信息技术赋能物理实验：电流热效应教学创新

随着信息技术与教育教学的深度融合，物理实验教学迎来了转型的机遇。《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称“课标”）明确提出“通过实验了解焦耳定律，运用科学探究发展核心素养”的要求。然而，传统焦耳定律实验存在诸多局限，如教材中温度计读数耗时、气体热膨胀法难以定量分析、实验现象受环境干扰显著等。一些教师虽尝试改进，但仍难以解决数据采集效率低、学生参与度不足等问题。针对上述问题，笔者以沪科技版教材为基础，整合数字化实验系统（DigitalInformationSystem，DIS），创新设计焦耳定律定量探究方案，利用温度传感器实时采集数据、Excel快速处理信息、动态图像直观呈现规律，构建“现象可视—数据可测—结论可证”的实验闭环。本文以“探究电流热效应影响因素”为例，阐述如何借助信息技术优化实验流程，让学生在真实探究中提升科学思维与创新能力。一、实验改进的动因与路径“探究影响电流通过导体时产生的热量多少的因素”实验是人教版物理九年级全一册第十八章电功率第4节“焦耳定律”教学中的重要演示实验。该实验对学生的知识综合运用能力有较高要求，学生借此实验能更深入地理解电路中能量转化的现象。课标指出：“通过实验，了解焦耳定律。能用焦耳定律说明生产生活中的有关现象。”课标要求学生通过实验探究对焦耳定律的内容形成科学认知。焦耳定律实验的教学重点除了让学生在实验过程中感受完整的科学探究过程外，还可让学生联系已学知识，设计两种实验电路，以及间接测量电流通过导体时产生的热量的方法。不同的电路设计和表示电热的方法可以组合出多种实验装置。各版教材给出的实验方案有所不同。沪科技版教材中的电路设计是通过滑动变阻器与电阻串联的方式改变电路中的电流，人教版采取的是混联电路的形式，二者相比，学生对于沪科技版中的电路更熟悉，更易理解。但沪科技版教材中读取温度计示数变化量表示电热的方法，在操作过程中存在加热时间长、操作困难的问题。在课堂教学中，人教版教材中用空气受热膨胀的程度反映电热的方法更受广大教师欢迎，因为使用该装置在课上演示时实验现象明显，用时短。但该装置的实验效果受气体盒密封性影响较大，并且无法进行定量分析。许多教师在总结教材中的经验后对此实验进行了创新和改进，多数是从改进反映电热多少的方式入手。例如，以凡士林熔化的快慢[1]、气球充气的多少[2]或感温变色材料[3]间接反映热量的多少，提高实验现象的可感度。有的教师在沪科技版装置基础上进行升级，采用数字温度计测量，解决了实验室常用液体温度计读数困难的问题，并且记录数据后可以对结果进行定量分析[4]。数字化实验系统可利用现代信息技术辅助实验开展学科教育，为学生在有限的时间内更充分地实施并理解实验提供了技术支撑。课标指出：“注重科学探究，倡导教学方式多样化……合理运用信息技术。”笔者设计实验方案，利用传感器、Excel表格等信息技术，借助数据采集器可实现快速收集数据，界面实时显示图像可解决可观性问题，Excel表格处理数据，取得较好的实验效果。二、实验装置的创新设计笔者参考沪科技版教材中的设计，采用液体的温度变化量表示液体吸收热量的多少。在课堂教学中高效完成定量探究实验的关键在于如何使各烧瓶中液体温度变化量能方便快捷准确地被读取和记录，并实现数据快速处理。本实验的解决方法是采用温度传感器和数据采集器，将实时温度数据显示在屏幕上、记录在电脑中。经设置后，电脑界面还可以直接呈现温度随时间变化的曲线。图像既可以帮助学生更好地理解实验现象，又可以让学生在实验过程中得出电流通过导体产生的热量与时间的关系，大幅提高实验效率，增强实验的观感，使学生在演示实验中更有参与感，激发学生的学习兴趣。为了让学生更好地观察烧瓶内部结构，在烧瓶外未添加保温层。想要忽略散热对实验结果的影响，需要缩短加热时间，使液体快速升温。依据公式Q=cm△t"，在吸收的热量一定时，烧瓶中液体的温度变化量受液体质量和液体种类的影响。