數(shù)字化實驗的內(nèi)涵及誤區(qū)解讀

顧連忠

（河北師范大學(xué) 物理科學(xué)與信息工程學(xué)院，河北 石家莊 050016）

國家新課程標準對信息技術(shù)與物理課程的整合提出了具體的要求，尤其是將傳感器列入中學(xué)物理課程。因此一種以傳感器和計算機為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了信息技術(shù)與實驗教學(xué)整合的新型實驗?zāi)Ｊ健獢?shù)字化實驗室應(yīng)運而生。各學(xué)校也以此為契機開始裝備數(shù)字化實驗室，作為學(xué)校實驗教學(xué)改革的重要部分斥資建設(shè)，目前國內(nèi)外的廠家紛紛將基于傳感器的數(shù)字化實驗作為自己的主要生產(chǎn)對象并以昂貴的價格推向各個學(xué)校，那么究竟數(shù)字化實驗應(yīng)包括哪些內(nèi)容？應(yīng)該如何理智地建設(shè)數(shù)字化實驗室？

1 數(shù)字化實驗的內(nèi)涵

數(shù)字化實驗是以真實實驗為基礎(chǔ)，借助計算機來完成的實驗。數(shù)字化實驗室應(yīng)該包括三個方面。

1.1 仿真實驗

仿真實驗是一個開放性的實驗仿真軟件，提供一個實驗器具完備的綜合實驗系統(tǒng)，可以仿真所能想象的所有實驗，例如可以提供質(zhì)點模型、彈簧、滑軌等器具；可以提供電場、磁場、重力場、阻尼介質(zhì)等實驗環(huán)境，可以完成自由落體運動、機械能守恒、帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)等實驗項目，人造地球衛(wèi)星、太陽系的運行等也能利用仿真系統(tǒng)模擬。仿真實驗不但可以演示逼真的實驗動畫，還可以在演示的同時提供相關(guān)的實驗實時數(shù)據(jù)。通過仿真，模擬理想化的實驗環(huán)境，幫助學(xué)生建立理想化的物理模型，得出物理規(guī)律。

1.2 借助傳感器計算機自動采集和處理數(shù)據(jù)[1]

在物理實驗中，實驗數(shù)據(jù)的采集要通過傳感器把各種物理量如力、聲、光、溫度、位移、磁場強度等轉(zhuǎn)化成模擬電信號，通過I/O和O/I轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成計算機能夠識別的數(shù)字信號，由計算機采集數(shù)據(jù)，利用編制的軟件，快速、方便、準確地處理采集到的實驗數(shù)據(jù)，可以及時得到實驗結(jié)果，如計算結(jié)果、圖表、誤差分析等。通過各種傳感器替代傳統(tǒng)的儀表，將實驗數(shù)據(jù)采集之后交由計算機分析處理，能夠更加清晰、明確地展示現(xiàn)象，揭示規(guī)律。

1.3 用多媒體手段表現(xiàn)物理現(xiàn)象

計算機的多媒體功能越來越強，可以非常直觀形象地表現(xiàn)實驗現(xiàn)象，盡管表現(xiàn)出來的本質(zhì)是虛擬的，但是它突破了真實物理實驗現(xiàn)象的時空局限，大小、動靜可以變化，使實驗現(xiàn)象的觀察更方便，感受理解更生動。

2 數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗的比較

2.1 數(shù)字化實驗采集數(shù)據(jù)大，實驗占用時間少

從實驗理論上來看，采集數(shù)據(jù)的過程僅僅是一種模仿形式，因為傳統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)量的不足造成了實驗結(jié)果的真實性不強。而用了傳感器作為實驗載體以后，進入實驗階段的過程將大大縮短，提高了效率。從數(shù)據(jù)的數(shù)量和數(shù)據(jù)的真實性來說都比較理想。從實驗的完成速度來看除非是必須要緩慢變化的實驗，比如氣體定律的實驗，各種參數(shù)的改變在需要用控制變量法時要盡量放慢速度以外，其它實驗都可以在非常短的時間內(nèi)完成，甚至有的實驗僅僅在1分鐘的準備以后在1秒內(nèi)就完成了 1000組實驗數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)采集器可以在非常短的時間內(nèi)將數(shù)據(jù)全部記錄并通過數(shù)據(jù)電纜傳送到電腦中。通過配套軟件處理大量的實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)學(xué)生有選擇性的菜單式的操作就可以得到理想的擬合效果。在配套電腦軟件的幫助下，有著強大計算功能的CPU對于數(shù)萬個數(shù)據(jù)的計算也就是短短數(shù)秒就能結(jié)束。這是傳統(tǒng)實驗所無法達到的結(jié)果。傳統(tǒng)實驗采集數(shù)據(jù)需要反復(fù)操作才能得到多組數(shù)據(jù)，占用大量時間，而且傳統(tǒng)實驗還有一部分的內(nèi)容是要課后完成的，因為課堂的時間僅僅是能滿足完成實驗數(shù)據(jù)的記錄。而通過傳感器技術(shù)和相關(guān)電腦軟件的配合，可以在課堂上完成完整的實驗過程，效率大大提高了。

