《义务教育物理课程标准（2022年版）》提出要加强实验室课程资源的开发与利用，提倡师生利用身边的物品、器具、材料等自主开发物理实验器材，增强实验现象的可视化和实验数据采集的实时化
［1］。在实际教学中，笔者积极探索通过实验现象的可视化来优化初中物理教学，帮助学生更好地理解和应用物理知识。
1 简单实验“直接”可视化优化教学过程
初中生初学物理在面对新问题或新情境时，倾向于依赖具体事物和直观的实验，他们更喜欢那些可以直接感知的信息，更愿意感知并接受直观现象以后再进行概念的内化。因此，在设计教学活动时，应以实验结果的可视化为切入点，结合学生的认知习惯优化教学过程，用“更换赛道”的教学方式来突破以往的教学难点或者重点
［2］。
1.1 教学案例1
以苏科版物理教材课后实验“自制电动机”为例，该实验存在认知难点：学生能看到线圈持续转动，但是对于其持续转动的原因无法直接感知，很难理解为什么要刮掉半圈油漆。传统教学通常采用告知式的讲解，或者利用多媒体课件动态展示，但这样的方式显得较为生硬。
笔者在电路中串联一只小灯泡。这样一来，在线圈转动的过程中，学生可以直观地观察到灯泡有规律地亮灭，原本看不见的电流有无通过小灯泡的亮灭被直观地显示出来，学生可以直接观察到电路在工作时存在周期性通断。在浅显易懂的实验现象帮助下，学生有了理解的基础，再通过小组合作探究，就能较轻松地弄清线圈能持续转动的原因。
初中生刚学习物理不久，理论分析能力有限，对于复杂的物理现象或者原理，从看不见、不可感知到可见、可感知，可视化实验可以帮助他们把抽象的概念转化为具体的现象，降低理解难度。
1.2 教学案例2
如
图1所示，两人分别用10 N的力拉弹簧测力计的挂钩和拉环（不计外壳重力与摩擦），则静止时弹簧测力计读数为
N。
本题考查的是二力平衡的知识点，在教学过程中，大部分学生会填20 N。以往纠正这一错误的常用方法是从二力平衡的角度进行理论分析，通过告知的方式，教师解释弹簧测力计只有在平衡状态下才能读数，读数即为使其平衡的力的大小，而不是两个力的总和。
笔者将3只弹簧测力计串联，在实验前先问学生中间的弹簧测力计示数应该是多少，大多数学生会认为读数是两边数字之和。随后，拉开两边的弹簧测力计并保持静止，让学生立即读数，更换不同大小的力多读几次，学生当即发现读数和预测不一样。在此基础上追问学生为什么会出现这样的现象？
由于有实际的实验数据作为依据，学生思维的指向性更加明确，他们会主动结合刚学的力学知识分组讨论，而不会像以前那样凭空臆想。通过真实问题情境引导学生递进式探究，学生能更自然地理解物理概念和物理原理。
2 发挥多媒体教学资源的优势，提升实验可视化的效果
《义务教育物理课程标准（2022年版）》提出要发挥多媒体教学资源的优势，鼓励利用现代信息技术和网络技术，开发和利用多媒体教学资源，使物理课程的学习更加生动、直观、高效。科技发展对教学模式的影响显著，例如，利用高速运动相机的慢放功能，可将原本无法看清或感知的实验现象轻松展示出来。
2.1 教学案例1
在苏科版物理八年级教材中，针对音调和频率的知识点，教师常通过改变直尺伸出桌面的长度来探究振动快慢与音调的关系，但效果不佳，尤其是直尺伸出桌面较短时，振动难以用肉眼观察，导致部分学生无法清晰理解。引入高速相机后，利用其慢放功能，直尺振动的细节变得清晰可见，学生能直观地理解振动快慢与音调的关系，显著提升了教学效果。
利用高速相机的慢放功能，还有许多类似的案例。例如，在讲解惯性时，常见的实验是击打一摞棋子，但这个实验对学生来说缺乏新鲜感，笔者利用高速相机进行改进，在球拍上放一些红色粉笔灰，用高速相机拍摄网球向下击打网球拍的过程并慢回放，可以清晰地看到灰尘在击打瞬间相对静止并最终与球拍分离。在这样具有视觉冲击力的可视化基础上，再引导学生思考为什么会出现这种现象，这种教学设计更贴近学生的认知特点。在讲解“力的作用是相互的”时，播放网上快速相机拍摄的足球撞向人脸的慢动作视频，学生可以明显观察到在撞击瞬间，足球和人脸都发生了形变，这表明球和脸既是施力物体，也是受力物体。这种直观的可视化教学呈现了学生感兴趣的画面，自然能够达到润物无声的效果。
2.2 教学案例2
利用数字化信息系统（DIS）结合物理实验可视化来优化教学过程，也能帮助学生更好地理解和掌握物理知识。例如，在流体流速与压强的关系教学环节中，笔者尝试用压强传感器将不同流速区域的压强大小通过计算机直接显示，获得了良好的教学反馈。通过实验结果可视化的方法，将不可见的现象转化为直观的可见现象，再将可视的实验现象转化为问题抛给学生，学生在直观现象的基础上分组讨论探究，从而揭示流速与压强的关系，这样的教学过程比传统演示教学高效得多。
