淺議利用數字化信息系統改進 高中物理實驗教學的方法

摘?要：實驗教學是高中物理教學的重點和難點，也是落實物理學科核心素養的重要環節。按照傳統物理實驗教學方式，在具體物理實驗過程中，數據的觀察和統計都比較困難。在現代化教育技術發展的背景下，為了更好地開展高中物理實驗教學，利用數字化信息系統改進高中物理實驗教學成為一種必然趨勢。利用專業的物理實驗傳感器，可以讓學生在物理教學的過程中更直觀、更真實地了解物理的數據以及某些較為抽象的原理與公式。

關鍵詞：高中物理;數字化信息系統實驗室;實驗教學

一、 基于核心素養下高中物理實驗教學的分析

物理是一門非常注重實驗的學科，實驗教學是高中物理教學中最為重要的內容之一。尤其是新高考背景下，高中物理核心素養的提出，要求高中生具備科學探究精神和能力，實驗教學的地位進一步提升。從高中物理教學本身來講，采用傳感器來進行物理實驗，可以提高效率，改善實驗效果，使測量結果更加精準，更容易歸納得出實驗結論，這是直接的作用。從現實的高考試題角度來講，越來越多的考題涉及物理實驗的設計、分析與計算，為了讓學生取得更好的成績，順利進入滿意的高等院校深造，也需要加強對于實驗的教學和指導。

高中物理實驗教學中傳統的物理實驗教學模式存在效率低，不夠精確的問題。在這樣的情況下，利用傳感器對高中物理實驗教學進行改善，就成為一種必然的選擇。利用傳感器改進高中物理實驗教學，通常會涉及數字化信息系統實驗室（Digital information system，簡稱DIS lab）的建設和使用，傳感器是其中重要的一環，主要負責實驗原始變量的感應和傳遞，此外還包括數據采集器、電腦終端以及相關軟件等。這是現代教育技術發展應用于物理實驗教學的必然結果，也是為了更好地促進高中物理實驗教學發展的內在需求。

高中物理實驗教學中的內容難度大，涉及的物理知識和原理也比較抽象，例如力、位移、電流、電壓等。在傳統的實驗教學方式中，通常采用彈簧測力計、刻度尺、電流表、電壓表等一起進行測量，實驗結果通常需要花費大量時間和精力去觀察、收集和整理，這就使得物理教學過程的設計和開展比較麻煩，效率低下。同時由于物理實驗環境、儀器精度等因素影響，物理實驗數據準確度不高，實驗現象不明顯。如果采用數字化信息系統實驗室來進行數據收集、傳輸、統計和分析，不僅精確度高，而是速度快，效果明顯。從長遠來講，在以后的物理研究和學習中，應用傳感器的需求會越來越多，提前讓高中生熟悉傳感器的應用很有必要。

二、 數字化信息系統實驗室對于高中物理實驗教學的基本應用

（一）改進高中物理靜摩擦力教學實驗

在高中物理實驗教學中，一些條件較好的學校，都會建立數字化信息系統實驗室，師生可以利用實驗室里面的專業實驗傳感器進行物理實驗。比如說，力學是高中物理重點內容之一，關于力的具體測量和分析，是高中物理實驗教學的重要內容之一。以人教版（必修1）高中物理教材為例，一個涉及“靜摩擦力測量”的演示實驗。按照傳統實驗方法進行測量的話，就是利用彈簧測力計來進行靜摩擦力的測量，實驗效果并不明顯，學生無法獲得直觀的實驗感受。

如果轉換一下思維，運用數字化信息系統實驗室來進行實驗就完全不一樣了。利用數字化信息系統實驗室進行實驗，不再需要彈簧測力計，而是采用力學傳感器、數據采集器、傳感器軟件、電腦（可以直接在電腦軟件展示，也可以使用跟電腦連接的電腦白板上展示）。具體實驗過程和方法還是類似的，只不過將彈簧測力計換成了力學傳感器。在實驗開始之前，需要先對傳感器、數據采集器、電腦軟件等進行調試，確保各項實驗工具都處于正常工作狀態。

實驗分兩次進行：

第一次：在木板上放置兩個砝碼，然后利用傳感器拉動木塊，拉動過程中，拉力方向注意要與平面保持平行，木塊拉動之后，盡量保持用力均衡，讓木塊大致處于勻速運動狀態，這樣就會在電腦中的力學傳感器軟件上出現對應的力學圖像（圖1）。

