物理實驗教學的數(shù)字化探索

朱 焱

江蘇省南京市金陵中學 江蘇南京 210005

物理實驗教學的數(shù)字化探索

朱 焱

江蘇省南京市金陵中學 江蘇南京 210005

“回顧近半個世紀的物理教育改革，最重要的成就是逐步確立了現(xiàn)代物理教學觀。教學過程從強調(diào)論證知識的結(jié)論向獲取知識的科學過程轉(zhuǎn)化，從強調(diào)單純積累知識向探求知識方向轉(zhuǎn)變。重視科學過程和重視能力培養(yǎng)，構(gòu)成了現(xiàn)代物理教育的基本原則”。而物理教學中，概念的形成、規(guī)律的發(fā)現(xiàn)、理論的建立，都有賴于實驗，數(shù)字化實驗在教學中的應用正在逐步的摸索之中。

一、數(shù)字化實驗，是教學改革的產(chǎn)物也是一種方向

教材改革是國家新一輪課程改革的核心內(nèi)容之一,長期以來,我們的教材存在一些特征：重知識、結(jié)果,輕學習過程；重演繹,輕歸納；重集中思維,輕發(fā)散訓練。教材的輕重偏頗加上應試的導向，形成了以教師為主導、以知識傳授為目的、形式單一的課堂教學模式，以大量的解題訓練為基礎(chǔ)的知識強化和鞏固模式，以及以考試成績?yōu)榛鶞省⒁越忸}能力為考察對象的教育評價模式。國家新一輪課程教材改革的基點是教育理念的深度變革。尊重教育的“人本思想和科學規(guī)律”是課改教材編寫的根本要求。進而，將“知識、技能、過程、方法、情感、態(tài)度、價值觀”作為教材的三維目標寫入《課程標準》，成為教材改革的方向，也使得實驗成為了撬動傳統(tǒng)教育模式的重要杠桿。實驗，作為科學探索的基礎(chǔ)，驗證規(guī)律、強化理解，還能夠模擬科學發(fā)現(xiàn)的過程、激發(fā)探究興趣，培養(yǎng)科學精神，是實現(xiàn)三維目標的重要平臺。對實驗教學內(nèi)容、方式和方法的變革，是物理學課程改革重要渠道。

相對于傳統(tǒng)教材，課改教材中所設計的實驗，從內(nèi)容、方法到實驗要求都有了大幅提升。例如：有針對性地突出了觀察、建模、抽象、應用4個實驗環(huán)節(jié)，大量使用表格、圖線方式記錄實驗數(shù)據(jù)，展示科學規(guī)律；拓展了實驗范圍，要求師生在保證課堂實驗的基礎(chǔ)上積極開發(fā)日常生活中的小實驗；提高了實驗精度要求，促進定性實驗向定量實驗的過渡；將實驗測量、實驗驗證、實驗探究有機結(jié)合起來，強調(diào)過程分析；將實驗設計、制作和組裝、調(diào)試和操作、測量有機地結(jié)合起來，強調(diào)學生自主實驗和自主探究。而課改教材的要求與傳統(tǒng)實驗裝備之間存在一定的距離。例如：彈簧秤是中學物理實驗中最常用的測力計。其本質(zhì)是將力的測量轉(zhuǎn)化成長度（彈簧伸長）的測量，因此對讀數(shù)的要求苛刻—視線與刻度線相平，讀數(shù)（含估讀）過程也存在比較大的偶然誤差。學生實驗用彈簧秤量程一般為0～5N，最小分度值為0.1N。由于彈簧秤量程太小，學生在做實驗時很容易超量程，從而損壞彈簧秤。彈簧秤只能測量拉力不能測壓力，限制了測力計在教學上的應用。彈簧秤只能夠測量靜態(tài)力，像研究滑動摩擦力、最大靜摩擦力、超重失重這類實驗，用彈簧秤很難完成。彈簧秤的誤差一般都大于10%，而且示值誤差會隨鉤碼質(zhì)量的增大而增大。因此，彈簧秤只能完成定性或精度較低的定量實驗。如果使用彈簧秤這種傳統(tǒng)實驗工具完成課改教材實驗，很難達到教材的基本要求。可見，一種實驗手段的落后，足以影響課改的大局。

