數字化實驗在高中物理教學中的應用探析

金偉

【內容摘要】隨著我國教育行業的日漸發展，高中新課程的改革與推進，我國高中物理教學內容不僅發生了改變，教學方法、學生的學習方式也有所改變。在高中物理教學過程中應用數字化實驗能夠彌補傳統物理實驗教學中的不足，實現了新時代背景下物理實驗教學的數字化、動態化，將實驗數據能夠充分捕捉和展現，這對于高中學生而言能夠更加直觀地了解實驗的概念和規律，有利于提升高中學生的圖形認知能力，也有利于完善高中物理實驗的量化研究。筆者將結合實踐教學經驗分析數字化實驗在高中物理教學中的作用并對其應用做出探究。

【關鍵詞】數字化實驗 高中 物理教學

物理作為我國高中教育階段中重要課程之一，物理實驗作為高中物理教學的基礎，其教學方式、教學模式深受學生、家長、學校的關注。隨著我國科技技術的進步，數字化實驗逐漸走進高中物理教學課堂，數字化實驗系統的應用幫助物理實驗更具便捷性、精準性、時效性，同時也讓學生更加直觀地了解到實驗數據、實驗結果，對高中物理課堂教學有著很大的幫助。

一、數字化實驗概述

（一）數字化實驗概念

數字化實驗室（DIS）是由傳感器、計算機、數據采集器以及相關數據處理軟件所構成的集測量、采集、數據處理等組成的實驗室。數字化實驗室是現代化信息技術與傳統實驗課程相結合的新興產物。以計算機實時數據采集和計算機信息處理軟件的建模和圖像分析技術為載體開展高中物理實驗探究教學是現代化高中物理教學課堂走向現代化，提升高中物理實驗檔次實現高中物理教學與國際接軌的有效路徑。

（二）數字化實驗在高中物理教學中的應用優勢

1.實驗過程“可視化”

高中物理實驗中空間上細微的變化讓人難以捕捉，所以為了捕捉細小的變化高中物理教師會在實驗課堂上借助顯微鏡。但是顯微鏡無法在時間上進行細節對數據進行捕捉，所以針對碰撞過程實驗或者放電電流實驗，高中物理教師一般只能用多媒體軟件模擬演示或者定性講述。數字化實驗在高中物理實驗教學中運用便能夠有效突破這個實驗難點，通過與計算機連接的傳感器進行數據的實時采集和記錄。自動記錄替代了傳統物理實驗中實驗者手、眼、紙和筆的記錄方式，實現了數據記錄的連續性和實驗瞬間變化的“可視化”。例如在失重教學實驗中引入傳感器技術能夠在短時期內清晰地記錄壓力隨時間變化而變化的圖像，便于實驗后總結超重和失重現象的條件與特點，有利于實驗后的歸納和總結。

2.實驗設計“重點化”

數字化實驗由傳感器、數據采集器代替實驗者的手和眼進行數據的讀取和記錄，能夠實現實時統計、實時處理和實時分析的實驗過程，幫助高中學生擺脫了煩瑣的計算過程，能夠將實驗數據的變化過程通過“待測物理量→時間”的圖像進行直接顯現，能夠幫助實驗者直觀地觀測出物理量之間的變化。傳統的高中物理實驗模式會因為手工作圖的不精準而導致實驗失敗，數字化實驗的引入能夠有效規避這個問題，能夠讓學生將重點放在實驗設計、實驗探究、實驗分析上，從而幫助學生通過實驗更好地理解實驗概念，掌握實驗規律。

3.數據采集“智能化”

