讓數字化實驗成為優化物理課堂教學的有效途徑

摘 要：物理實驗在物理教學中發揮了重要的作用，但傳統的物理實驗手段存在諸多缺陷，無法很好體現課程改革的理念。本文依托實例，從整合傳統實驗和數字化實驗、創新實驗方法、設計數字化實驗訓練等三個角度闡述了實施數字化實驗教學的途徑，并指出了實施過程中應注意的幾個問題。

關鍵詞:數字化實驗； 中學物理教學

中圖分類號：G633．7 文獻標識碼：A 文章編號：1006-3315（2011）8-020-002

一、課程改革呼喚數字化實驗

眾所周知，我國目前正轟轟烈烈地進行中小學課程改革。課程改革的核心理念，就是要強化學生的自主探究性學習，讓學生通過自主探究性學習，掌握新的知識，獲得新技能，培養科學探究的能力。因此在課程改革的新形勢下，物理教學中實驗教學的地位顯得更為重要。許多的知識、規律不再是由教材直接給出后通過教師灌輸給學生，而是要求讓學生通過探究性實驗來再發現。

毋庸置疑，實驗有著重要的教育價值，但是傳統的物理實驗的缺陷，常常使教師在教學過程中產生困惑。最主要有以下幾個方面的問題：一是傳統實驗儀器的分辨率不高，影響了探究實驗的結果。既然要求學生通過探究實驗對科學知識和規律進行再發現，那么就必須使探究實驗的結果和需再發現的規律盡可能的相符合，可是由于傳統實驗儀器的分辨率不高，導致最后得到的結果和科學規律不盡相符，教學目的無法實現；二是傳統實驗中實驗數據的記錄只能采用手工記錄，數據采樣率不高，對實驗結果的精確度影響較大，更重要的是這種傳統的數據記錄方法面對一些快速連續變化的量時往往無能為力，導致一些實驗無法完成；三是中學生分析處理數據的能力不強。傳統實驗室只能根據實驗要求采集實驗數據，但沒有自動分析處理實驗數據的功能。學生雖然在老師的指導下獲得實驗數據，但不懂如何分析和處理數據，最后還是回到由教師直接給出實驗結果的老路上，使實驗不能真正體現課程改革的理念。長此以往，學生會覺得實驗難做，實驗意義不大，嚴重影響學生的學習興趣。

如何解決這些問題呢？數字化實驗（DIS）的出現正逢其時，數字化實驗以其強大的數據采集系統和處理軟件成功的改善了一些已有的物理實驗、增加了原來不能做或者實驗現象不明顯的實驗。數字化實驗在新課程的物理教學中有著很大的舞臺，在新課程中使用數字化實驗是大勢所趨，并且在新教材中已經初顯端倪。

二、數字化實驗在教學中的實施途徑

數字化實驗憑借著自己獨有的優勢在新課程物理實驗中得到了大量應用，極大地擴展了教學實驗的內容，涉及以前教學實驗無法涉及的領域，提升了物理教學的廣度和深度，給予學生更大的學習空間，激發他們的想象力、創造力。下面筆者從三個方面具體談談DIS在物理教學中的具體應用。

1．整合傳統實驗和數字化實驗，讓物理規律更真實地展現在學生面前

簡諧運動圖像問題是選修3-4中的教學重點，教材中提供了多種獲得x-t圖像的方法，其中也包括了用傳感器描繪氣墊導軌上的彈簧振子的振動圖像。筆者感覺使用氣墊導軌進行實驗需要的實驗器材較多、較龐大，不宜在教室中進行。因此考慮用傳統的受迫振動和共振演示儀來描繪x-t圖像并進而探究受迫振動物體的運動特點。

如圖1所示：將位移傳感器的接受器固定在鐵架上，將位移傳感器的發射器連接在兩根豎直彈簧間作為振子。將振子拉離平衡位置一段距離后靜止釋放，計算機中的軟件自動記錄下振子自由振動的x-t圖像如圖2所示（縱軸為位移，橫軸為時間），由圖2可知，振子自由振動周期約為0.5s。

利用此裝置還可以研究振子受迫振動的特點。亦如圖1所示，給安裝在鐵架上方的電動機通上6-8伏的直流電，電動機驅動偏心輪轉動，通過細繩驅動振子做受迫振動，通過調節裝置中的旋鈕可以改變驅動力的頻率。圖3、圖4和圖5是驅動力周期分別約為1.1s、0.5s、0.25s時振子受迫振動穩定后的振動圖像。

從記錄的x-t圖像很明顯可以看出，當驅動力頻率增大時，受迫振動穩定后的頻率也越大，其振動頻率已與固有頻率無關。同時將三圖對比就可以看出，驅動力頻率越接近振子的固有頻率，振子受迫振動穩定后的振幅就越大。