2.2 數(shù)字化實驗沒有時空的限制

傳統(tǒng)的實驗需要一定的場地、儀器、時空條件才能完成，有些實驗如強光、強電、遠距離的則無法在實驗室里完成，造成了傳統(tǒng)實驗的局限性。而仿真實驗室解決了這個問題，生動形象的模擬過程不僅提高了學(xué)生的興趣，更重要的是提供了虛擬的沒有邊界的實驗場地，補充了實驗內(nèi)容，拓寬了知識面。多媒體可以用動畫的方式演示實驗過程，可以在沒有實驗室和實驗器材的情況下完成，可以任意裁剪，配合課堂教學(xué)用。

2.3 利用傳感器技術(shù)可以做傳統(tǒng)手段做不好和做不出的實驗[2]

借助數(shù)字化實驗提供的先進技術(shù)手段突破傳統(tǒng)實驗手段的限制，大幅度改進效果差的傳統(tǒng)實驗。例如將電流傳感器用于自感現(xiàn)象實驗教學(xué)中，閉合開關(guān)通電出現(xiàn)了一個燈泡先亮一個燈泡后亮的現(xiàn)象。這是由于電磁感應(yīng)引起通過兩個燈泡的電流不同產(chǎn)生的自然現(xiàn)象。以往老師只能通過理論分析電流的變化情況，學(xué)生無法直接觀察到電流變化的情況，只能被動接受老師的分析，頭腦中很難有形象的物理情景作支撐，形成了教學(xué)中的一個難點。引入電流傳感器，將電流的變化記錄為圖像，使學(xué)生直觀地看到自感對電流的影響，幫助學(xué)生認識自感現(xiàn)象的本質(zhì)。在這個基礎(chǔ)上，老師又啟發(fā)學(xué)生從電磁感應(yīng)的理論出發(fā)來分析斷電時自感現(xiàn)象中電流的變化情況，并利用電流傳感器實時記錄電流變化圖像印證學(xué)生分析推理的正確與否。在這個過程中學(xué)生由被動地聽講變成了主動參與，在積極地對話交流的過程中加深了對自感現(xiàn)象本質(zhì)的理解。這樣不但解決了傳統(tǒng)實驗儀器不能夠直觀反映出更本質(zhì)現(xiàn)象的弊端，增強了教學(xué)效果，并加強了學(xué)生的主動參與，大大提高了課堂教學(xué)的效果。

3 應(yīng)用傳感器做探究性實驗

在教學(xué)實驗中，通過實驗再現(xiàn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程，讓學(xué)生體驗到“猜想—驗證—歸納”的科學(xué)探究過程，初步掌握科學(xué)研究的方法。傳感器的應(yīng)用大大提高了這種探究過程的實效，成為探究性實驗中重要的輔助手段。

3.1 對傳統(tǒng)實驗進行“再挖掘”，開發(fā)其潛在的教育和教學(xué)功能[3]

動能定理、動量定理是在學(xué)生學(xué)習(xí)過牛頓第二定律和勻變速直線運動的規(guī)律基礎(chǔ)上，對力和運動狀態(tài)變化關(guān)系作進一步的學(xué)習(xí)內(nèi)容。傳統(tǒng)的教學(xué)方法是通過公式的推導(dǎo)使學(xué)生得到一個合乎邏輯的結(jié)論，然而在實際中什么是動量，什么是沖量，什么是動能，為什么動能的定義要有一個1/2的系數(shù)？學(xué)生是沒有感性認識的。在運用傳感器進行動能定理、動量定理的實驗教學(xué)過程中，學(xué)生充分利用實驗創(chuàng)設(shè)的真實情景，在實驗的全過程中主動地進行探索，通過處理實驗的一系列數(shù)據(jù)，“發(fā)現(xiàn)”新規(guī)律，“定義”新的物理量。

3.2 推出一些新的實驗項目進行探究、創(chuàng)新[4]

碰撞的內(nèi)容屬于學(xué)習(xí)的難點，也是考試的重點，有關(guān)碰撞的實驗題目很多，但是具體兩個物理碰撞的具體過程是什么樣的？兩個物理從開始碰撞到分開的瞬間，它們的速度又是怎樣變化的？彈性和非彈性又有什么不同？由于碰撞過程非常短暫，只是一個瞬間，用常規(guī)的傳統(tǒng)手段得不到任何數(shù)據(jù)，只能做理論的假設(shè)，借助傳感器連續(xù)采集大量數(shù)據(jù)的優(yōu)點，問題可以解決。再如單擺的實驗中，教材中提供的只是擺角小于5。的近似表達式，如果擺角大于5。的情況下又是什么結(jié)果呢？如果擺球在液體中擺動呢？將細繩換成橡皮筋結(jié)果又怎樣呢？需要借助各種傳感器來采集數(shù)據(jù)和分析結(jié)果。