二、傳感器的應用推進了實驗數(shù)字化的進程

實驗傳感器應運而生,它是一類電子器件的統(tǒng)稱。其功能首先在于“感”,即可將距離、速度、力、熱、聲、光、電、磁乃至酸堿度、電導率、氣體含量等多種變化量轉(zhuǎn)換成電信號,以電信號的變化體現(xiàn)對外界變化量的感知；其次在于“傳”,電信號可被放大、轉(zhuǎn)換、傳輸、編碼、讀取,可以通過數(shù)碼管顯示,也當然能夠被“無所不能”的計算機加以處理。微電子工業(yè)的發(fā)展和各行業(yè)自動化的需求,已使得傳感器家族空前龐大,功能日益完善。研究發(fā)現(xiàn)：如果使用傳感器替代彈簧秤來測量實驗中的力,不僅可以得到高精度、高分辨率的靜態(tài)力的數(shù)值,更能夠通過計算機控制下的連續(xù)采集獲得動態(tài)力的數(shù)值。以此為基礎(chǔ),就可以用計算機繪出反映力的變化過程的圖線,彈簧秤造成的諸多限制都被克服。依此類推,各種實驗數(shù)據(jù)都可以用“示波器”的形式表現(xiàn)出來。因此,隨著課改的啟動和新教材的推廣,傳統(tǒng)的實驗室裝備體系不得不進行改造和升級。而實驗的數(shù)字化，則是改造和升級的方向之一。

“傳感器＋計算機”構(gòu)成了數(shù)字化實驗（DIS）的基本模式。

DIS實驗具有：高精度、高密度、多模式、實時性的特征,不僅可做“點測量”，還能夠支持連續(xù)測量；DIS實現(xiàn)了動態(tài)位移實時測量、受力狀況實時測量、磁感應強度測量、聲波測量、微小信號測量、多數(shù)據(jù)并行測量等，并顯著提高了實驗精度和質(zhì)量，能夠完成傳統(tǒng)實驗裝置很難完成的實驗，還可以設計出很多借助傳統(tǒng)實驗裝置想做而做不好的實驗。如：使用位移傳感器測量自由落體的加速度，使用溫度和壓強傳感器進行查理定律實驗，使用力傳感器測量單導線切割磁力線的感生電流，使用磁傳感器測量單導線直線電流的磁場等。這種傳統(tǒng)和現(xiàn)代的融合、滲透、支撐猶如為實驗添上了雙翼。

實驗例一：使用力傳感器描繪簡諧振動圖線

簡諧振動圖線的描繪歷來是一個難題。傳統(tǒng)實驗方案之中，就有使用單擺加沙漏，在勻速拖動的紙帶上撒沙子描圖的“土”辦法。DIS的位移傳感器可作為繪制簡諧振動圖線（S-t圖）的有力工具(見《實驗實例》)。但殊不知拋開位移傳感器，力傳感器同樣具備描繪簡諧振動圖線（F-t圖）的功能。原因很簡單：任何簡諧振動都是一個復雜的綜合體，一般都包含著力、位移甚至角位移的周期變化。將其中的任何一個因素單抽出來，其“物理量－時間”關(guān)系圖線都具備簡諧振動的特征。

在這個實驗中，只要將DIS力傳感器如圖1所示固定，在其測鉤下方掛上彈簧和鉤碼，令鉤碼做簡諧振動，就可以得到反映簡諧振動過程的“F-t”圖線，如圖2所示。由于我們已經(jīng)證明了在這個實驗中彈簧受力與振子位移的同相性，所以“F-t”圖線可以等效替代“S-t”圖線。由此，學生領(lǐng)會到了科學研究的殊途同歸，并學會了基于全面的分析選擇適當?shù)难芯糠椒ǖ募记伞?/p>

圖1 用力傳感器描繪簡諧振動圖像

圖2 力傳感器描繪出的簡諧振動圖像

實驗例二：用磁傳感器測轉(zhuǎn)速

說起轉(zhuǎn)速測量，首先想到的工具是光電門等計時、計數(shù)裝置。但基于DIS磁感強度傳感器，可以設計出一個用磁傳感器測轉(zhuǎn)速的創(chuàng)新實驗，原理簡單、設計新穎，而且與很多汽車的轉(zhuǎn)速表結(jié)構(gòu)相符，令人大受啟發(fā)。所獲得的“磁感應強度－時間”圖線清晰地展現(xiàn)了放磁鐵的轉(zhuǎn)盤逐漸減速的過程，如圖3所示。

