發(fā)揮各自特點，促進傳統(tǒng)實驗與數(shù)字實驗的融合

李 霞,趙 熙，鹿秀明

(1.昆明市第八中學，云南 昆明 650222；2.深圳市龍崗區(qū)龍城高級中學，廣東 深圳 518172)

物理學是基于觀察、實驗，并通過嚴格科學推理與論證形成的學科，實驗在物理學中占據(jù)極其重要的地位，無論從實驗本身還是實驗的教育功能上，其在中學物理教學中都有著其他方法無可替代的重要作用.《普通高中物理課程標準》(2017年版)提出了物理教學要培養(yǎng)學生的物理核心素養(yǎng)，包括觀念、思維、探究、態(tài)度與責任等多個方面[1].要想使學生學會科學知識、掌握科學方法、具有必備品格和關(guān)鍵能力，就必須充分發(fā)揮實驗教學的功能，特別是實驗教學在物理教育中的探究功能.另外，《普通高中物理課程標準》還進一步增加了對實驗的具體要求，例如在形式上增加了探究型實驗的比例，在方法上增加了對現(xiàn)代教育技術(shù)及數(shù)字實驗的要求，并明確提出“要重視數(shù)字實驗，創(chuàng)新實驗方式”.

數(shù)字實驗是現(xiàn)代教育技術(shù)中的重要部分，隨著技術(shù)的進步，現(xiàn)代教育手段越來越豐富，實驗教學的作用及效果也越來越明顯.如何更好地發(fā)揮各類實驗的特點，提高實驗教學效果，是廣大物理教育工作者需要思考的問題.基于以上問題，本文總結(jié)了中學物理教學中傳統(tǒng)實驗與數(shù)字實驗的特點，探討了如何更好地發(fā)揮其各自優(yōu)勢，加強實驗教學.

1 傳統(tǒng)實驗和數(shù)字實驗的特點分析

傳統(tǒng)實驗，主要是利用傳統(tǒng)物理實驗器材(彈簧測力計、打點計時器、電壓表、電流表、多用電表等)所做的實驗.其優(yōu)點為：

1)教師相對熟悉;

2)原理直觀便于理解;

3)實驗器材大多與學生生活經(jīng)驗相關(guān)聯(lián)(如彈簧、秒表等);

4)學生基于對原理的理解，可以進行開放性實驗設計.

不足為：

1)數(shù)據(jù)采集和處理較為繁瑣;

2)不易觀察突變物理量的變化;

3)部分物理量不易測量(如磁感應強度);

4)耗時較長.

傳統(tǒng)實驗在觀察測量能力方面要求學生會觀察儀器的結(jié)構(gòu)、精度、銘牌參量等，了解儀器的基本原理和正確使用方法，有利于培養(yǎng)學生的觀察能力，提升學生對待科學的嚴謹性；在數(shù)據(jù)分析能力方面?zhèn)戎嘏囵B(yǎng)學生實驗操作能力、數(shù)據(jù)處理能力和用數(shù)學知識解決問題的能力(如描點、畫圖、數(shù)據(jù)計算等).

數(shù)字實驗，主要是指DIS(Digital information system)實驗技術(shù)，又稱“數(shù)字化信息系統(tǒng)”，是由“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+實驗軟件包(教材專用軟件、通用擴展軟件)+計算機”構(gòu)成的新型實驗系統(tǒng)[2].其優(yōu)點為：

1)省時;

2)數(shù)據(jù)采集和處理方便;

3)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高頻采集，可觀察突變物理量的變化情況;

4)可測量傳統(tǒng)實驗難以測量的量;

5)有利于學生理解涉及傳感器的設備原理.

不足為：

1)教師需要學習不同系統(tǒng)的使用方法，并對學生進行相應的培訓;

2)裝置大多基于傳感器，數(shù)據(jù)直觀但原理不易講解;

3)部分成品裝置對學生的約束較多，而基于不同平臺開發(fā)的高級實驗上手較難.

數(shù)字實驗對學生觀察能力的要求沒有傳統(tǒng)實驗高，例如數(shù)據(jù)的采集可由數(shù)據(jù)采集器完成，減少了因測量帶來的估讀問題.數(shù)字實驗主要側(cè)重于培養(yǎng)學生的數(shù)形結(jié)合能力，數(shù)據(jù)的計算和處理大多由計算機完成，學生的主要任務在于根據(jù)數(shù)據(jù)選擇合適的函數(shù)擬合，能夠迅速得出各種圖像和結(jié)果.

2 發(fā)揮各自所長，統(tǒng)籌設計實驗

雖然傳統(tǒng)實驗與數(shù)字實驗各有特點，但二者的實驗目的及本質(zhì)相同.傳統(tǒng)實驗和數(shù)字實驗的區(qū)別在于測量的手段和方法，但二者教育的本質(zhì)意義相同.能夠代表實驗教學本質(zhì)的要素有：

1)基于實驗結(jié)果得出科學結(jié)論的思維準則.該準則是構(gòu)建現(xiàn)代科學的基石，可以表述為：演繹法只有在觀察法和歸納法的配合下，才能夠建立科學的邏輯體系，是需要學生領(lǐng)會并傳承的科學思想的重要組成部分.

2)通過實驗得以揭示出物質(zhì)世界的因果律——實驗條件與實驗結(jié)果之間的因果關(guān)系.基于該因果關(guān)系，學生才能逐步建立“尊重事實和證據(jù)，有實證意識和嚴謹?shù)那笾獞B(tài)度”的科學思想.

