论文部分内容阅读
摘 要：物理实验教学能形象具体地再现物理概念、规律的形成和发展过程，为学生提供感性材料，强化学生的感知，使学生更清晰知识的来源、易于理解和应用，从而达到发展智力、培养能力的目的.但是，在教学中我们常常遇到很多物理实验的“可视化”还不够，严重影响了实验教学的功效，解决这一现象的方法有很多.本文就此谈谈笔者在日常物理实验教学实践中，基于信息技术手段的一些解决办法.
关键词：可视化;物理实验;信息技术
中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）12-0055-03
物理实验是指在人为控制条件下利用科学仪器、设备，使物理现象反复再现，从而有目的地进行观测研究的一种方法.它的最直接作用是为学生提供丰富的感性材料，而有些物理实验现象的视觉效果并不理想，学生很难从中获得直观的感受，借助多媒体信息技术手段，可以帮助我们有效地解决教学中遇到的这一困难.
1 绘声绘影，创设物理实验情境的可视化
“兴趣是最好的老师”，信息技术多媒体具有声、图、像、文并茂的特点，有利于在物理实验教学中创设一种学生喜闻乐见的情境，激发学生强烈的操作兴趣和求知欲，使学生在一种积极主动的心理状态下进入物理实验学习.
例如，在“测量速度”实验教学时，先播放与实验相关的视频“缓慢爬行的蜗牛”“猎豹追捕鹿”，与学生的生活建立共同经验体验，帮助学生形成并明确研究问题，将学生的注意力集中到研究的情景上来，激发学生进行实验的需要和欲望，为实验教学做好铺垫.又如，在研究“机械能的相互转化”实验中，利用多媒体让学生听到水流声，感受到气势磅礴的长江、黄河所产生的巨大能量带动水轮机转动而发电的情景，将大型水电站的运转过程形象生动地呈现在学生面前，通过这样的情境创设来激发学生实验的兴趣.
2 动静结合，实现物理实验过程的可视化
2.1 动画模拟，实现可视化
对于在课堂上无法完成的实验，如：宏观实验、微观实验、理想实验、物理过程复杂的实验、存在很大安全隐患的实验等，我们可以通过动画模拟突破时间与空间的束缚，进行逼真的演示，通过操作灵活缩小或放大物理场景，将物理过程生动展现于学生眼前，加强学生印象、易于理解.
2.1.1 变抽象为形象，理解实验
对于一些比较抽象的宏观、微观或理想实验，可以利用动画模拟实现物理实验过程的可视化.如，动画模拟周游世界的小水滴、人造地球卫星的匀速圆周运动、地球同步通讯卫星等宏观现象实验;模拟电流的形成、硫酸铜溶液的扩散、固体的扩散、分子的无规则运动、裂变、聚变等微观现象实验;模拟牛顿第一定律、伽利略斜面实验等理想实验.
在有些物理实验中，物理的本质学生是无法观测到的，用信息技术动画模拟可以解决这一问题.例如，光纤教学，教师在课堂演示时，学生只能看到光从一端进去，从另一端出来的表面现象.而利用动画模拟直观展示光在光纤中不断反射前进，让学生形成鲜明的表象，学生理解也就更容易、更深刻了.相同的实验还有“电磁波传播信息”等.
2.1.2 变动为静，定格实验过程
有些物理实验在课堂上是不可能完成的，例如，内燃机的工作过程实验教学，教师不可能把内燃机搬到教室中来，即便是可以，学生也无法观测其内部工作过程.这时利用信息技术实现动画模拟，逐一、有序地展示其四个冲程的工作过程，每个冲程的机器结构特点，特别是通过图像的色彩变化、范围变化，学生更容易理解其各个过程的工作原理.相同的实验还有电动机、发电机的工作过程等.
2.1.3 变真为假，优化实验探索过程
利用计算机的虚拟技术，构建仿真物理实验室，创设出一个探索物理现象和规律的虚拟环境.学生在轻松的学习氛围中操作模拟仿真的实验，学习实验方法、实验技能，为动手实验做好准备.学生在这个虚拟环境中，可以按照自己的想法去探索研究，学生通过自主探究达到发现和总结规律的目的.
