初中物理实验教学可视化探析

摘要

针对初中物理实验教学的不足，结合课题研究的实践经验，将计算机学科中的“可视化”方法引入实验教学中，基于具体实验事例从实验步骤、实验现象、实验过程及实验数据等方面探索实验“可视化”，即运用可视化方式改进实验，提高实验教学效果。

Graphical abstract

关键词

可视化 / 脑科学 / 认知负荷 / 初中物理实验 / 有效教学

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，是一种使复杂信息易于被快速理解的手段。可视化结果便于人们记忆和理解，这已被脑科学研究成果所证实。

随着科学技术的发展和进步，在物理实验教学中，使用“可视化”方式开展教学渐成趋势。可视化实验教学方法使抽象的物理概念和物理现象变得直观形象，能降低学生的认知负荷，便于学生理解知识。

1 实验步骤可视化

物理实验可以分成演示实验、分组操作实验、随堂实验和课外实践活动实验4个类型^［1］。在实际的物理教学中，虽然教师能够以学生为主体去开展实验教学，但是囿于初中学生的认知水平和操作能力，一些步骤较多或从现象到结论均需要思考的实验，即使教师在课堂上详细讲解步骤和注意点，不少学生在实验时依旧瞎忙活，一堂课下来实验根本完成不了。为此，教师在进行演示实验或者指导学生进行实验操作前，有必要将实验操作步骤可视化，如采取视频演示、师生共同完成实验操作步骤流程图等学习方式，然后让学生动手操作，实验任务完成率大大提高。

以“探究欧姆定律”教学为例，在完成该节课引入、师生共同探讨实验步骤后，先用软件模拟演示实验的过程^［2］，再让学生自主开展实验活动，就比传统讲解后再去做实验的效果要好得多。优点表现在：首先，更容易让学生记住操作步骤；其次，激发了学生的兴趣，使其顺利完成实验并获得数据；最后，便于学生后续思考和得出结论，教学效率明显提高。

再如，学生分组做“用天平测牛奶的密度”实验时，笔者尝试向学生提供操作流程图，看到图后绝大多数的学生都能顺利地完成这一实验。当提供了可视化情境后，学生往往能顺利完成实验操作，有效提升了物理实验教学的效率和质量。尤其对学习能力较弱的学生而言，不仅在一堂课内完成了实验，而且初尝成功的喜悦，信心倍增，激发了他们学习物理的兴趣，而兴趣的激发有助于提高其实验能力，从而为下一步放手让学生自主探究打下坚实的基础。

2 实验现象可视化

在有关演示实验的要求中，必有一条：实验现象要明显。但是几乎没有人能说清楚这是为什么？事实上，从认知负荷理论中可找到答案——减小了“外在认知负荷”。所谓“认知负荷”，是指大脑在处理信息时所承受的负担^［3］。外在认知负荷过高会降低学习效率，因为大脑需要花费更多的精力去处理无关的信息，这会增加记忆负担，不便于学生针对本质问题进行记忆和思维加工。因此，教师在实验教学时应该创造条件，使得实验现象更加明显，从而增强实验现象的可视化程度。

例如，在学习摩擦力的方向时，有教师用扫帚在讲台上演示，学生看后很容易理解摩擦力的方向。又如，在学习浮力产生的原因时，将剪除底部的饮料瓶倒置，堵住瓶口，放入乒乓球并加水。此时发现只要下面的水没有完全浸没乒乓球，乒乓球就不会浮起。这一现象如此明显，学生很快理解了浮力是由液体上下压力差形成的。

初中生在学习物理的过程中，一些物理概念、规律等抽象复杂的知识，常常成为其理解的难点。采用可视化教学，将不容易观察到的物理实验现象放大，通过改进实验或使用多媒体技术，如投影、动画、视频等手段，就能将实验现象可视化，减轻了学生的外在认知负荷，降低了学生的理解难度，让学生更深入地理解和思考实验现象背后的概念和规律，从而实现实验教学的意义和价值。

3 实验过程可视化

有的实验过程较长，有的实验过程瞬间完成，学生难以观察，不易感知。获得信息过少，难以表征，缺少形成理解记忆的脚手架，导致理解不透或硬记结论，不利于学生思维能力的培养。譬如硫酸铜的扩散实验，效果特别好，但时间长，需要10～30 d才完全混合。怎么才能在课堂上展示扩散过程呢？从可视化角度，教师可以通过贴时间标签、显示照片拍摄时间等，让学生明晰变化的过程，也可运用快慢镜头揭示实验过程，实现过程的可视化。还有一些实验过程通常不容易感知，这就需要教师开动脑筋，创新实验设计。以对物体做功、内能增大、温度升高；物体对外做功、温度降低、内能减小实验为例，其过程瞬间结束，难以觉察到温度的改变，对此，教师可设计并制作装置，即通过探头将温度变化显示出来，从而将这一瞬间的变化过程可视化，便于学生直观观察，进而得出结论，理解实验所揭示的物理原理。

4 实验数据可视化

脑科学告诉我们：当识别一些不规则的事物是一系列的图形而不是数字表格时，人的识别速度最快^［4］。例如，在测量小灯泡电阻实验中，有一重要结论：灯泡的电阻随温度升高而变大。很多学生通过实验得到了实验数据，但在总结时却得出：灯泡的电阻随电流、电压增大而增大的错误认知。为此，笔者将白炽灯泡的灯丝分别置于空气和水中通电，记录电压、电流值，再利用软件绘出图象，如图1、图2所示。

在水中，“电流-电流”图象是直线，说明电阻不变，而在空气中“电流-电压”图象不是直线，说明电阻是变化的。这样学生就比较容易得出：在空气中，灯丝温度变化，电阻值随之变化；在水中，灯丝温度基本不变，电阻值也就不变。结论：灯丝的电阻变化不是电流、电压变化引起的，而是灯丝温度变化导致的。数据的可视化，破解了教学难点，学生豁然开朗，教学效果佳。

5 结语

《义务教育物理课程标准（2022年版）》指出^［5］：义务教育阶段物理课程目标是“促进学生核心素养的养成和发展”，即培养学生的“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”等核心素养。义务教育物理课程是一门以实验为基础的自然科学课程，实验教学是实现其教学目标的基本手段，在教学中的作用和地位十分突出且无可替代，因而用可视化方式促进物理实验教学具有重要意义。

在实验教学中，从实验现象、实验步骤、实验过程和数据分析等方面将实验可视化，有利于减轻学生的认知负荷，提高实验教学效果，培养学生思考、分析问题的能力，让实验教学更具效率和质量，高效达成实验教学目标。同时，可激发学生的自信心和学习兴趣，有利于培养学生的物理核心素养。

参考文献

[1] 李亚子.基于项目学习的初中物理实验探究教学［J］.中学物理，2021，39（04）：24-26.

[2] 杨红.信息技术下初中物理实验教学模式的研究［J］.文理导航（中旬），2021（02）：99.

[3] 吴先强，韦斯林.国外认知负荷理论与有效教学的研究进展及启示［J］.全球教育展望，2009，38（02）：28-31，10.

[4] 蒲慕明，徐波，谭铁牛.脑科学与类脑研究概述［J］.中国科学院院刊，2016，31（07）：725-736，714.

[5] 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.

基金资助

安徽省2024年度省级课题“初中物理实验教学与科学思维融合案例研究”(JKT24133)