中学物理实验器材(数字化)可视化改进的探索

一、初中物理实验器材数字化改造的研究背景

1.时代背景。当前社会已进入信息化的高速发展期，根据摩尔定律，信息技术的迭代在每两年将提升一倍的性能，全息投影、3D打印、虚拟场景、人工智能已经逐渐开始应用到各个领域，信息化终将向智能化发展。物理是一门以实验为基础的学科，也是信息化、智能化发展的基础学科，相关实验、教学的技术应该紧跟时代的步伐，让传统的实验在不失基本原理的基础上加持信息化技术，未能若能与全息投影、3D打印、虚拟场景、人工智能等技术相结合，将更有利于学生对物理实验的实际体验，实验效果和数据也更直观、更准确，有利于学生对前沿技术的认知，与当前的实际发展接轨。

2.物理实验课程教学现状。现行初中物理教材中和课程标准中所给出的初中物理实验方案是基于十年前甚至更久远年代的技术背景所设计的，加之实验仪器生产单位基于成本的考虑，普遍存在制造精度不高、质量不好、技术陈旧等问题，这直接导致初中物理一线教师在进行演示实验和分组实验的过程中，部分实验现象不明显、不直观、数据不准确的现象，常常需要通过对实验条件、操作方式、实验环境等各方面的补充解释作为对实验结果的纠正，较为“勉强”的得出物理实验结论，这显然与物理科学和严谨的学科精神是相违背的，不利于对学生科学探究精神的培养。

二、初中物理实验器材数字化改造解决的核心问题

1.数字化技术。利用现有的电子技术，将一些难以观测的物理量通过传感器、芯片的处理，最后通过液晶屏、数码管显示出来，相较传统的机械式仪表，具有更精确和更直观的特点。

2.可视化技术。利用液晶屏、数码管高亮度的显示特性，将演示实验中难以直观观测的物理量展示出来，提高演示实验的直观性，提升演示实验的效果。

3.相关显示技术。随着工业2.0的推进，目前我们已成为半导体元器件的制造大国，有相关成熟的产业链和制造技术低。

4.传感器技术。普适性的民用温度传感器的误差范围已可以控制在0.1摄氏度，具有较高的精度，完全满足初中物理实验的需要。

三、实践案例：初中物理实验器材数字化、可视化改造研究内容

1.数字化改进“焦耳定律”“比热容”实验。焦耳定律实验需要得出的结论是：电阻产生的热量，与通过其的电流的平方成正比，与电阻的大小成正比，与通电时间成正比。关键就在于三个“正比”关系如何确立。原器材的实验方案是通过“转换法”，利用两侧U型管内液面高度差的不同来确立相关物理量的正比关系是不严谨的，且实验现象也是不直观，不便于课堂演示实验。“比热容”实验则是通过两种质量相同的液体在吸收相同热量的情况下，比较升高温度的多少来判断该液体吸热能力的强弱。原器材是用水银温度计来测量温度，缺点是水银温度计的显示不是太直观可视化，不便于课堂演示实验。

2.改进方案的效果。两个实验利用高亮数码管和温度传感器进行了数字化、可视化改造，更直观、更精确、更有利学生操作，更有利于学生通过实验理解焦耳定律实验和比热容实验的内在物理意义，以此得出的实验结论更具说服力。我们在课堂上进行了多次实践，取得良好的效果。

3.改进方案的成本和推广研究。首先，一个实验器材能否能进行推广和应用，成本是一个重要的考量因素。我们研究的重要内容之一就是如何在相对合理的成本范围内进行改进和改造，不追求高、精、尖，将实验的课堂效果放在首位，也要将实用性和可推广性放在重要的考量位置。其次，我们在追求数字化、可视化改进的时候，也不能一拥而上、没有甄别。初中物理的众多实验中，有对基础原理的探究和认识实验，比如牛顿第一定律实验、光学实验、温度计原理、托里拆利实验等，这些实验强调的是最基础的物理原理，不可替代和跳跃，不适合对其进行数字化、可视化的改造。最后，先进的技术总是在不断的迭代中，比如全息投影技术、无线互联投屏技术、数字化模型构建技术、人工智能技术等，这些技术若能陆续引入到实验中来，把一些物理抽象的概念通过全息投影具象化、通过投屏技术清晰化、通过数字化模型构建技术模型化、通过人工智能技术，都非常有利于学生对抽象物理知识的理解和掌握，对促进一线教学质量的提升是非常有帮助的。

【注：本文系深圳市龙岗区立项课题“中学物理实验器材（数字化）可视化改进的探索”（课题编号：2021XK351）研究成果】

责任编辑 徐国坚