淺析數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用原則

倪亞清

（無(wú)錫市第一中學(xué)，江蘇 無(wú)錫 214031）

數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要有傳感器、數(shù)字采集器及配套軟件組成，配合一般電腦即可使用.因?yàn)榫哂衅渥陨愍?dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，所以它為高中物理教學(xué)特別是實(shí)驗(yàn)教學(xué)注入了活力.數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為一個(gè)新的教育教學(xué)手段，要研究其在物理教學(xué)中策略.對(duì)于數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)首先要辨別某實(shí)驗(yàn)是否適合采用數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)，然后對(duì)于明確運(yùn)用數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的物理實(shí)驗(yàn)，要思考應(yīng)遵循什么樣的基本原則，在面廣量大的高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，如何合理有效地使用這套系統(tǒng)呢？

1 以改進(jìn)教學(xué)方式實(shí)施為原則

對(duì)數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用，不是為用而用，不是用了沒(méi)有，用的熟練程度怎么樣，而是有沒(méi)有提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，有沒(méi)有增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力.因此在物理教學(xué)中使用數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)要注意改變傳統(tǒng)的教學(xué)方式，變單一的、被動(dòng)的講授為以自主、探究、合作為主的教學(xué)方式.

案例1：在高中物理選修（3-3）的“氣體的等溫變化”一節(jié)內(nèi)容的教學(xué)中，借助于數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)，通過(guò)同學(xué)之間的配合完成，一個(gè)操作注射器，一個(gè)操作計(jì)算機(jī)讀記數(shù)據(jù)，做完一次以后兩人輪換.讓學(xué)生親自在探究的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，在這方面數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的傳感器精確度比較高，測(cè)量范圍比較廣泛，易于進(jìn)行定量測(cè)量.另外數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所具有的函數(shù)圖像處理功能，能直觀地揭示出相關(guān)物理量之間的關(guān)系.觀察可見，數(shù)據(jù)點(diǎn)的排列具有明顯的雙曲線特征.點(diǎn)擊“擬合”，選取“反比擬合”，得到一條擬合圖線（如圖1），該圖線與數(shù)據(jù)點(diǎn)完全重合，證明了事先關(guān)于壓強(qiáng)與體積成反比的猜測(cè)，讓他們體會(huì)到發(fā)現(xiàn)科學(xué)知識(shí)歷程的艱辛和成功的喜悅，小組學(xué)生之間在探究的過(guò)程中學(xué)會(huì)合作和交流，從而更有效地培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

圖1

其次，運(yùn)用數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還應(yīng)考慮在物理教學(xué)中使用數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與不使用數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的區(qū)別何在？也就是說(shuō)數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的獨(dú)特教育價(jià)值是什么？在案例1中，若不做實(shí)驗(yàn)，硬性向?qū)W生灌輸知識(shí)，則違背新課程教學(xué)理念，教學(xué)效果也不會(huì)好.假如采用傳統(tǒng)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)器材，操作麻煩且測(cè)量壓強(qiáng)時(shí)誤差極大，實(shí)驗(yàn)效果差.因此在物理教學(xué)中使用數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)要堅(jiān)持貫徹“優(yōu)化教學(xué)方式”的思想以及“重感悟”的教學(xué)理念，引導(dǎo)學(xué)生高效學(xué)習(xí)，充分發(fā)揮其在探究性學(xué)習(xí)中的優(yōu)勢(shì)，大膽放手讓學(xué)生去嘗試、操作，真正實(shí)現(xiàn)提高學(xué)生素質(zhì)的目標(biāo).

2 以堅(jiān)持推陳出新為原則

運(yùn)用數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并不意味著拋棄傳統(tǒng)教學(xué)中的優(yōu)秀思想、方法、載體.傳統(tǒng)教學(xué)中也重視基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，也重視物理實(shí)驗(yàn).有了數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并不意味著要放棄原有媒介、手段與技術(shù)，數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的出現(xiàn)是為師生提供了一個(gè)新的使用環(huán)境，開拓了新的領(lǐng)域.傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)中有許多好的實(shí)驗(yàn)，好的思想和方法，要繼承、發(fā)展，二者的使用要綜合考慮、優(yōu)化組合.

