初中物理实验教学可视化的实践探索

摘要 物理学是一门以实验为基础的科学，实验教学在初中物理教学中具有重要的地位与作用，但不少实验教学效果并不理想。将计算机科学中的“可视化”引入物理实验教学，通过实验器材的改进与优化，对初中物理力学、热学和电学实验进行教学实践，从而提升实验现象可视化效果，调动学生物理学习兴趣，提高课堂教学质量。

关键词 初中物理 实验教学 可视化

《义务教育物理课程标准（2022年版）》提出：义务教育物理课程是一门以实验为基础的自然科学课程，要求教师灵活运用多种教学方式，倡导情境化教学，突出问题教学，注重“做中学”“用中学”，合理运用信息技术[1]，而信息技术的运用是把实验现象可视化的有效途径。教学实践探索中，笔者发现初中物理教材有一些实验存在观察面小、现象不明显、成功率低等不利于学生观察和实验的情况，针对教材中几个效果不太理想的力学、热学和电学实验，通过实验器材的改进与优化，提高物理实验教学的可视化效果。

一、可视化概念释义

可视化是计算机图形学概念，就是把一些数据转变成图形，让原本抽象的知识形象地展示出来，是一种使复杂信息能够容易和快速被人理解的手段。[2]可视化结果便于人们记忆和理解，这是被脑科学研究所证实的。随着科学技术的发展和进步，在物理实验教学中越来越多地使用了“可视化”的方式去开展教学。可视化教学使一些抽象的物理概念和物理现象更加直观形象，降低学生认知负荷，促使学生更容易理解。为此我们就实验教学可视化进行深入的教学实践探索，通过在物理实验教学中运用可视化方式，提升物理课堂教学质量，促进学生物理核心素养的提高。

二、初中物理教学中实验现象可视化的实践

（一）改进实验器材，使实验现象放大，便于学生观察思考

摩擦生电实验往往受天气等因素影响，容易实验失败。因此，教师做这类实验时，可以使用干燥细长的彩色皱纹纸条代替碎纸屑，用餐巾纸摩擦过的吸管、PVC管或丝绸摩擦过的有机玻璃板靠近皱纹纸条，成功率高，实验现象更加直观明显，增强了可视化效果。学生通过实验很容易观察到带电体可以吸引轻小的皱纹纸条，从而认识到“带电体可以吸引轻小物体”。但如果仅仅到此为止的话，学生容易产生“带电体只能吸引轻小物体”的思维定式，不利于学生创新思维的发展。

怎么打破这个思维定式呢？既然带电体可以吸引轻小物体，那么带电的轻小物体能否吸引相对大而重的物体呢？采用放大法呈现以下两个震撼学生的实验：用餐巾纸摩擦过的吸管吸引放在水平桌面上的易拉罐实验和用餐巾纸摩擦过的吸管吸引支架上的扫把实验，打破了学生的思维定式，使学生深刻理解力的作用的相互性，学生充分体验到学习的乐趣，更能感受到物理的魅力，从而达到培养学生科学精神和科学方法的效果。

（二）优化实验装置，使动态现象变慢，提升学生观察效果

沪科粤教版教材“探究分子间的相互作用力”有一个“会收缩的液膜”实验，操作发现一个问题：在戳破液膜的瞬间，棉线被迅速拉向另一侧，棉线的运动速度太快，不利于学生观察。笔者对实验装置进行了优化，用铜丝做的长方形框代替铁圈，滑杆代替棉线，其优点是不易生锈，可反复使用；且实验时滑杆的运动较慢，易于观察，可视化效果好。为增加实验的趣味性，可做成双滑杆型，具体实验装置如图1所示。