笔者所在的城市江苏高邮夏季会有龙卷风，一位学生将压强传感器借回家，利用家中的水槽放水形成漩涡，通过传感器测出漩涡中不同位置的压强，将这一过程拍成视频，在此基础上制作了一个关于龙卷风原理和安全防护的课件，在当地的社区还举办了一个小型的报告会，引起不小的轰动。物理知识源于生活和社会，也应用于生活和社会。在这个过程中，DIS的可视化起了关键作用。
3 利用可视化实验，将隐性条件变为显性条件，从教法上突破重难点
3.1 教学案例1
如
图2所示，容器内盛有水，在试管中放入一小球后，试管浮在水面上。将小球从试管中取出，直接放入水中，小球下沉至容器底部，试管仍然浮在水面上。则（ ）。
常见解法一般都是先分析浮力是增大还是变小，而后根据阿基米德原理解题，浮力变小，V排变小，因而液面下降。用这样的方式讲解，对于学生而言只是被动接受了答案。笔者将金属块先放在铝杯里，再一起放入烧杯中，观察烧杯中液面的位置，再引导学生思考如果将金属块从铝杯中取出并放入烧杯中，液面将会如何变化？许多学生认为液面会升高，理由是金属块完全浸没在液体中。在这样的认知基础上，要求学生将金属块放入烧杯中，结果发现液面不升反降。此时，要求学生进行小组合作探究讨论。由于实验现象明显，学生在实验过程中很容易感受到铝杯越往下沉，浮力越大。原本隐性的V排与浮力的关系变得显性且可感知。学生抓住了问题核心，即浮力与V排的关联，原本生硬的难题，在实验可视化的帮助下就可以轻松突破。
3.2 教学案例2
如
图3所示，在瓶中装入适量带色的水，瓶口用橡皮塞塞住。再取一根两端开口的细玻璃管，在它上面画上刻度，使玻璃管穿过橡皮塞插入水中，从管子上端吹入少量气体制成一个简易的气压计。把气压计从山顶带到山脚，下列说法正确的是（ ）。
学生看不见压强大小，无法感知这个隐性条件，所以对此题的理解往往浮于表面。为解决这一问题，笔者让学生用小药瓶和吸管制作如
图3所示的实验装置，要求他们带着此装置乘电梯从1楼上升到30楼，观察到液柱下降的实验现象。这样的课堂才是生态的课堂，学生通过真正感兴趣的实际操作，加深了对知识的理解，培养了在实践中发现问题、解决问题的能力，相比于被动接受知识，亲自动手做实验可以让学生更加深刻地理解科学原理。
3.3 教学案例3
初中物理中摩擦力方向几乎是所有学生的学习难点，因为摩擦力的方向无法直接观察到。如果能够直接把摩擦力的方向用实验可视的方法显现出来，对于摩擦力的学习将极有裨益。笔者将几个扫把头平行粘在一起放在海绵上，然后推动扫把头在海绵上向右滑动，学生观察到扫把刷毛的弯折方向偏向左边，由此建构一个基本的认知模型：刷毛的弯折方向即为扫把头底部所受摩擦力的方向，如果刷毛不发生偏折就不受摩擦力。通过这种可视化的实验结果，可以直观地展示摩擦力的方向，那么一些摩擦力方向的难题，就可以迎刃而解了。
如
图4所示，一个木块在光滑水平面上以
v0的速度做匀速直线运动，冲上粗糙斜面后最终静止在
A点。以下对木块受力分析的说法正确的是（ ）。
A.木块在水平面上匀速运动时，受到了重力、支持力、摩擦力的作用；
B.木块在斜面上受到的摩擦力方向会发生改变；
C.木块静止在A点时，不受摩擦力；
D.木块在斜面上时，受到了重力、支持力、压力、摩擦力的作用。
这类题目用传统方法讲解选项B时，一般会从运动趋势入手，但初中生对运动趋势的理解较为困难，一个典型难点是：既然木块都在斜面上，为什么摩擦力的方向会改变呢？使用扫把头可以动态、直观地展示摩擦力方向这一隐性条件，在教师正确演示的基础上，要求学生自己用扫把模型进行分组实验，可以轻松突破原有的认知障碍，学生直接观察刷毛的方向就能理解摩擦力的变向。在师生共同的探究过程中，不断反思与优化教学设计，教师通过教学反思精进教学设计能力，学生在批判性思维中实现深度学习。
4 结语
基于实验可视化的问题导向学习比纯理论讲解效果更好。学生通过自己的努力完成实验，并且看到实验结果与预期相符时，会获得一种成就感，这有助于提高他们的学习动力，培养他们的实验探究能力。实验现象的可视化优化教学可以帮助教师探索和采用更加多样化、有效的教学方法。随着科技的发展，新的实验方法和设备不断出现，一线教师应紧跟时代步伐，及时更新教学理念，将这些新元素融入物理教学中，提升教学的时代性和前瞻性，更好地满足新时代人才培养的需求
［3］。
扬州市教育科学“十四五”规划2023年度课题“以实验生活化提升初中生物理的‘悟得’能力”(2023/P/086)
京公网安备11010202008535号
PDF
(426KB)