圖3 用磁傳感器測量轉(zhuǎn)速實驗裝置及實驗結(jié)果

DIS傳感器、計算機對實驗數(shù)據(jù)的采集和處理進行了改進和優(yōu)化，不僅對傳統(tǒng)實驗形成了很好的兼容，也為實驗的研究和開發(fā)提供了技術(shù)支持。同時，相應開發(fā)的配套實驗輔件也大大改善了實驗的效果，提升了實驗質(zhì)量，例如向心力實驗器，如圖4所示。機械能守恒實驗器，如圖5所示。力的分解合成實驗器，如圖6所示。

圖4

圖5

圖6

實驗例三：向心力研究

1.實驗目的：研究向心力與質(zhì)量、半徑和角速度的關(guān)系

2.實驗原理：F=mω2r

3.實驗過程與數(shù)據(jù)分析

(1)將光電門傳感器和力傳感器分別接入數(shù)據(jù)采集器，按實驗裝置圖把兩個傳感器固定在向心力實驗器上，對力傳感器調(diào)零。

(2)打開DIS通用軟件“計算表格”窗口，點擊“開始”，轉(zhuǎn)動實驗器的懸臂，記錄F、t數(shù)據(jù)，如圖7所示。

圖7 實驗數(shù)據(jù)

(3)點擊“公式”，輸入計算線速度和角速度的公式。

(4)點擊“繪圖”，選取X軸為“ω”，Y軸為“F2”，得到數(shù)據(jù)點在坐標系內(nèi)的分布圖，如圖8所示。

圖8 實驗數(shù)據(jù)點分布圖

(5)觀察可見：數(shù)據(jù)點的分布具有明顯拋物線（二次曲線）特征。點擊“二次多項式”擬合，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)點與擬合線基本重合，驗證了事先的猜想，說明F與ω之間系二次方關(guān)系，如圖9所示。

圖9 二次擬合

(6)在數(shù)據(jù)表格中，輸入計算角速度平方的公式，點擊“繪圖”，選取X軸為“角速度平方”，Y軸為“F2”，得到數(shù)據(jù)點在坐標系內(nèi)的分布圖，點擊“線性擬合”，擬合曲線為過原點的直線，如圖10所示，說明向心力與角速度平方成正比。

(7)改變砝碼的轉(zhuǎn)動半徑，重復上述步驟，得到另一條實驗曲線，如圖11所示，用軟件“顯示坐標”功能，比較ω相同時兩條曲線F的大小。

圖10 向心力與角速度的平方關(guān)系

圖11 半徑不同的向心力圖線

(8)重新設置砝碼的轉(zhuǎn)動半徑為m，更換砝碼的質(zhì)量，獲得兩條實驗曲線，如圖12所示，軟件“顯示坐標”功能，比較ω相同時兩條曲線F的大小。

圖12 質(zhì)量不同的向心力圖線

(9)根據(jù)上述結(jié)果，總結(jié)F與ω，m之間的關(guān)系。除了完成上述實驗要求外，通過自行輸入相應的計算公式，向心加速度等拓展型實驗也可以輕松完成。

三、數(shù)字化實驗對課堂教學產(chǎn)生了深遠的影響

1.數(shù)字化實驗對學生學習的影響

(1)擴展了學生學習內(nèi)容的深度和廣度

傳統(tǒng)實驗內(nèi)容的繁瑣以及程序的機械一定程度上對學生的思維發(fā)展構(gòu)成了障礙，限制了學生鉆研的深度和廣度，而DIS實驗系統(tǒng)具有測量范圍廣、測量精度高的特點，為學生深入研究問題提供了可能。同時，由于數(shù)字化實驗測量精確快速、操作簡便靈活，使得學生擺脫了繁瑣的計算過程，能夠比較容易發(fā)現(xiàn)或者驗證各種數(shù)量之間的數(shù)學關(guān)系，從而將更多的時間、精力用于研究和掌握物理學、化學、生物學的知識規(guī)律。尤其是利用數(shù)字化實驗系統(tǒng)，很多實驗可以由學生自行設計、選材、完成，從而培養(yǎng)了學生探究的意識和創(chuàng)新的能力。