首先，往塑料盘中倒入适量配制好的洗洁精水溶液。把单滑杆实验器材中的滑杆拨到中间位置，平放入盘内的溶液中；提起时，使滑杆的左右两侧均有一层液膜。然后，用手指戳破右侧的液膜，左侧的液膜收缩，滑杆被拉动向左移动，这时若用手指轻轻按着滑杆的两端向右慢慢拉一段距离（注意液膜不能破）后放开，滑杆又向左移动；反之，若戳破左侧的液膜，右侧的液膜收缩，滑杆被拉动向右移动。还可以把装置中的滑杆拨到左边位置，让左端浸入盘内的溶液中，取出后竖握，用手指轻轻按着滑杆的两端向下慢慢拉一段距离（注意保持液膜不破），再放手，液膜收缩，同时滑杆被拉动缓慢地向上移动。

用双滑杆型器材操作时，当戳破两滑杆中间的液膜后，两侧的液膜收缩，两根滑杆会被分别拉向左右两边；当戳破左滑杆左侧的液膜时，右侧的液膜收缩，两根滑杆都会被拉向右侧；当戳破右滑杆右侧的液膜时，左侧的液膜收缩，两根滑杆都会被拉向左侧。

（三）选用数字化器材，使实验数据实时呈现，助力学生思维理解

1.数字温度计同步显示实验过程中温度的变化

做功改变物体的内能实验时，空气压缩引火仪存在以下缺陷：虽然能压出火花，但火花只是一闪而过，显示时间非常短暂，且不能显示实验过程中的温度变化，不能连续使用，长时间使用后，密封圈密封效果差，导致仪器失效。笔者用AB胶将硬塑料管固定在瓶底的孔上，并密封好，将电子温度计的感温探头穿过玻璃瓶侧壁的小孔，然后将小孔密封好，电子温度计的显示屏固定在瓶壁上，用黑色塑料板做成支架和背景，用小螺丝把细线固定在瓶塞上，细线的另一端系在瓶底的硬塑料管上，具体实验装置如图2所示。

实验时，将本教具放置在水平桌面上，瓶底的塑料管套上橡皮管，橡皮管的另一端接上打气筒，可往瓶内喷少许水或酒精，塞紧瓶塞，紧贴瓶底的塑料管处固定一激光笔，使光束从瓶底射向瓶塞，慢慢向瓶内打气，温度计示数变大，说明瓶内气体温度上升，当瓶内气体压强增大到一定程度时，瓶塞被冲出，同时瓶内出现白雾，瓶中出现一条明显的红色光束，温度计示数下降。改进后的实验装置确保了物理演示实验成功率，利用电子温度计，可以实时同步显示实验过程中瓶内的温度，而激光照射提高了实验现象的直观性，可视化程度高，这些视觉素材的刺激，很好地调动学生直觉思维，生成新知识，助力科学思维能力培养。

2.电流电压电功率组合数字电表同步显示白炽灯电流、电压和电功率的大小变化

教师用亮度调节开关和电流电压电功率组合数字电表组装成电功率探究示教板，可进行电功率与电流、电压具体关系的定量探究，也可以探究灯泡实际亮度与实际电功率的定性关系。由于电流电压电功率组合数字电表可实时显示灯泡亮度、电流、电压和电功率，实现了数据的可视化。该实验操作简单，灯泡亮暗现象明显。由于实验的连续性，能够实时、直观、全面地显示电功率大小、电流大小、电压大小，降低了学生思维难度，学生很容易得出灯泡的实际亮度与实际电功率关系，进而归纳得出灯泡的电功率大小等于灯泡两端电压与通过灯泡电流乘积的结论。

综上所述，在初中物理实验教学中，通过实验器材的改进与优化，使得实验教学可视化，为学生提供一个直观、生动，甚至惊奇的物理情境，能极大地激发学生学习物理的兴趣，调动其学习积极性、主动性和创造性，有效提升其思维能力和创新能力，形成物理观念，进而实现学生核心素养的全面发展。

[参考文献]

[1]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2022：42-43.

[2]黄连凤，施生晶.提高实验可视化突破教学难点——以“波的干涉”实验设计为例[J].湖南中学物理，2024（1）：61-64.

（责任编辑：刘艳超）