例如，在学习电学时，学生可以利用仿真实验室，按照自己设计的电路连接进行实验，如果操作不规范，还会显示灯炮烧坏、电表超量程、保险丝烧断等现象.
2.2 实景重现，实现可视化
很多传统的物理实验中，由于实验器材或实验现象本身（如发生时间快、范围小等等）限制，常常使得实验效果的可视化受到影响.信息技术能为这些物理实验的“可视化”提供物质平台和技术保障.即只要将适当的传感器通过接口技术与电脑连接起来，电脑就可以把正在发生的物理现象，特别是正在进行的物理实验的真实情景，以连续动画的方式记录下来，所记录的真实情景可以随时在电脑的屏幕上显示出来，从而实现实景重现.
2.2.1 变小为大，放大演示实验
可以将局部区域放大，观察分析局部微观现象.例如，在“能量转化的基本规律”一课中，在给学生演示水滴实验的时候，由于水滴本身就比较小，无法照顾到各个位置的学生，这种情况就利用信息技术将实验的过程呈现到大屏幕上，可以将实验现象清晰地展现给每一个学生.在演示“磁体”周围磁场及磁感线分布时也采用了实景重现、变小为大，放大演示实验的方法.又如，电流表、电压表、电能表、温度计等测量工具的使用及读数也可利用这一技术进行放大，不但有利于学生观察、掌握它们的正确使用方法，还可以让全体学生能够进行准确读数练习.
另外，掌握一些测量仪器的使用方法时，必须先了解其内部构造，可利用这一技术呈现并放大拆卸的过程.如了解测电笔的内部结构，了解电流表、电压表的内部结构等等.
2.2.2 变快为慢，看清演示实验
有些物理实验现象，发生的时间较短，过程进行得很快，学生用肉眼无法观测，我们可以利用实景重现进行慢镜头播放（当然，也可以快速播放，观察物理过程的连续性），甚至定格，以便学生仔细地观察和分析.例如，在研究“机械能相互转化”的实验中，利用这一技术使网球撞在球拍上时被压扁后又恢复的过程及球拍运动过程与发生形变的过程，这种发生时间短、变化快速的过程均变为可视，且在碰撞过程中发生的微小變形也可以进行放大，便于学生仔细观察和分析.其最大的优点是可以放大物理现象，放慢演示速度，在缓慢的演示过程中，让学生清楚全面地把握物理的真实过程.又如，在演示“绳波实验”时，利用传感器和接口技术，电脑当堂记录绳波演示实验的真实情景，实验完成后，把实验过程在电脑屏幕上缓慢地显示出来，师生一起进行仔细的观察研究和分析，从而提高了研究的可信度. 2.2.3 变瞬间为长久，定格演示实验
实验过程中，有些实验的瞬间很有研究价值，此时，我们可以利用技术将瞬间定格，从而实现细节分析.在“长度的测量”实验中笔者定格了学生操作过程中的错误，并让学生纠正自己和同伴间的错误.由于定格的是学生自己的操作情景，比书本上的图片更有真实感.纠错的过程也就是认知碰撞的过程，让学生印象深刻.
有些时候，我们还会遇到一些课堂上操作起来很麻烦、耗时比较长，或者很难达到既定效果的实验，如，在探究“杠杆平衡条件”的实验中，对于改变拉力方向，再测量对应力臂这一环节，由于力臂不再落在杠杆上，学生分组实验时很难测量，现场演示可视性又比较差，也很难准确测量，所以笔者就采用了这一实景重现技术并作聚焦定格处理，让学生清晰准确地看到弹簧测力计示数的变化，实现实验过程的可视化，这样既可以更有效地解决课堂不方便解决的问题，还可以节省课堂时间，达到高效学习的目的.
3 图文并茂，达到物理实验结果的可视化
在初中物理实验教学中，学生不管用表格法还是图像法来处理实验数据都会花费很多时间，一个课时是无法完成的.教师可采用信息技术，利用实时监控、实时测量、数据处理、图像处理等手段对实验数据进行快速处理，并对实验结果进行分析，最终总结出物理量所遵循的规律.