在实验设计之初，笔者选取了不同质量的水和油进行实验，使用阻值为2Ω的定值电阻通过1A电流对液体加热60s，测量液体的温度变化量△t并记录（见表1）。实验中，当烧瓶中的液体体积过少时，难以将电阻丝和温度传感器的探头均完全浸没于液体中且不接触烧瓶，所以将液体体积最小值选取为100ml。从数据中可以发现，选用水作为被加热液体时，由于水的比热容较大，吸收相同热量时水的温度变化量较小，100ml的油在60s内温度变化量更大。所以在后续的实验中烧瓶内盛放的液体为100ml食用油。温度传感器探头放置的位置极大程度上影响了实验结果的准确性。热量从电阻丝传递给食用油，瓶中各部分油的温度并不统一。各版教材中均没有明确说明温度计液泡在液体中相对电阻丝的位置。若传感器探头距离电阻丝位置偏远，观察到的温度变化很慢，现象不明显。部分热量在向外传递的过程中会散失到空气中，使测量的温度偏低。在组建装置时，需调整传感器探头位置，使探头尽可能靠近但不直接接触电阻丝。本次实验，笔者将传感器探头放置在电阻丝上方约0.5cm处，并保证各个烧瓶中温度传感器探头与电阻丝间的距离一致。基于上述实验和分析，自制6个实验用烧瓶，每个烧瓶各装100ml食用油，将电阻丝浸没在油中，用温度传感器测量油温。实验中所用的阻值不同的定值电阻是截取不同长度的直径为0.5mm、阻值5.551Ω/m的Cr20Ni80镍铬丝自制而成。采用友高数字采集系统及其配套的YOCO-S14型号温度传感器（量程-20-120℃）实现测量和收集实验数据的工作。传感器将温度随时间变化的数据记录并传输至计算机。依据控制变量的思想，将该实验分解为3个小实验：定量探究电流通过导体产生的热量与导体的电阻、导体中的电流和通电时间之间的关系。其中，定量探究电热与通电时间关系的实验数据可以在进行另外两个实验时得到，并且在每一次实验中数据采集器界面都直接显示了温度与时间的关系，因此无需再单独进行实验。利用改进后的实验装置，按电路图连接电路（如图1），进行测量。三、数据处理的思维进阶对实验数据进行分析论证并得出相应结论是科学探究中关键的步骤，在此过程中可以很好地培养学生的科学思维，让学生领悟运用实证分析客观世界本质规律和内在联系的实验思想。在实验教学中，教师需让学生能更充分地参与到数据处理中来，切身体会这一过程并形成科学认知。焦耳定律的内容是一个含有平方项的公式，学生较难通过实验现象直接归纳得出结论。九年级学生已经学习了一次函数和二次函数，对其图像有了基本的认识。在充足的数学知识储备基础上，借助图像法对实验数据进行处理，可以有效地帮助学生理解实验数据，得出定量关系。在数据分析的环节中，未采用常见的在DIS中内嵌公式将处理好的数据结果直接展示给学生的方式，而是让学生自己设计实验数据记录表格。笔者在课前设置好空白的图表，课上让学生设计具体表格，提取数据采集器中采集到的温度数据，借助Excel表格内嵌的公式计算功能，实现数据的快速处理，让整个数据处理的过程显化。Excel表格工具仅起到快速计算和绘制图像的作用。如此，学生切身参与到数据处理的过程中去，并对数据曲线进行拟合，得出定量关系（如图2）。在探究电热与电阻的关系实验中，学生设计实验记录表格，绘制成图像后对其进行拟合，绘制得到过原点的直线，观察数据图像得出结论：电流和通电时间一定时，油温变化量跟电阻成正比，即电流通过导体时产生的热量跟电阻成正比。在探究电热与电流关系的实验中，先设计实验记录表格，由绘制图像可知温度的改变量与电流的关系图是一条近似二次函数的曲线，从而猜测温度的改变量可能与电流的二次方成正比。改进数据表格后绘制的图像是一条过原点的直线。得出结论：当电阻和通电时间一定时，电流通过导体产生的热量与电流的二次方成正比（如图3）。四、教学实践的价值延伸本实验基于沪科技版教材中的器材进行了升级，借助数字化系统，采用温度传感器测量温度数据，测得的数据通过数据采集器直接记录到电脑，显示在屏幕上。笔者开展该实验有效地解决了传统液体温度计读数难、数