數字化實驗對高中物理教學的重要性

張 瑞

（石嘴山市第三中學 寧夏石嘴山 753000）

21世紀是一個信息化的時代，教育的方式也隨之發生改變。比如高中課程與信息技術的整合，其表現為數字化信息系統實驗室（DISLab）進入中學物理實驗教學[1]。上海科技教育出版社出版的高中教材中設計了用DIS系統研究勻速直線運動、用光電門測量瞬時速度、用DIS系統驗證物體間的相互作用等多個數字化實驗，說明了數字化實驗在高中物理教學中占據重要的位置及數字化實驗對高中物理教學的重要性。

一、數字化實驗簡介

所謂數字化實驗的器材是由傳統實驗器材、傳感器、數字采集器、電腦、顯示屏五個部分組成[2-3]。具體的設備流程圖如下所示：

圖1中傳統實驗器材是我們常用的實驗器材，比如彈簧測力計、小車、彈簧等。傳感器有光電門、氣壓傳感器、力傳感器等。數字采集器是數字系統與設備相連接的，比如數據線。電腦是指裝有專門的軟件對數據進行處理的設備。數字化實驗是將圖1所用的儀器設備結合起來進行實驗。

圖1 數字化實驗結構圖

數字化實驗具有這樣的幾個特點：（1）數字化實驗與高中物理教材的內容相符合。（2）數字化實驗能夠使得物理教學與信息技術更好的相互融合。例如以傳感器為主的數字化實驗系統，滿足了以新課標的教學來培養學生綜合信息處理的能力。（3）數字化實驗的實驗空間比較大，對于學生的創新能力和實驗探究能力都有所提高。

二、數字化實驗在教學中的應用

在教學過程中應用數字化實驗的課例很多，比如牛頓第二定律、斜面上力的分解、牛頓第三定律等。我們選擇牛頓第三定律這節課例進行說明數字化實驗對高中物理教學的重要性。牛頓第三定律是牛頓三大定律之一，新課標對本節的要求之一是能夠應用實驗驗證物體間的相互作用，理解牛頓第三定律，參與探究物體之間力的相互作用規律的過程。其實驗原理是兩個物體之間的作用力和反作用力，總是同時作用在同一條直線上，大小相等，方向相反， 即F1＝－F2（N=N’）。

傳統驗證牛頓第三定律的實驗是用兩個彈簧測力計進行實驗。驗證牛頓第三定律實驗的時候是將兩個彈簧測力計置于同一條直線上。然后兩個彈簧測力計對拉，讀出彈簧測力計的示數。做一次實驗得到一組數據，重復幾次。根據實驗數據整理得到實驗結論。

數字化實驗驗證牛頓第三定律的時候，所用的器材是力的傳感器一對，數據線一對，電腦一臺。數字化實驗驗證牛頓第三定律的時候是將力的傳感器用數據線連接到電腦上。然后讓兩個力的傳感器保持在同一直線上，對拉，得到關于力與時間關系的圖像。具體操作方法如下：

（1）一對力傳感器使用USB線接到電腦，打開傳感器側面開關。

（2）點擊桌面軟件圖標，啟動軟件，點擊軟件左上角“文件”選擇“打開”，打開“牛頓第三定律”實驗模板。

（3）將傳感器置零，方法是輕輕的按一下兩個力傳感器上的置零鍵。

（4）點擊“開始”按鈕，兩手分別握住一個力傳感器，讓力傳感器上兩個金屬鉤相互鉤住，同時盡量保持兩個力傳感器處在同一條直線。

（5）兩手輕拉傳感器，兩個力的方向相同，如圖曲線的左段。實驗中可長按其中一個力傳感器上置零鍵，改變這個力的顯示方向，得出如圖2所示的實驗圖線右段。

圖2 力與時間的關系

（6）在物理實驗過程中，在某一時刻同時觀察兩個力傳感器的讀數，由實驗可知兩個力傳感器讀數基本相同。

（7）點擊“結束”按鈕，結束實驗數據的采集。引導學生觀察電腦記錄的實驗圖線，可以在“曲線”按鈕中自由選擇“力1”“力2” 和“-力1”“-力2”的圖像，觀察力之間的相互關系。

（8）也可將力傳感器金屬鉤換成平頭推，觀察相互擠壓時的情況。

傳統實驗是一組一組的數據，需要分析得出結論，而數字化實驗的結果直觀地展現出來，如圖2所示。圖2力與時間的關系的圖像反映了作用力與反作用力的大小相等、方向相反，驗證了牛頓第三定律的成立。雖然傳統實驗可以驗證牛頓第三定律，但是它的過程繁復，數據的精確度不高，實驗結果不夠直觀。而數字實驗恰恰解決了這些缺點。

從學情來看，應用DIS驗證物體間的相互作用，給學生呈現一個動態曲線，更加生動、形象，也更加符合高中階段的學生思維特點。

三、結束語

綜上所述，本文在數字化實驗在教學中應用的部分將牛頓第三定律的傳統實驗與數字實驗相比較發現，雖然傳統實驗在操作上可能比數字化實驗便捷，但是其實驗過程的反復性強，精確度差。而數字化實驗雖然操作起來比較復雜，但是其過程簡潔，一般一次就可以測出成百上千組實驗數據，實驗數據的情況還可以通過電腦以圖像的形式直觀的呈現出來。在物理教學過程中，提高了教學效率，增加了物理教學的趣味性。正所謂“知之者不如好之者，好之者不如樂知者”，因此，數字化實驗對高中物理教學十分重要。