例如，在“欧姆定律”的实验教学中，先让学生用常规仪器按照传统方式分组实验，在学生完成实验操作并记录实验数据后，我们一起快速用多媒体进行数据处理，并自动生成了I-U和I-R图像，总结出了正比、反比的关系，这种一气呵成的方法，形象直观且具有准确性，使学生对实验有了清晰又完整的认识，从而提高了课堂教学的效率.
对于实验的结果，我们还有很多方法使其可视化.如，在“直线运动”这一节课中，我们借助了Excel软件，来帮助学生快速地将多组学生的实验数据汇总到一张坐标图中.可以更直观地引导学生总结出匀速运动过程中，路程与时间的正比关系，最重要的是能快速整合多组数据，可以方便学生对比学习，而且这样做不仅节省了手绘图的时间，也实现了小组同学实验结果共享的问题，使实验结果更具有可信度.又如，在探究相互作用力的实验时，为了让学生认识到一对相互作用力的关系，我们借助力学传感器来完成实验，将这个力学信号，转换成电信号，传输到电脑中去，学生通过屏幕上展现出来的两个完全对称的折线图，可以更准确地认识相互作用力的关系.
当然，在实验教学中提高实验“可视化”的方法很多，并且随着时代的发展将日新月异.例如，利用信息技术强大的交互性构建起来的网络交互实验室，必然成为教育发展的光辉前景.这就要求我们在教学实践中，要始终树立以生为本、与时俱进的理念，不断学习、交流、探索，且行且学，我们一直在前行.
另外，我们必须始终明确，信息技术辅助物理实验教学仅仅是对传统实验教学的一种补充和发展，学生动手实验，亲自经历、体验实验的过程是任何技术手段都无法替代的，找准多媒体辅助教学手段与传统实验教学手段的最佳结合点，使之更好地辅助物理实验教学，是物理教师研究的永恒课题.
参考文献：
[1]任巧英.物理实验操作能力的多元化评价[J].物理通报，2013（10）：82-83.
[2]武高鹏.高中物理教学中的概念图应用分析[J].高中数理化，2019（06）：55.
[3]任巧英.转换法——初中物理中一种重要的研究方法[J].中学物理，2013，31（04）：32-33.
[4]陈丽.高中物理教学中信息技术的有效应用[J].中小学电教（教学），2020（12）：19-20.
[5]張娣.信息技术在初中物理教学中的应用方法探究[J].考试周刊，2020（95）：137-138.
（收稿日期：2020-12-29）
关键词：可视化;物理实验;信息技术
中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）12-0055-03
物理实验是指在人为控制条件下利用科学仪器、设备，使物理现象反复再现，从而有目的地进行观测研究的一种方法.它的最直接作用是为学生提供丰富的感性材料，而有些物理实验现象的视觉效果并不理想，学生很难从中获得直观的感受，借助多媒体信息技术手段，可以帮助我们有效地解决教学中遇到的这一困难.
1 绘声绘影，创设物理实验情境的可视化
“兴趣是最好的老师”，信息技术多媒体具有声、图、像、文并茂的特点，有利于在物理实验教学中创设一种学生喜闻乐见的情境，激发学生强烈的操作兴趣和求知欲，使学生在一种积极主动的心理状态下进入物理实验学习.
例如，在“测量速度”实验教学时，先播放与实验相关的视频“缓慢爬行的蜗牛”“猎豹追捕鹿”，与学生的生活建立共同经验体验，帮助学生形成并明确研究问题，将学生的注意力集中到研究的情景上来，激发学生进行实验的需要和欲望，为实验教学做好铺垫.又如，在研究“机械能的相互转化”实验中，利用多媒体让学生听到水流声，感受到气势磅礴的长江、黄河所产生的巨大能量带动水轮机转动而发电的情景，将大型水电站的运转过程形象生动地呈现在学生面前，通过这样的情境创设来激发学生实验的兴趣.
2 动静结合，实现物理实验过程的可视化
2.1 动画模拟，实现可视化
对于在课堂上无法完成的实验，如：宏观实验、微观实验、理想实验、物理过程复杂的实验、存在很大安全隐患的实验等，我们可以通过动画模拟突破时间与空间的束缚，进行逼真的演示，通过操作灵活缩小或放大物理场景，将物理过程生动展现于学生眼前，加强学生印象、易于理解.