當然這種探究性的實驗會打亂原有的教學(xué)安排，以學(xué)生自身為主體，從發(fā)現(xiàn)者和探索者的角度出發(fā)，從物理數(shù)據(jù)中，獨立地得到客觀世界的規(guī)律，在探究性實驗過程中，教師雖然不是主體，但是必須及時加以指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生掌握科學(xué)的物理研究方法，學(xué)會在研究和歸納的過程中感性地理解物理變化及其規(guī)律。

4 數(shù)字化實驗的理解誤區(qū)

4.1 數(shù)字化實驗不等于用傳感器做實驗

數(shù)字化實驗是基于計算機平臺的使用，以真實的實驗為基礎(chǔ)完成的實驗，包括仿真實驗、借助傳感器的實驗以及多媒體展現(xiàn)的實驗。在現(xiàn)有的實驗室環(huán)境里我們實現(xiàn)不了的實驗，如太陽系、微粒子等我們可以借助仿真實驗來實現(xiàn)；傳感器系統(tǒng)具有采集數(shù)據(jù)量大，便于分析的優(yōu)點，適合學(xué)生做探究實驗；多媒體可以用動畫或錄像的形式，配合課堂教學(xué)，提高課堂學(xué)習(xí)效率。這三部分內(nèi)容相互補充，和傳統(tǒng)的實驗共同完成基礎(chǔ)實驗的內(nèi)容。

4.2 數(shù)字化實驗不能代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗

數(shù)字化實驗從數(shù)據(jù)采集和分析上大大優(yōu)于傳統(tǒng)手段的實驗，但是傳統(tǒng)實驗是培養(yǎng)學(xué)生基本實驗?zāi)芰蛯嶒炈仞B(yǎng)的載體，是不能忽略的教學(xué)環(huán)節(jié)。新一輪基礎(chǔ)教育改革對學(xué)生物理實驗?zāi)芰μ岢隽巳婧蜕羁痰囊?。傳統(tǒng)的實驗方法能夠培養(yǎng)學(xué)生準確、深刻的觀察力，實驗過程要求學(xué)生觀察快速、選擇準確，提高了學(xué)生觀察的敏銳程度；傳統(tǒng)實驗還能培養(yǎng)學(xué)生的操作能力，為了獲取大量的數(shù)據(jù)學(xué)生必須反復(fù)的操作，從而操作熟練，手眼協(xié)調(diào)。數(shù)字化實驗依靠計算機操作平臺，學(xué)生直接獲得數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，但是計算機程序編制的依據(jù)卻不得而知，傳統(tǒng)性實驗正是培養(yǎng)學(xué)生編制實驗程序和數(shù)據(jù)處理的能力，包括有效數(shù)字的使用和實驗誤差的分析。傳統(tǒng)性實驗有助于培養(yǎng)學(xué)生實事求是的科學(xué)態(tài)度，即忠于實驗現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)的科學(xué)作風(fēng)，即使實驗中出現(xiàn)較大的偏差，也必須承認，從而反思找原因，培養(yǎng)學(xué)生思考、質(zhì)疑、堅韌和創(chuàng)新的精神。數(shù)字化實驗在探究方面表現(xiàn)很強的優(yōu)勢，但決不能把數(shù)字化引進到所有的傳統(tǒng)實驗中，偏離基礎(chǔ)教育的要求。

4.3 傳感器的實驗不只是運用傳感器，還應(yīng)該包括如何制作傳感器

傳統(tǒng)的物理實驗是將各種物理量例如溫度、時間、力、加速度等轉(zhuǎn)化為長度進行度量。例如桿秤就是把質(zhì)量的測量轉(zhuǎn)化成長度的測量，溫度計就是利用水銀熱脹冷縮的特性用長度來表示溫度。指針式手表就是把時間轉(zhuǎn)換成角度來讓人們測量時間的變化。傳感器則是將各種物理量轉(zhuǎn)換成電信號，人們對電信號做出進一步的分析和處理。學(xué)生應(yīng)該了解基本傳感器的概念，并且應(yīng)該了解基本傳感器的組成，了解物理量轉(zhuǎn)換成電信號的器件。數(shù)字化實驗室應(yīng)該包含制作傳感器的內(nèi)容。將傳感器化整為零，放大，讓學(xué)生從多種傳感器件中選擇制作不同的傳感器。如制作光電傳感器，既可以用光電池，也可以用光電二極管，既可以根據(jù)光強變化制作，也可以根據(jù)遮擋的距離做計數(shù)器，根據(jù)實驗的不同，傳感器所放置的位置和要求有所不同，從而培養(yǎng)學(xué)生對現(xiàn)代科技方法的認識，獨立設(shè)計實驗的能力。

在新課改培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的教學(xué)目標要求下，我們應(yīng)該了解數(shù)字化實驗的內(nèi)涵，理智的看待目前數(shù)字化實驗室的流行，把有限的資金投在有效的地方，將數(shù)字化實驗和傳統(tǒng)實驗結(jié)合起來，為學(xué)生提供更加寬泛的實驗領(lǐng)域，培養(yǎng)學(xué)生的探究創(chuàng)新能力和綜合信息的處理能力。