我們從這個實例可以看出，如果能將傳統實驗和數字化實驗有機的整合在一起，即能充分利用實驗室已有的實驗器材，又能使實驗結果更具體、更直觀，也更有利學生理解和接受。

2．創新實驗方法，讓實驗結果更精確可信

法拉第電磁感應定律是電磁感應部分中的核心內容，過去我們很難通過實驗較為準確地得出這一定律，但是通過以下裝置并利用數字化實驗卻可以實現。（此法拉第電磁感應定律定量探究裝置是舟山二中余杰、曾裕兩位老師在2010年浙江省高中物理教具創新成果展評中的成果，文中引用的裝置圖片和實驗數據均來自于此，特此說明，并表感激。）

數字化實驗本身就是一種實驗記錄和處理方法的創新，如果能在實驗思想和實驗器材上同時加以創新，那么兩者更能相得益彰，對于推進實驗創新和改革是非常有益的事情。

3．依托教材設計實驗，讓數字化實驗成為實驗訓練的有效載體

在人教版物理3-1中用電阻放電法測電容的實驗中，由于實驗現象難以觀察，數據難以快速讀取記錄，圖線難以擬合等困難造成用傳統的方法很難完成。如果引入了DIS來進行實驗，對學生會有很大的吸引力，同時也可以作為實驗訓練的一道好題。我們可先用電壓傳感器測出電容器充電后電壓U，然后通過對高阻值電阻放電的方法，測出電容器充電電壓為U時，所帶的電量為Q，進而再求出待測電容器的電容C。具體實驗設計如下：

（1）按圖9所示電路連接好實驗電路，并將電壓傳感器、微電流傳感器與數據采集器和計算機連接好；

（2）接通開關S，計算機記錄下的電壓時間圖像如

圖10所示；

（3）斷開開關S，同時開始自動記錄，在計算表格中自動記錄下不同時刻的電流值，然后點擊繪圖按鈕，并選擇有效區域點擊積分。得到的結果如圖11所示。

在完成實驗后，教師可以引導學生思考以下幾個問題：

（1）根據圖10回答：電容器充電后的電壓U0為___________V；

（2）根據圖11中的電流時間圖像（縱軸的單位為μA、橫軸單位為s）和相應的積分結果可以得出該電容器兩端的電壓為U0時所帶的電量Q0約為 ___________C；

（3）該電容器的電容C約為____________F。

這樣的實驗設計既讓學生懂得了如何用高電阻放電法測電容，又掌握了處理和分析實驗數據的方法，同時又深化了對實驗的思考，對于訓練實驗思維非常有益。

三、對DIS實驗的幾點思考

作為第一線的物理教師，應該在實踐課改理念的過程中積極轉變教育觀念，不斷提高自身的素質，抓住數字化實驗與物理教學整合帶來的挑戰和機遇，積極參與數字化實驗與物理教學整合的深入研究。為了能更好地利用數字化實驗開展物理教學，教師在教學過程中應當注意以下幾個問題：

L．“共存”與“替換”

數字化實驗與傳統實驗應該同時并重，長期共存，互為補充，相輔相成，既無主次之分，更不能完全替換。在物理教學過程中既要提倡運用數字化實驗，又不能偏廢傳統實驗原理、實驗手段和實驗方法的學習。把傳統實驗和數字化實驗割裂和對立是一種非常錯誤的觀點，應該將傳統實驗和數字化實驗有機整合起來，用數字化實驗創新傳統實驗，用傳統器材作為數字化實驗的有力支撐。

2．“循序漸進”與“急于求成”

以朗威數字化信息系統實驗室為例，其提供的專用實驗有21個，提供的其他實驗實例更是多達113個，但是我們完全沒有必要大面積鋪開，將這么多的實驗都來進行一遍。教師可以先按課程標準，從基礎性、拓展性和研究性課程中挑選一部分具有代表性、典型性的數字化實驗，即可以由我們老師來操作演示，也可以在有條件的情況下讓學生做熟又不重復，適度把握好數字化實驗的容量和密度，使數字化實驗真正落到實處，成為推進有效教學的載體。

3．“工具”與“目的”

數字化實驗是一種新型實驗工具和教學手段，是物理教學的工具，它不是學生應該要掌握的知識本身，而僅僅學生學習知識的一種途徑和方法。因此，沒有必要讓學生全面掌握數字化實驗的相關器材和軟件的使用方法，一切要從學生的實際和學生的發展出發，讓現代信息技術成為優化學生學習方式，提供學習效率的有效途徑。

總之，數字化實驗能有效開辟實驗教學新天地、激發學生參與實驗的興趣、提高實驗教學直觀性、準確性和真實性。但是數字化實驗的推廣和應用需要一個漫長的過程，需要我們不斷去研究和探索。

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