2.1.1 变抽象为形象，理解实验
对于一些比较抽象的宏观、微观或理想实验，可以利用动画模拟实现物理实验过程的可视化.如，动画模拟周游世界的小水滴、人造地球卫星的匀速圆周运动、地球同步通讯卫星等宏观现象实验;模拟电流的形成、硫酸铜溶液的扩散、固体的扩散、分子的无规则运动、裂变、聚变等微观现象实验;模拟牛顿第一定律、伽利略斜面实验等理想实验.
在有些物理实验中，物理的本质学生是无法观测到的，用信息技术动画模拟可以解决这一问题.例如，光纤教学，教师在课堂演示时，学生只能看到光从一端进去，从另一端出来的表面现象.而利用动画模拟直观展示光在光纤中不断反射前进，让学生形成鲜明的表象，学生理解也就更容易、更深刻了.相同的实验还有“电磁波传播信息”等.
2.1.2 变动为静，定格实验过程
有些物理实验在课堂上是不可能完成的，例如，内燃机的工作过程实验教学，教师不可能把内燃机搬到教室中来，即便是可以，学生也无法观测其内部工作过程.这时利用信息技术实现动画模拟，逐一、有序地展示其四个冲程的工作过程，每个冲程的机器结构特点，特别是通过图像的色彩变化、范围变化，学生更容易理解其各个过程的工作原理.相同的实验还有电动机、发电机的工作过程等.
2.1.3 变真为假，优化实验探索过程
利用计算机的虚拟技术，构建仿真物理实验室，创设出一个探索物理现象和规律的虚拟环境.学生在轻松的学习氛围中操作模拟仿真的实验，学习实验方法、实验技能，为动手实验做好准备.学生在这个虚拟环境中，可以按照自己的想法去探索研究，学生通过自主探究达到发现和总结规律的目的.
例如，在学习电学时，学生可以利用仿真实验室，按照自己设计的电路连接进行实验，如果操作不规范，还会显示灯炮烧坏、电表超量程、保险丝烧断等现象.
2.2 实景重现，实现可视化
很多传统的物理实验中，由于实验器材或实验现象本身（如发生时间快、范围小等等）限制，常常使得实验效果的可视化受到影响.信息技术能为这些物理实验的“可视化”提供物质平台和技术保障.即只要将适当的传感器通过接口技术与电脑连接起来，电脑就可以把正在发生的物理现象，特别是正在进行的物理实验的真实情景，以连续动画的方式记录下来，所记录的真实情景可以随时在电脑的屏幕上显示出来，从而实现实景重现.
2.2.1 变小为大，放大演示实验
可以将局部区域放大，观察分析局部微观现象.例如，在“能量转化的基本规律”一课中，在给学生演示水滴实验的时候，由于水滴本身就比较小，无法照顾到各个位置的学生，这种情况就利用信息技术将实验的过程呈现到大屏幕上，可以将实验现象清晰地展现给每一个学生.在演示“磁体”周围磁场及磁感线分布时也采用了实景重现、变小为大，放大演示实验的方法.又如，电流表、电压表、电能表、温度计等测量工具的使用及读数也可利用这一技术进行放大，不但有利于学生观察、掌握它们的正确使用方法，还可以让全体学生能够进行准确读数练习.
另外，掌握一些测量仪器的使用方法时，必须先了解其内部构造，可利用这一技术呈现并放大拆卸的过程.如了解测电笔的内部结构，了解电流表、电压表的内部结构等等.
2.2.2 变快为慢，看清演示实验
有些物理实验现象，发生的时间较短，过程进行得很快，学生用肉眼无法观测，我们可以利用实景重现进行慢镜头播放（当然，也可以快速播放，观察物理过程的连续性），甚至定格，以便学生仔细地观察和分析.例如，在研究“机械能相互转化”的实验中，利用这一技术使网球撞在球拍上时被压扁后又恢复的过程及球拍运动过程与发生形变的过程，这种发生时间短、变化快速的过程均变为可视，且在碰撞过程中发生的微小變形也可以进行放大，便于学生仔细观察和分析.其最大的优点是可以放大物理现象，放慢演示速度，在缓慢的演示过程中，让学生清楚全面地把握物理的真实过程.又如，在演示“绳波实验”时，利用传感器和接口技术，电脑当堂记录绳波演示实验的真实情景，实验完成后，把实验过程在电脑屏幕上缓慢地显示出来，师生一起进行仔细的观察研究和分析，从而提高了研究的可信度. 2.2.3 变瞬间为长久，定格演示实验
实验过程中，有些实验的瞬间很有研究价值，此时，我们可以利用技术将瞬间定格，从而实现细节分析.在“长度的测量”实验中笔者定格了学生操作过程中的错误，并让学生纠正自己和同伴间的错误.由于定格的是学生自己的操作情景，比书本上的图片更有真实感.纠错的过程也就是认知碰撞的过程，让学生印象深刻.
