)濟比較發(fā)達的地區(qū)已給各學(xué)校配備了數(shù)字化實驗儀器，并建有一定數(shù)量的數(shù)字化實驗室．

數(shù)字化實驗較傳統(tǒng)實驗有如下優(yōu)點：測量范圍廣，彌補了傳統(tǒng)實驗的局限或空白；記憶功能能夠?qū)崟r測量所需物理量，便于分析動態(tài)實驗過程并增強對比性；測量精度高、靈敏度好，節(jié)省測量時間—改變了實驗課堂的時間分配和重心．然而任何事物都有其兩面性，數(shù)字化實驗也有一定的缺點，比如軟硬件系統(tǒng)原理的復(fù)雜性，增加學(xué)生對儀器原理的認知難度，影響學(xué)生對知識的構(gòu)建；數(shù)字化的過度智能不利于部分重要基礎(chǔ)能力的培養(yǎng)．我們教師在數(shù)字化實驗教學(xué)過程中，怎樣做才能讓學(xué)生既能保持對數(shù)字化實驗的新鮮感，感受其快捷方便，又不讓學(xué)生做數(shù)字化實驗的傀儡，有自己的思維，各種感官都動起來呢？

下面筆者以氣體的等溫變化探究實驗教學(xué)設(shè)計為例，加以說明．

2　案例展示——氣體的等溫變化實驗探究

2.1實驗?zāi)康?/p>

教師提出問題:

(1)探究氣體的等溫變化實驗，我們需要研究哪兩個量間的關(guān)系？

(2)我們的研究對象是什么？實驗過程中對它有什么要求？

學(xué)生思考，并回答以上兩個問題．教師強調(diào)，本實驗?zāi)康臑樘骄恳欢ㄙ|(zhì)量的氣體，做等溫變化時，壓強與體積的關(guān)系．對氣體的要求是質(zhì)量保持不變、溫度保持不變．

2.2實驗器材的選定

教師提出問題:

(1)大家結(jié)合自己的實際生活經(jīng)驗和實驗?zāi)康?，思考一下我們用什么來封閉一定質(zhì)量的氣體，并且又能改變其體積呢？

(2)如何測量封閉氣體的體積和壓強呢？

經(jīng)過思考并討論，學(xué)生能想到用注射器來封閉一定質(zhì)量的氣體，用氣壓計來測量封閉氣體的壓強．

教師出示傳統(tǒng)實驗裝置如圖1所示，讓學(xué)生有所了解．

圖1　測量氣體體積和壓強的傳統(tǒng)實驗裝置

2.3實驗注意事項

教師提出問題:

(1)同學(xué)們，我們?nèi)绾伪ＷC封閉氣體的質(zhì)量不變呢？

(2)實驗過程中要保持封閉氣體的溫度不變，我們可以保持封閉氣體溫度是常溫，和周圍環(huán)境的溫度相同；我們也可以保持較高溫度不變，比如說50℃或60℃．分別如何做，并且要注意哪些問題呢？

學(xué)生思考并討論，適時引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論．

(1)保證質(zhì)量不變的方法——將注射器壁涂上潤滑油，防止漏氣.

(2)保持封閉氣體溫度不變的方法.

1)保持封閉氣體與周圍環(huán)境溫度相同

緩慢推動活塞，防止封閉氣體的溫度升高(可以讓學(xué)生聯(lián)想給自行車充完氣，摸一下充氣筒，會發(fā)熱).

實驗過程中應(yīng)注意手不要接觸注射器，以免封閉氣體吸收手的熱量，而使其溫度升高．

推動活塞后，靜置一會，待氣體和周圍大氣充分進行熱交換，以保持溫度不變．

2)保持封閉氣體在一特定的較高溫度下

把整個裝置放入熱水中，用溫度計測出水溫(注意加多一點水)．

實驗過程中若發(fā)現(xiàn)溫度計示數(shù)降低，可適量加入一些熱水，使溫度計示數(shù)回復(fù)原值．

2.4預(yù)設(shè)實驗步驟

教師提出問題:你認為本探究實驗的大致步驟是怎樣的？

學(xué)生回答：

(1)用注射器封閉一定質(zhì)量的氣體，記下氣體初始狀態(tài)的體積和壓強V1，p1.