案例2：存在已久、現(xiàn)仍然廣泛使用并被普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理》選修（3-2）等教材引用的自感現(xiàn)象演示器用圖2兩個(gè)電路分別演示通電和斷電自感現(xiàn)象，效果尚可，但這種演示方法存在如下遺憾：用兩個(gè)電路分別演示通電和斷電自感現(xiàn)象，這種演示方法會(huì)使學(xué)生形成一個(gè)電路只出現(xiàn)一種自感現(xiàn)象的錯(cuò)覺，不能準(zhǔn)確地表現(xiàn)客觀事實(shí).顯示器件燈泡的亮度不與電流的大小成正比而不能正確反映電流的大小和變化，當(dāng)然也不能指示電流方向，學(xué)生所觀察到的不是完整的自感現(xiàn)象.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，用電流傳感器可以清楚地演示自感對(duì)電路中電流的影響，不必用兩個(gè)燈泡做對(duì)比. 電流傳感器的作用相當(dāng)于一個(gè)電流表，但它與電流表的一個(gè)重要區(qū)別在于，電流傳感器與計(jì)算機(jī)相結(jié)合能夠即時(shí)反映電流的迅速變化，并能在屏幕上顯示電流隨時(shí)間變化的圖像，對(duì)圖2傳統(tǒng)的自感現(xiàn)象的研究裝置略作改造按圖3連接電路，AB處接電流傳感器，CD處用導(dǎo)線直接相連.（1）從在數(shù)字采集器上接入電流傳感器，（2）將電流傳感器的輸入端接在圖3AB處，操作后就可以觀察到線圈L中電流隨時(shí)間變化的波形圖，如圖4所示.由圖可知，AB支路中由于線圈L的存在，當(dāng)電流增加時(shí)產(chǎn)生了自感電動(dòng)勢(shì)，阻礙電流增加，電流只能逐漸增加到某一值，演示了通電自感現(xiàn)象.

圖2

圖3

圖4

演示斷電自感，先觀察AB支路中電流變化，仍然按圖3連接電路，AB處接電流傳感器，CD處用導(dǎo)線直接相連重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，此時(shí)就可以觀察到線圈L中電流隨時(shí)間變化的波形圖，如圖5所示.

圖5

再按圖3連接電路，CD處接電流傳感器，AB處用導(dǎo)線直接相連，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，此時(shí)就可以觀察到電阻R中電流隨時(shí)間變化的波形圖，電阻R中電流方向在斷開開關(guān)S前后相反，如圖6所示.

圖6

用數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)演示自感現(xiàn)象既有傳統(tǒng)演示手段的身影，又有不可替代的優(yōu)越性，用一個(gè)電路演示通電、斷電自感現(xiàn)象，用電流－時(shí)間圖像來(lái)表示電路中電流隨時(shí)間的瞬時(shí)變化規(guī)律，準(zhǔn)確、全面、深刻地反映了自感現(xiàn)象的全過(guò)程，學(xué)生能充分體驗(yàn)自感電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流變化的阻礙作用，若將電腦界面投影到大屏幕上則更加形象直觀，可見度好，將起到意想不到的效果.

3 以數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)的多元開發(fā)為原則

物理學(xué)的發(fā)展過(guò)程，就是人類認(rèn)識(shí)自然、探索宇宙奧秘的過(guò)程.借助于望遠(yuǎn)鏡，人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)了宇宙天體；借助于高能粒子對(duì)撞機(jī)，進(jìn)入了原子核內(nèi)部，人們對(duì)微觀世界的了解更加深入.每一次工具的革新，都使人們的認(rèn)知領(lǐng)域大大拓展.在中學(xué)物理教學(xué)中，數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)必將成為學(xué)生探究未知、實(shí)踐驗(yàn)證的新式武器.將數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行多元開發(fā)，意味著不能僅僅運(yùn)用數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)完成教學(xué)任務(wù)，而應(yīng)該還考慮到除此之外，還能進(jìn)行哪些拓展性實(shí)驗(yàn)，開拓學(xué)生的視野，以培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和創(chuàng)新意識(shí)將數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行多元開發(fā)，意味著不是偶爾為之，而是要與物理課程充分整合，使運(yùn)用數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)成為物理教學(xué)的一種常態(tài)，成為為學(xué)生提供經(jīng)歷和體驗(yàn)，為教學(xué)者實(shí)現(xiàn)探究教學(xué)活動(dòng)、提高課堂教學(xué)效率、培養(yǎng)學(xué)生獲取信息、處理信息的能力提供有力支持的新工具.

圖7

數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為探究性實(shí)驗(yàn)研究提供了方便.除了數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)本身提供的示范案例之外，教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)的實(shí)際需要，開發(fā)有效的探究案例，特別是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置很難做到或根本做不到的探究性實(shí)驗(yàn)，數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)突顯出其自身的優(yōu)勢(shì)，案例3即是一個(gè)實(shí)例，因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)傳統(tǒng)教學(xué)中需要雙蹤示波器，只能做到教師的演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生無(wú)法開展親身的探究性活動(dòng).

以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)是物理教學(xué)的基本特征，物理實(shí)驗(yàn)對(duì)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、啟迪學(xué)生思維、培養(yǎng)科學(xué)方法和創(chuàng)新精神均能產(chǎn)生積極有效的作用.合理選用數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)讓學(xué)生親身體驗(yàn)物理實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，使物理創(chuàng)新式的學(xué)習(xí)過(guò)程成為一種“活、樂(lè)、動(dòng)”的過(guò)程，讓學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、萌發(fā)思想、形思路、尋找方法、獲得新的知識(shí)和技能，才符合數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)者的初衷和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的方向.

1 馮容士，張?jiān)?上海市DIS物理實(shí)驗(yàn)的研究與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)匯編［M］.上海：上海市教育委員會(huì)教學(xué)研究室，2006.

2 蔡鋼.用 DIS改變物理教學(xué)［J］.物理教學(xué)，2006（9）.

3 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理教師培訓(xùn)手冊(cè)》［M］.北京：人民教育出版社，2007.