有些时候，我们还会遇到一些课堂上操作起来很麻烦、耗时比较长，或者很难达到既定效果的实验，如，在探究“杠杆平衡条件”的实验中，对于改变拉力方向，再测量对应力臂这一环节，由于力臂不再落在杠杆上，学生分组实验时很难测量，现场演示可视性又比较差，也很难准确测量，所以笔者就采用了这一实景重现技术并作聚焦定格处理，让学生清晰准确地看到弹簧测力计示数的变化，实现实验过程的可视化，这样既可以更有效地解决课堂不方便解决的问题，还可以节省课堂时间，达到高效学习的目的.
3 图文并茂，达到物理实验结果的可视化
在初中物理实验教学中，学生不管用表格法还是图像法来处理实验数据都会花费很多时间，一个课时是无法完成的.教师可采用信息技术，利用实时监控、实时测量、数据处理、图像处理等手段对实验数据进行快速处理，并对实验结果进行分析，最终总结出物理量所遵循的规律.
例如，在“欧姆定律”的实验教学中，先让学生用常规仪器按照传统方式分组实验，在学生完成实验操作并记录实验数据后，我们一起快速用多媒体进行数据处理，并自动生成了I-U和I-R图像，总结出了正比、反比的关系，这种一气呵成的方法，形象直观且具有准确性，使学生对实验有了清晰又完整的认识，从而提高了课堂教学的效率.
对于实验的结果，我们还有很多方法使其可视化.如，在“直线运动”这一节课中，我们借助了Excel软件，来帮助学生快速地将多组学生的实验数据汇总到一张坐标图中.可以更直观地引导学生总结出匀速运动过程中，路程与时间的正比关系，最重要的是能快速整合多组数据，可以方便学生对比学习，而且这样做不仅节省了手绘图的时间，也实现了小组同学实验结果共享的问题，使实验结果更具有可信度.又如，在探究相互作用力的实验时，为了让学生认识到一对相互作用力的关系，我们借助力学传感器来完成实验，将这个力学信号，转换成电信号，传输到电脑中去，学生通过屏幕上展现出来的两个完全对称的折线图，可以更准确地认识相互作用力的关系.
当然，在实验教学中提高实验“可视化”的方法很多，并且随着时代的发展将日新月异.例如，利用信息技术强大的交互性构建起来的网络交互实验室，必然成为教育发展的光辉前景.这就要求我们在教学实践中，要始终树立以生为本、与时俱进的理念，不断学习、交流、探索，且行且学，我们一直在前行.
另外，我们必须始终明确，信息技术辅助物理实验教学仅仅是对传统实验教学的一种补充和发展，学生动手实验，亲自经历、体验实验的过程是任何技术手段都无法替代的，找准多媒体辅助教学手段与传统实验教学手段的最佳结合点，使之更好地辅助物理实验教学，是物理教师研究的永恒课题.
参考文献：
[1]任巧英.物理实验操作能力的多元化评价[J].物理通报，2013（10）：82-83.
[2]武高鹏.高中物理教学中的概念图应用分析[J].高中数理化，2019（06）：55.
[3]任巧英.转换法——初中物理中一种重要的研究方法[J].中学物理，2013，31（04）：32-33.
[4]陈丽.高中物理教学中信息技术的有效应用[J].中小学电教（教学），2020（12）：19-20.
[5]張娣.信息技术在初中物理教学中的应用方法探究[J].考试周刊，2020（95）：137-138.
（收稿日期：2020-12-29）