(2)促進了學生學習方式的變革

學生由被動地進行知識接受和歸納變?yōu)橹鲃拥靥骄恐R形成過程，符合學生思維發(fā)展的規(guī)律，數(shù)字化實驗可以實時動態(tài)地采集實驗信息，能全面而準確地把握實驗進程，較小的誤差，也使物理、化學、生物學規(guī)律的發(fā)現(xiàn)或者驗證更具有嚴謹性和可信度。同時，數(shù)字化實驗教學使教師能夠用創(chuàng)造性地教帶動學生創(chuàng)造性地學。學生利用數(shù)字化實驗設備可以最大限度地向傳統(tǒng)經(jīng)驗和權(quán)威挑戰(zhàn)，利用數(shù)字化實驗設備創(chuàng)設情景，讓學生充滿對周圍事物關(guān)心的激情，促進學生創(chuàng)造性思維的發(fā)展。

(3)加速了學生“學力”的增長

數(shù)字化實驗教學以學生為本，在培養(yǎng)學生的學力（學習動力、學習毅力、學習能力和學習創(chuàng)新力的總和）上發(fā)揮著重要的作用。有效地培養(yǎng)學生在數(shù)字處理過程中的計算、作圖能力以及數(shù)形結(jié)合、歸納結(jié)論的能力；培養(yǎng)學生獨立設計實驗及合作學習的意識以及創(chuàng)新能力；培養(yǎng)了學生實際動手觀察，大膽聯(lián)想和合理猜測的能力（函數(shù)模擬功能）；也培養(yǎng)了學生正確選擇、使用實驗儀器和實驗操作的能力。顯然，數(shù)字化實驗教學能夠有機地把學習力的構(gòu)成要件有機地整合起來，加速學生學力的增長。

2.數(shù)字化實驗對教師教學的影響

(1)有效地整合了三維教學目標

新一輪課程改革就物理、化學和生物學科而言，都緊緊地聯(lián)系著實驗。在這場課程改革中，最基本的理念是提倡“以學生為本”，旨在培養(yǎng)全體學生終生發(fā)展的興趣和能力，提高全體學生的科學素質(zhì)。新課程標準理念改變了理科實驗教學的目標、性質(zhì)和模式，即從單純?yōu)榱藢W習知識，驗證理論，學習操作技能，轉(zhuǎn)變?yōu)橐匀娴嘏囵B(yǎng)學生科學素質(zhì)為目標的課程，提出了“知識與技能，過程與方法，情感態(tài)度與價值觀”相互統(tǒng)一的三維教學目標。并將“科學探究”作為改變學生學習方式的突破口，強調(diào)科學探究是重要的學習活動。數(shù)字化實驗教學創(chuàng)設了一種學習環(huán)境和探究情景，有意識地讓學生在實踐活動中感知、感悟和體驗，進而上升至智慧和理性認識，逐漸培養(yǎng)解決實際問題的思路、方法和能力。做到有目的地研究開發(fā)和利用各種資源設備，以滿足學生探究性學習的需要，培養(yǎng)學生主動參與、樂于科學探究、勤于動手的習慣，從而培養(yǎng)學生的科學探究能力，實事求是的科學態(tài)度和敢于創(chuàng)新的探索精神。

(2)為教師的創(chuàng)造性教學提供了廣泛的空間和內(nèi)容

數(shù)字化實驗教學系統(tǒng)能為教師拓展更為豐富的教學內(nèi)容，提高了教學的靈活性；教師可以創(chuàng)造性的設計教學素材和教學方法，激起學生學習的熱情和興趣；教師還可以突破時空的限制，為學生在課外合作學習提供探究的平臺；利用數(shù)字化實驗系統(tǒng)教師可以更加規(guī)范和高效的進行課堂教學，嚴謹有序的開展學科實驗，有利于培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W素養(yǎng)，也為教師的專業(yè)化發(fā)展提供了重要技術(shù)支撐和真實有效的素材。同時，數(shù)字化實驗室為學生開展課題研究和研究性學習提供平臺和活動空間。

朱焱，本科，高級教師。