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数智赋能高中物理传统实验改进教学实践— 以 “测量番茄电源的电动势和内阻 ”为例 !
【摘要】实验是物理学科的重要组成部分,也是深化学生认知 、培育物理学科核心素养的关键载体 . 数字化时代为各行各业的发展带来新的契机 ,教育行业也是如此 . 本文以“测量番茄电源的电动势和 内 阻 ”为例 , 探讨数智赋能背景下高中物理传 统实验的改进教学 . 通过剖析传统实验教学课堂存在的痛点 ,从课前 、课中 、课后三个环节提出针对性的改进策略 , 以突破传统实验教学的局限 ,推动数智赋能下高中物理实验教学高质量发展 .
【关键词】数智技术; 高中物理;实验教学
1 引言
推进教育数字化改革, 应当重视人工智能技术的应用 ,借助现代信息技术引导学生探究物理实验的本质 ,使学生在掌握知识的同时实现核心素养的全面发展 . “测量电源的电动势和内阻 ”是高中物理的重要实验 ,教学目标要求学生在掌握电路知识的基础上 ,提升实验操作能力 、数据处理能力和误差分析能力 . 然而 ,传统实验教学存在操作误差大 、数据处理低效等问题 ,难以真正实现育人目标 . 因此 , 教师可依托数智技术对传统实验教学进行革新 , 改进教学方式 ,推动信息技术与物理实验教学的深度融合 ,通过提升实验的精准度 、逻辑性与课堂实效性 ,实现 实 验 教 学 转 型 和 学 生 核 心 素 养 提 升 的 协 同发展 .
2 传统实验课堂教学痛点
传统“测量 番 茄 电 源 的 电 动 势 和 内 阻 ”实 验 教学存在以下痛点 :
第一,实验成功率低 . 番茄电源由铜 、锌金属电极与番茄果肉电解质构成 , 电解质浓度低 、接触电阻大 , 电 源 内阻 通 常 达 到 千 欧 级 别 , 输 出 电 流 仅 为10 ~ 100μΑ. 而传统实验教学所配备的电流表量程为 0 ~ 0. 6Α,测量精度不足 ,难以捕捉微弱电流 ,造成实验误差偏大 .
第二,数据测量误差大 . 传统实验采用伏安法开展测量 ,需要同步调节滑动变阻器 、读取电压表 、电流表数值 . 但番茄电源的工作状态不太稳定 , 电极极化现象明显 ,通电时间过长会导致电动势小幅衰减 、内阻持续增大 . 学生实验操作时很难同步完成调节电阻 、读数 、记录等操作 , 使得实验数据存在较大偏差 ,难以真实反映电源的电动势与内阻特性 .
第三,数据处理粗糙 . 在传统的实验教学中 , 学生依靠人工记录数据 、在坐标纸上手动描点 、借助直尺连线拟合 U - I 图像 . 该过程不仅耗时较长 , 占用课堂核心教学时间 , 且人工描点 、连线偶然误差大 ,不同学生拟合得到的图像差异明显 . 同时 ,这些数据也无法直观呈现数据离散点的偏差规律 , 学生难以建立对物理规律的直观认知 ,影响其学习效果 .
第四,误差分析浅层化 . 传统实验教学多以教师对误差的口头讲解为主 , 学生未亲身参与实验误差的分析 ,难以形成依托实验数据进行精准误差分析的能力 . 对 于 番 茄 电 源 特 有 的 电 极 极 化 、电 解 质 消耗 、接触电阻变化等误差来源 , 学生缺乏直观感知 ,仅凭教师讲授很难掌握“发现数据问题 — 溯源误差原因 — 优化实验方案 ”的科学探究思路 , 实验教学的育人价值难以充分发挥 .
3 数智赋能实验教学改进策略
3. 1 课前数智预研 :精准铺垫 ,规避教学盲区
课前的预习能帮助学生建立对实验内容的初步认知,为其后续快速进入实验探究状态奠定根基 . 基于此 ,在实验教学中 ,教师应摒弃传统机械的课前预习模式 ,将数智技术融入前置学习环节 ,为课堂教学精准铺垫 ,规避教学盲区 , 同时为学生提供沉浸式 、交互式的预研体验 .
例如以“测量番茄电源的电动势和内阻 ”实例为例 ,首先 ,教师可以借助 DIS虚拟仿真实验系统进行实验预演 , 录入番茄电源的电学参数 ,模拟不同电极间距 、电极插入深度 、电阻阻值下的电压 、电流变化规律 , 以此判断课堂实验的最优参数范围 ,规避教学盲区 . 同时 ,教师可依托在线学习平台 , 推导仿真实验操作视频 、参数标准等学习资源 ,让学生通过自主预习 ,初步感知电路连接方式 、调节步骤 、参数范围 ,构建完整的实验认知框架 . 其次 , 针对学生易混淆的电源内阻分压 、路端电压变化 、电极极化影响等内容 ,教师可通过微课可视化呈现闭合电路的能量分配过程 , 以 及 番 茄 电 源 通 电 后 , 电 解 质 离 子 迁移 , 电极氧化的微观过程 ,帮助学生从理论层面厘清认知误区 . 最后 ,教师依托平台智能获取学生的课前预习数据 ,定位学生的亮点和薄弱点 ,合理划分实验小组 ,实现组员知识结构和操作能力的优势互补 ,为课堂高效协作筑牢基础 .
3. 2 课中数智处理 : 自主探究 ,深化理解认知
3. 2. 1 器材电路数智改造 ,提升实验成功率
传统实验教学中存在器材精度不高、操作时序错位等问题,对此 ,教师可以依托数智技术对器材和电路进行改造 , 以此解决实验现象不明显 、数据无效等问题 ,提升实验的成功率 .
例如以“测量番茄电源的电动势和内阻 ”实验为例 ,首先 , 摒弃传统指针式电表 , 采用 DIS数字电压传感器 、微电流传感器 ,传感器电压测量精度可达 0. 001V, 电流测量精度可达 0. 1μΑ, 可覆盖番茄电源微弱电信号的检测范围 . 同时 ,将传统实验中的滑动变阻器替换为高精度数字电阻箱 , 实现外接电阻的精准 、可控调节 . 其次 , 利用 DIS实验系统的同步采集功能 , 同步完成电阻调节 、数据采集 、数据记录等步骤 . 当学生调节数字电阻箱至预设阻值后 ,系统同步记录 路 端 电 压 、干 路 电 流 数 据 , 规 避 人 为 误差 、通电时间过长导致的电极极化 、电源参数衰减等问题 ,提升数据有效性与课堂实操效率 . 最后 , 针对本实验中番 茄 电 源 易 受 环 境 与 人 为 操 作 影 响 的 问题 ,采用标准化的数智实验器材 : 统一规格的纯铜 、纯锌电极 ,消除电极材质差异引发的接触电阻误差 ;通过固定夹具精准控制电极间距与插入深度 , 避免人工手持电极造成的接触不稳定问题 , 保证每组实验电源的初始状态一致 ,保障实验严谨性 .
3. 2. 2课堂分层数智探究 ,落实差异化教学
学生在基础知识、学习能力、探究能力等方面存在差异,个体之间会形成一定差距 . 传统实验教学具有较强的统一化特征 , 难以满足学生的个性化学习需求 . 对 此 , 教 师 可 以 依 托 数 智 技 术 的 智 能 分 层 功能 ,开展物理实验的差异化教学 ,使教学活动面向全体学生 ,在保障教学效益的同时 ,推动学生的个性化发展 .
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教师论文修改，写作润色