(2)推動活塞，改變封閉氣體的體積，記下此時氣體的體積和壓強V2，p2.

(3)重復(fù)以上實驗步驟，記下多組體積和壓強.

教師追問:得到的數(shù)據(jù)如何處理呢？

學(xué)生回答：利用作圖法，畫出p-V圖像.

2.5利用先進的DIS數(shù)字實驗設(shè)備進行此實驗

(1)教師說明

利用DIS數(shù)字實驗系統(tǒng)，來做此實驗，測量氣體壓強時我們用壓強傳感器代替壓強計，利用數(shù)據(jù)采集器，直接將壓強傳感器輸入的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，并將數(shù)字信號輸入計算機，計算機記錄數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)．利用如圖2所示的裝置．

圖2　利用數(shù)字實驗設(shè)備測量氣體體積和壓強

提醒學(xué)生打開DIS實驗系統(tǒng)，在表格中設(shè)定壓強、體積兩個量，體積可以從注射器壁上的刻度直接讀出，測得的壓強值在計算機屏幕上實時顯示，用鼠標單擊后由計算機自動記錄．這樣可以獲得不同體積時氣體壓強的數(shù)值．

(2) 學(xué)生進行實驗

實驗過程，教師巡視，做適時指導(dǎo)．

(3) 數(shù)據(jù)的處理

學(xué)生得到數(shù)據(jù)，教學(xué)生利用Excel處理數(shù)據(jù)，畫出p-V圖像．把不同組的圖像拍出來，通過PPT展示給大家，進行比較，大部分學(xué)生得出的p-V圖像，好像是雙曲線．

教師提問：

1)同學(xué)們，你們能得出什么結(jié)論呢？

2)能不能說明一定質(zhì)量的等溫變化的氣體，壓強與體積成反比呢？我們再怎么樣去研究兩者的關(guān)系呢？(大家可以類比一下探究加速度與質(zhì)量關(guān)系的實驗中，我們研究力一定時，加速度a與質(zhì)量m的關(guān)系時，如何處理的？)

(4)歸納總結(jié)，得出結(jié)論.

2.6本節(jié)課結(jié)束后家庭作業(yè)

傳統(tǒng)實驗和數(shù)字化實驗，你喜歡哪種，為什么？

3　案例分析

3.1重視科學(xué)探究實驗的完整性

重視科學(xué)探究實驗的完整性，讓數(shù)字化實驗簡約而不簡單.

科學(xué)探究是一個過程，它主要包括:提出問題、猜想與假設(shè)、制定計劃與設(shè)計實驗、進行實驗與收集證據(jù)、分析與論證、評估、交流與合作等要素．無論是傳統(tǒng)物理實驗還是數(shù)字化實驗，都不應(yīng)脫離科學(xué)探究的一般過程．

在這一過程中不僅要關(guān)注學(xué)生科學(xué)探究的結(jié)果，更要強調(diào)學(xué)生在科學(xué)探究過程中的經(jīng)歷和體驗．不僅要關(guān)注學(xué)生實際的實驗操作，更要強調(diào)實驗操作之前做的一系列的工作，比如實驗?zāi)康牡拇_定，實驗儀器的選定，實驗步驟的預(yù)設(shè)，甚至對實驗過程中可能出現(xiàn)的問題進行預(yù)估，并能根據(jù)實驗過程中可能出現(xiàn)的問題，討論出相應(yīng)的對策．因此，實驗前做的這一系列的準備過程其實就是學(xué)生解決問題的過程，一個個問題得到解決，一個個困難得到攻克，學(xué)生自然能從中體會到探究的樂趣．

也許有些學(xué)生，甚至有些教師認為，實驗?zāi)康牡拇_定，實驗儀器的選定，實驗步驟的預(yù)設(shè)，只要學(xué)生看到了儀器不就一目了然了嗎？殊不知，儀器擺在那里，只是以個體出現(xiàn)，只是一幅靜態(tài)的沒有生命的圖畫而已．只有通過學(xué)生的大腦加工出來的東西，才能具有生命力，才能保存長久．?dāng)?shù)字化實驗操作過程非常簡單，不用自己讀數(shù)，不用自己處理數(shù)據(jù)，實驗過程就是簡單的機械運動．如何增加數(shù)字化實驗過程的思維含量呢？“重視科學(xué)探究實驗的完整性”，會讓數(shù)字化實驗簡約而不簡單．

3.2注意課堂提問的有效性

課堂上的有效提問，讓學(xué)生在數(shù)字化實驗過程中“動起來”.