第二次：在木板上放置四個砝碼，其余實驗過程同上，得到新的力學圖像（圖2）。

原本較難觀察和測量的靜摩擦力，通過傳感器和數據采集器，直接將數據傳送到電腦對應的軟件上，以非常清晰和直觀的方式將靜摩擦力和滑動摩擦力展示出來了。通過觀察上述兩個圖，就可以清楚地看到，最大靜摩擦力與正壓力有關，正壓力越大，最大靜摩擦力越大，并且最大靜摩擦力大于滑動摩擦力。

（二）改進作用力和反作用力的演示實驗

高中力學學習牛頓第三定律，主要是作用力和反作用力以及力的平衡。這是傳統力學最為基礎的內容之一，也是重要的演示實驗內容。在沒有經過科學論證和分析的時候，一些人會根據自己的“直觀感受”認為作用力要大于反作用力。但實際上，作用力和反作用力大小相等。

如果按照傳統實驗演示方式，通常是用兩只彈簧測力計掛鉤相互鉤住，然后通過兩個步驟來測試，通過觀察彈簧拉力計讀數來觀察作用力和反作用力。

第一個步驟，兩個學生分別同時沿著相反方向拉動互相勾連的彈簧測力計，拉力同時從大到小，或者同時從小到大，讓學生觀察彈簧拉力計的讀數。

第二個步驟，一個學生拉動彈簧測力計，一個學生不動，在這個過程中觀察兩個彈簧拉力計的讀數，然后交換進行這一步驟。

上述實驗過程中，拉動的過程沿著水平方向進行。

按照這種實驗演示方式，通常可以觀察到在學生拉動彈簧測力計的過程中，不管是兩個學生同時沿著相反方向同時拉動，還是一個不動，另一個學生拉動，彈簧測力計的讀數大小和變化規律基本上是一致的。

不過按照傳統實驗有個缺點，第一，觀察現象不明顯。彈簧測力計讀數比較小，而且實驗演示過程中，只有極少數在旁邊的學生可以看清讀數，學生數量多的話，很難看清。第二，實驗不精準，在實驗過程中，因為彈簧拉力計的本身存在差異以及操作者的實驗控制等，實驗過程數據不夠精準。

為了解決這個問題，就可以使用基于數字化信息系統實驗室的實驗方式，利用傳感器，可以大大簡化實驗過程，得到更好的實驗效果。

首先，將傳感器和數據采集器連接并調試好，確保其處于正常工作狀態。

其次，打開配套的力學傳感器軟件，進入對應的實驗界面。

再次，將兩個傳感器分別和兩個彈簧測力計連接，然后點擊實驗軟件進行實驗過程記錄，然后可以任意改變力的大小，并保存記錄。

最后，反復測試不同運動狀態下力學傳感器的情況并記錄。

這種實驗的好處就在于，在設備調試好的情況下，一個學生就可以雙手操作這個力學實驗，并且通過傳感器和數據采集器，作用力和反作用力的變化實時通過在軟件上呈現出來（圖3）。所有的學生都可以清晰看到作用力和反作用力的對應變化曲線。

從圖3中可以清晰看到，作用力和反作用力基本上保持大小和變化曲線一致，力的大小和變化趨勢呈現軸對稱狀態，這就說明：作用力和反作用力大小相等，方向相反，作用在同一條直線上，并且變化趨勢基本一致。

（三）改進高中物理實驗教學其他方面的應用

利用數字化信息系統實驗室對于實驗的計算方面也可以起到很大的輔助作用。在探究向心力與質量、半徑、角速度的實驗中，探究合外力、加速度、質量間的關系實驗中等等，都是利用控制變量法。我們可以在系統中先預設一些固定的不變量，傳感器采集變量數據，應用軟件畫出相關物理量的圖像，甚至可以通過二次擬合，非常直觀清晰地得出物理實驗規律。

利用數字化信息系統實驗室除了對于演示實驗有很大幫助外，對于分組實驗也應用廣泛。如探究彈簧彈力與彈簧形變量間的關系實驗、電學實驗中、驗證動量守恒實驗等等，學生利用傳感器既能培養學生的科學思維，也能通過科學探究，培養學生的科學態度與責任，充分展示學生的主體地位和作用，更是學生創新能力培養的重要方法和手段。

三、 總結與分析

通過前面分析我們可以看到，利用數字化信息系統實驗室，可以將一些傳統物理實驗教學中的數據直接利用信息化方式進行測量和記錄，然后利用計算機軟件分析實驗數據，得出實驗結果。這種方式效率高，精確度高，而且更加直觀和具體，學生更容易接受相關的實驗規律。也能夠促使教師研究數字實驗系統對于傳統實驗的改進方法，研究數字實驗系統的教學方式，促進教學手段與方式的現代化進步。

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作者簡介：

孫科，福建省莆田市，莆田哲理中學。