物理實驗數字化教學法與傳統教學的對比研究

鄒 鵬

（河南省許昌高中，河南許昌 461000）

引 言

物理實驗是物理學的基礎，也是物理教學的重要手段，因而必須重視物理實驗教學。21世紀的教育改革提出“信息技術與課程整合”，在這種教育理念下，我們既要繼承傳統實驗教學的優秀內容，又要結合科技發展不斷升級實驗教學手段。

一、問題的提出

隨著社會與科技的進步，傳統實驗方法已經不能完全滿足現階段教育教學的需要和學生自主學習能力的需求，數字化實驗應運而生。數字化實驗是一種基于計算機的集教育與信息技術于一體的新型教學工具，由傳感器（主要包含力、位移、溫度、時間、電流、電壓等多種）、數據采集器、計算機和數字化實驗系統構成，數字化實驗系統可以模擬多種物理場景，可以用多種形式處理實驗數據[1]。

近年來各地應用數字化實驗替代傳統實驗的呼聲很高，但對兩種實驗方式能否被學生所接受的研究并不多。筆者對第18屆126名高中學生（從高一入學到進入高三的兩年內）在部分物理實驗中，使用數字化實驗方法和傳統實驗方法的情況進行了研究。

二、實驗過程

實驗過程是個體探究學習的過程，是從具體實物到抽象理論的過程。美國教育學家戴爾提出的“經驗之塔”的學習理論（圖1），將人類學習的經驗按照從具體到抽象分為三大類十個層次，并用塔形圖進行描述。

將該理論與兩種實驗方式相對照，研究學生在實驗中的學習認知過程，發現傳統實驗注重學生的全程參與動手能力，在做的經驗上效果更佳；數字化實驗以其強大的圖像展示功能，在觀察經驗上表現突出；而抽象經驗指學生分析總結的過程，是由學生參與實驗的程度以及個體思維能力差異等因素共同決定的。

圖1

三、研究方法

本研究采用問卷調查法進行實證研究，調查表的設計重點參照了新大綱中對學生實驗能力的培養要求。問卷主要調查學生對兩種實驗方式的興趣、參與意愿、對實驗的了解、針對實驗所做的準備工作等。主要問題包括：（1）你對哪種實驗方法感興趣；（2）你傾向于選擇哪種實驗方法；（3）你為什么認同所選的實驗方法；（4）你為實驗做了哪些準備。

結合戴爾的“經驗之塔”學習理論，具體調查內容包含：（1）你實際使用哪種實驗方法；（2）哪種實驗方法的展示效果好；（3）哪種實驗方法更有助于總結抽象的物理規律；（4）你為什么選擇這種實驗方法；（5）請闡述你對兩種實驗方法的認識等。

實驗前后均發放126份調查問卷，均回收有效問卷126份。

四、結果分析

1.學生興趣與實際選擇的差異

統計結果顯示，首次實驗時學生對數字化實驗感興趣的比率高達94%，實際使用數字化實驗的學生比率只有51%，后期試驗中學生對數字化實驗感興趣的比率有所下降，但使用數字化實驗的比率卻下降迅速。

該對比結果反映出學生接受新事物的興趣和能力都很強，但實際使用實驗方法的選擇受到多種因素的影響，其中包括：已經熟悉的物理實驗方法，對數字化實驗系統學習并使用的興趣與能力，出于對考試內容的思考造成的實驗方法的選擇等。其中學生反饋初中只接受過傳統實驗教學。高中教師的反饋中則顯示，高中物理實驗的考試內容正逐步變化，不僅越來越重視學生的能力的考察，而且考試內容開始涵蓋傳感器、數據處理等，但仍以傳統實驗方法為考察重點。所以學生大多數仍然選取了傳統實驗方法[2]。

2.學生對兩種實驗方法接受與使用的差異

調查中還顯示，學生對數字化實驗的方式遠沒有傳統實驗熟悉，數字化實驗中傳感器的使用，數據的處理方式等，學生要想熟練使用數字實驗系統強大的功能需要前期的多次培訓。而傳統實驗中各種儀器有其明確的用途，多數學生早已了解并能熟練使用。

同時傳統實驗注重學生動手能力的培養，而數字化實驗雖然場景和效果形象生動，但缺失了實驗操作過程。根據戴爾“經驗之塔”的學習理論，人類學習是從具體到抽象，從直接到間接的過程 ，也就是從“做的經驗”到“觀察的經驗”，最終到“抽象的經驗”的學習過程。傳統實驗遵循了這個規律，而數字化實驗則直接從“觀察的經驗”到“抽象的經驗”，忽視了基礎“做的經驗”。這都是造成學生對兩種實驗方法接受并使用存在差異的原因。

3.學生對兩種數據處理方法認同度都很高

傳統數據處理方式集數學運算、物理分析、繪圖等多種能力的訓練，數字化實驗數據處理則更為多樣化，而且方便、快速，準確率還高。可以說，傳統實驗的數據處理方式鍛煉了學生思維與動手的能力，數字化實驗的數據處理方式則拓展了實驗的寬度與廣度，訓練了學生的發散性思維。兩種數據處理方式的優點都比較明顯，調查顯示學生不僅對兩種數據處理方式的認同度都很高，而且希望兩者融合的意愿比較強烈。

4.數據中反映的其他問題

針對本次調查研究，筆者總結選擇差異的原因分為主觀與客觀兩方面。主觀原因是高中學生接受新事物的實用性與目的性更強，學生的選擇都繞不開考試與成績。因此在實驗考試的內容與模式沒有明顯改變的前提下，學生依然選擇以傳統的實驗方法為主。客觀原因則是數字化實驗中實驗環境的調試、實驗器材的選取與組裝、實驗數據的采集與分析都是由傳感器和計算機完成的，學生除了前期連接傳感器、數據采集器外，只需要緊盯電腦屏幕點擊相應的選項即可。學生沒有了親身的體驗，數據得來不再辛苦，傳統實驗中那種深切的體驗感沒有了，物理規律的記憶也就不深刻。就如同現在方便快捷的網絡閱讀一樣，閱讀的數量上去了，閱讀的質量卻在下降。

五、教學的建議

1.認清差異存在的原因

筆者認為學生對兩種實驗教學法的選擇差異是不斷進步的技術能力與多年不變的教育考試方式之間的不均衡發展造成的，隨著教育改革的不斷深入，兩者之間的不斷融合，差異也會逐漸消失。

2.揚長避短，促進實驗能力的全面發展

傳統實驗著重“做的經驗”，卻不利于拓展學生的思維。數字化實驗著重“觀察的經驗”，讓學生獲得更全面和直觀的物理信息，但忽視“做的經驗”也就失去了“經驗之塔”中的基石。只有揚長避短，充分利用兩種實驗方法的優點合理規劃實驗過程，才能使學生獲得更加深刻與全面的“抽象經驗”。

3.設計新的實驗方法，促進數字化實驗與傳統實驗的有機融合

設計新的實驗方法，在充分展現傳統實驗優勢的基礎上，增加探索性與設計性，多方位拓展實驗，引導學生充分利用數字化實驗的優點，促進數字化實驗與傳統實驗的有機融合。

[1] 竺春陽,沈敬偉.高中物理數字化實驗與傳統實驗的比較研究[J].物理教學,2013,35(05):19-22.

[2] 張海濱.淺議數字化物理實驗背景下自感現象的研究[J].數理化學習,2015,(05):4-5.