軟硬件系統(tǒng)原理的復(fù)雜性，增加學(xué)生對儀器原理的認知難度，影響學(xué)生對知識的構(gòu)建；數(shù)字化的過度智能不利于部分重要基礎(chǔ)能力的培養(yǎng)．如果不注意將難點分解，將部分知識讓學(xué)生提前有一定的認知，本節(jié)課的實驗可能看起來風(fēng)生水起、一片歡騰，實則是一潭死水．學(xué)生思維沒有被激發(fā)，只是在做簡單的機械運動，對所做內(nèi)容可能也是似是而非，整節(jié)課是極其失敗的．

學(xué)起于思，思源于疑．問題是思維的起點，也是思維的動力．作為教師，只有通過挖掘教材，以問題為契機， 才能把學(xué)生的思考引向深入．知識發(fā)展本身有漸進性，因此教師在課堂提問的設(shè)計上應(yīng)由易到難，由淺入深，層層遞進，不斷引導(dǎo)學(xué)生的思維向縱深發(fā)展．有效的課堂提問，能夠培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，幫助學(xué)生養(yǎng)成科學(xué)思考問題的方法．所以筆者在本節(jié)實驗教學(xué)過程中，設(shè)置了一系列的問題，引發(fā)學(xué)生思考，讓學(xué)生思維“動起來”，真正做到課堂效率最大化．

數(shù)字化實驗系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)都比較快，好像一切都是預(yù)設(shè)好的，給人以難以置信的感覺．筆者在此環(huán)節(jié)設(shè)置了幾個問題，將節(jié)奏拉慢，引發(fā)學(xué)生用類比法思考處理數(shù)據(jù)的方法，起到了緩沖的作用．只有手腦并用，充分調(diào)動學(xué)生的各種感官，將電腦軟件的思維再現(xiàn)，讓學(xué)生經(jīng)過自己的思考，解決遇到的問題，才不至于整節(jié)課都飄飄然，才能足夠地接地氣．讓課堂上適時的有效提問，帶學(xué)生在數(shù)字化探究實驗過程中真正“動起來”.

3.3實現(xiàn)傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗的無縫對接

傳統(tǒng)實驗和數(shù)字化實驗無縫對接，做到魚和熊掌兼得.

本案例中，筆者在數(shù)字化實驗前涉及了傳統(tǒng)的探究氣體等溫變化的實驗裝置，這是不是畫蛇添足呢？不同的教師可能有不同的看法．筆者認為在時間允許的情況下，將傳統(tǒng)實驗和數(shù)字化實驗結(jié)合，是一種很好的方法，這有點魚和熊掌兼得的意思吧！

4　案例反思

21世紀是以知識創(chuàng)新和科技應(yīng)用為重點的知識經(jīng)濟時代，國力的強弱越來越取決于勞動者素質(zhì)的優(yōu)劣．學(xué)生未來的工作環(huán)境必然離不開以計算機為核心的信息化環(huán)境．?dāng)?shù)字化實驗具有實驗過程“可視化”、實驗設(shè)計“重點化”、數(shù)據(jù)“智能化”、數(shù)據(jù)處理“智能化”、教學(xué)過程“現(xiàn)代化”的特點，能與未來科學(xué)實驗和研究有個很好的銜接．所以適當(dāng)進行數(shù)字化實驗教學(xué)也勢必行．怎樣將數(shù)字化實驗的效能發(fā)揮到極致呢？

筆者認為這需要長時間的進行嘗試和摸索．但無論是什么形式的教學(xué)，都不是孤立存在的．我們能做的就是要整合各種資源，利用各種方法，本著培養(yǎng)學(xué)生各種能力的原則，盡可能地讓數(shù)字化實驗教學(xué)變得更加完美，讓學(xué)生感受到數(shù)字化實驗的魅力，享受科技進步的成果！

1董光順．從新角度談數(shù)字化物理實驗的特點．實驗教學(xué)與儀器 ，2013(7/8)：57

2016-02-29)