數據采集的“智能化”具體表現在“自動化”“實時化”“并行化”“定量化”四個方面。數據采集器可以自動將實驗過程中的物理量變化進行記錄并保存在數據文檔之中，并且由于數據采集器的及時記錄，可以附加一些器材，通過實驗的回控幫助實驗操作過程實現“自動化”;DIS實驗數據搜集迅速、數據傳輸迅速、數據儲存迅速、數據顯示迅速等實現了數據變化過程與實驗過程的同步，所以數字化實驗具備“實時化”特點;數據采集器能夠接入四只相同傳感器或不同的傳感器，達到同時采集到多個相同或不同的物理量，達到數據的同步并行;DIS實驗傳感器精準度極高，所以在實驗過程中所產生的誤差較小，數據的定量顯示使高中物理實驗的結果更具備嚴謹性和可信性，有利于高中學生理解物理實驗的本質。

4.數據處理“智能化”

數據處理“智能化”具體表現在“實驗重演智能化”“數據整合智能化”“創建報告智能化”三方面。“實驗重演智能化”是將每個實驗的配置、傳感器的設置的模板儲存在硬盤中，并且將每次實驗的數據進行保存，DIS實驗系統中提供了實驗回訪的功能，通過實驗的回訪與重演，高中學生可以將實驗過程隨時定格、隨意縮放實驗圖線，達到隨時回憶和復習實驗過程的目的;“數據整合智能化”中由于數據的自動整合使處理數據的關鍵環節，學生需要通過數據的整合找到物理實驗的概念和本質;“創建報告智能化”是指數字化實驗系統中可以創建實驗指導報告文檔、數據處理分析文檔等，電子文檔的儲存也方便學生在后期的實驗和回顧過程中多次修訂，便于學生之間的交流溝通。

5.教學過程“現代化”

教學過程“現代化”分為“教學手段現代化”和“教學方式現代化”。所謂“教學手段現代化”是數字化實驗系統與傳統實驗系統相比，傳感器具備品種多樣、技術新穎、功能強大、發展迅速、性能可靠等優勢，而傳統的物理實驗器材較為單一，以電流表、電壓表、彈簧秤、水銀溫度計為主體，DIS實驗則由電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器和力傳感器等，高中物理教師利用數字化實驗設備能夠帶領學生向傳統實驗發起挑戰，利用數字化設備創設情境能夠有效促進學生思維模式的發展;“教學方式現代化”是由于數字化實驗系統是一種現代化的學習認知工具，是知識建構的輔助工具，為了幫助學生適應現代化信息社會，高中教學工作這應該注重培養學生的信息收集能力、數據分析能力和數據處理能力，而數字化實驗能夠遵循學生的真實實驗感官，實現信息技術與物理學科的整合，能夠有效轉變學生的學習方式，提高學生的實踐能力，培養學生的創新精神。

二、數字化實驗在高中物理教學中的應用現狀

（一）高中物理課堂使用率不高

經過筆者了解發現雖然部分高中學校已經引進了數字化實驗系統，但是在高中物理實驗過程中的使用頻次卻不高。究其根本是因為高中物理教師習慣運用傳統的物理實驗教學模式開展實驗課程，并且由于部分高中物理教授的年紀較大對新時代背景下的新興科技技術操作不熟練，不愿去學習數字化實驗系統的運用和操作。即使在高中物理教學課堂中運用了數字化實驗系統，但是仍是由高中物理教師進行操作，學生觀摩為主，很少有機會參與其中。除此之外，由于客觀條件的限制和高中物理教師對數字化實驗系統的認知不足，限制了數字化實驗在高中物理實驗教學課堂的使用。

（二）教師未能正確認識數字化實驗

經過筆者對周圍高中教師的調查了解發現普遍高中教師對數字化實驗系統給予了高度評價，但是由于客觀因素的影響，高中物理實驗課堂教學的使用率較低。例如在日常教學過程中，高中物理教師和學生深受應試教育理念的影響，所以開展教學過程中為了加快教學進度，使用傳統的實驗教學方式將教學提綱中的實驗做完。另外，由于部分高中學校的數字化實驗系統設備較為陳舊，所以使用率也不高，只在公開課等重要場合才會投放使用。經過了解，發現部分教師認為數字化系統能夠快速得到實驗數據，但是不利于提高學生的動手實踐能力，對取得優異的成績幫助不大，所以未能積極運用數字化實驗系統。基于此，得知導致數字化實驗系統使用率不理想的原因是教師未能正確認識數字化實驗系統且對數字化實驗系統有認知偏差。

三、數字化實驗在高中物理教學中的應用探析

（一）提高實驗完成率

以人教版高中物理《牛頓第一定律》為例，教師在教學過程中要明確“理解力和運動的關系”“理解牛頓第一定理，了解其邏輯推理結果，不受理的物體是不存在的”等教學目標，利用數字化實驗系統，在實驗系統中進行設置，設置小車，使其處于靜止狀態。由外力推動車輛行駛，推動則小車行動，不推動則小車靜止，由此得知力的作用在物體上物體才會產生運動，若沒有力在物體上則物體不會運動。高中物理老師在進行實驗教學過程中，許多實驗現象和實驗數據都是轉瞬即逝的，很難讓實驗者充分觀察，例如講解電流大小和方向時，實驗數據是瞬息萬變的。所以實驗數據掌握的不及時能夠造成學生對知識點理解的誤解，運用數字化實驗系統進行教學后能夠將抽象的實驗現象轉化為可反復觀察的實驗數據。DIS實驗系統的運用既充分展示了實驗現象，又幫助學生掌握了實驗規律。

（二）提高實驗數據有效性

高中物理實驗教學過程中要注重實驗數據的精準性，避免實驗誤差的出現。避免實驗誤差的方式有兩種，一是提高實驗儀器、實驗手法的精準性，二是找出更符合實驗教學理念的實驗設計思路。在數字化實驗系統的手法中，傳感器的測量精準度遠高于傳統實驗儀器，例如在進行力的大小測量實驗中，傳感器設備能夠精準到10N，這在傳統的實驗儀器中是無法做到的。另外由于部分學校實驗條件的不足導致教材中的部分實驗無法進行實機演示，在講解牛頓第二定律的知識點時，力與反作用力的實驗在傳統物理實驗教學課堂中只能做定性分析，而數字化實驗系統能夠充分將定性分析轉化為定量研究，提高了實驗數據的有效性。以人教版高中一年級物理《超重和失重》一課學習時，高中物理教師將結合超重、失重現象，利用牛頓第二定律分析其原因，并利用數字化實驗了解完全失重現象。在正式實驗開始前，高中物理教師通過視頻引導學生進行閱讀教材中航天員的乘船感受，在腦海中理解到超重與失重概念，繼而開展實驗操作，從而能夠幫助學生利用實驗效果與理論相結合的方式深化物理知識概念。

（三）開闊實驗范圍

數字化實驗設備擁有精準性高、適應能力強等優勢，所以在高中物理實驗課程中運用數字化實驗系統能夠幫助教師將存在于教材中的是演變為可視化、可操作性的實驗過程，從而幫助學生拓寬實驗范圍。例如高中物理進行瞬時速度概念的學習時，傳統的實驗教學受限于實驗設備、實驗場地等，所以學生對這一知識點理解較為片面，而數字化實驗系統的運用能夠將傳感器充分運用幫助學生進行物體瞬間速度的測定于認識。例如在學習高中物理《力的分解》一章節時，教師運用數字化實驗系統進行實驗，首先學生在教師的引導下將物體進行斜上方拉動，觀察起作用效果，然后利用小車代替，模擬拉箱過程，用塑料板擴大小車運動范圍后，教師打開電子秤的電源，讓學生進行讀取并記錄數據。運用數字化系統的手段進行實驗，觀察物體受到斜向上的力作用后，根據數據反饋進行標記，進一步培養學生的觀察能力、探究能力。

結語

綜上所述，數字化實驗是幫助高中物理實驗課堂教學快速發展的因素，更能夠在新時代背景下促進物理教學的革新，培養學生綜合能力的重要手法。所以廣大高中物理教學工作者應該積極轉變自身教學觀念，積極學習當代數字化實驗系統，利用數字化實驗教學手法增強學生的感知能力，培養全方位的物理型人才。

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（作者單位：甘肅省蘭州市第六十三中學）