無論是傳統(tǒng)實驗還是數(shù)字實驗，都擁有面向真實實驗對象的觀察、測量、操作和數(shù)據(jù)分析過程，充分發(fā)揮二者特點，不僅可以讓學生學到更多方法、手段，還能更好地培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學生的科學思維方法，以達到核心素養(yǎng)教育目標.因此，教師應當在充分了解傳統(tǒng)實驗與數(shù)字實驗特點的基礎(chǔ)上，讓二者充分融合，設計出更優(yōu)秀的實驗方案.

3 實驗選擇策略分析

綜上所述，傳統(tǒng)實驗和數(shù)字實驗均有各自特點和優(yōu)勢，也都存在一定的局限.在實驗教學中，有些實驗只用傳統(tǒng)實驗即可完成，有些實驗可能更適合用數(shù)字實驗完成，除此之外，還應該考慮如何能更好地將2種實驗手段進行整合，以充分發(fā)揮各自優(yōu)勢.下面將從實驗數(shù)據(jù)記錄的精確度、實驗現(xiàn)象的可視化、實驗數(shù)據(jù)的處理和優(yōu)化融合4方面探討實驗教學的選擇策略.

3.1 實驗數(shù)據(jù)記錄的精確度

在教學策略選擇中，從數(shù)據(jù)記錄的精確度需求來看，對于以定量探究為主要目的的實驗，當傳統(tǒng)實驗儀器的測量精度不能滿足測量需求時，應選用測量精度高的數(shù)字實驗作為主要測量手段.以計時工具為例，傳統(tǒng)實驗中秒表的最小精度為0.1 s，打點計時器的最小計時單位為0.02 s，而DIS實驗系統(tǒng)中測量時間的精度為0.1 ms.如果實驗對時間的精度要求較高，應考慮采用數(shù)字實驗方案來進行時間測量.

對于數(shù)據(jù)記錄精度要求不高，傳統(tǒng)實驗也能完成的實驗，應優(yōu)先選擇傳統(tǒng)實驗方法.例如“探究2個互成角度的力的合成規(guī)律”的實驗，彈簧測力計的精度就可以滿足實驗要求，因此可以首選傳統(tǒng)實驗方案，如圖1所示.另外，選用數(shù)字實驗方案(見圖2)也可進行實驗，但不如傳統(tǒng)實驗操作靈活.

圖1 探究力的合成規(guī)律的傳統(tǒng)實驗方案

圖2 探究力的合成規(guī)律的數(shù)字實驗方案

3.2 實驗現(xiàn)象的可視化程度

實驗現(xiàn)象的可視化程度影響實驗目的的達成，而實驗目的也決定了對實驗現(xiàn)象可視化程度的要求.當傳統(tǒng)實驗方案的實驗現(xiàn)象能夠直觀展示物理規(guī)律時，優(yōu)先選用傳統(tǒng)實驗方案；當實驗需要體現(xiàn)隱性或者變化較快的物理過程時，可以利用數(shù)字實驗高頻采集數(shù)據(jù)的特點，將隱性物理過程顯性化，幫助學生更好地研究迅速變化的物理量的特點.

以“通電自感”演示實驗為例，該實驗目的是通過實驗了解通電自感現(xiàn)象.教材提供了通電自感演示實驗電路圖，如圖3所示.

圖3 通電自感演示電路

教學中采用和電路圖相同的電路板進行演示實驗，通過觀察2個小燈泡的發(fā)光情況，間接了解電流大小的變化(電流越大，燈泡越亮)，從而了解線圈發(fā)生自感現(xiàn)象對電流的影響.實驗過程中，當開關(guān)S閉合，可觀察到A2燈泡先發(fā)光，燈泡A1滯后發(fā)光(肉眼可辨識先后，現(xiàn)象明顯).由實驗現(xiàn)象可以直觀得出線圈通電時對電流的增加有阻礙作用，通過法拉第電磁感應定律和楞次定律相關(guān)知識，可以判斷出感應電動勢的方向，從而解釋通電自感現(xiàn)象.可見本實驗利用傳統(tǒng)裝置進行，演示效果明顯，可以達到讓學生通過實驗了解通電自感現(xiàn)象的實驗目的，并且教師能夠借助此實驗引導學生圍繞實驗現(xiàn)象、利用所學知識解釋現(xiàn)象.若使用數(shù)字實驗裝置進行該實驗，則需對電流變化曲線進行分析，要求學生具備一定的分析能力和圖像處理能力，對學生來說難度有所增加.因此，通電自感演示實驗可根據(jù)不同教學目標進行不同選擇.

以“測量靜摩擦力”的演示實驗為例，傳統(tǒng)實驗如圖4所示，把木塊放在水平長木板上，用彈簧測力計沿水平方向拉木塊.拉力F增大到一定數(shù)值前，木塊不會運動，靜摩擦力大小等于拉力大小，但若繼續(xù)增大拉力，靜摩擦力會突然轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒幽Σ亮Γ撟兓灰子^察.傳統(tǒng)實驗方案中是在指針下輕塞1個小紙團，標記指針到達的最大位置，然后繼續(xù)用力，觀察到木塊開始移動時，拉力變小.如果加入數(shù)字實驗手段，用力傳感器代替彈簧測力計進行實驗，得到拉力隨時間變化的F-t圖像，如圖5所示，突變過程被放大，有助于學生更直觀和完整地體會摩擦力的變化過程.

圖4 測量靜摩擦力的傳統(tǒng)實驗裝置

圖5 測量靜摩擦力的數(shù)字實驗方案結(jié)果

3.3 實驗數(shù)據(jù)處理的需求

在實驗教學中，想要借助實驗數(shù)據(jù)處理達到不同實驗目的，可選擇不同的實驗方案.當實驗目的是讓實驗者對數(shù)據(jù)進行定性分析和體會物理原理，通常用傳統(tǒng)實驗即可，傳統(tǒng)實驗操作簡單、原理直觀，能很好地服務于該類教學.當實驗目的是讓實驗者經(jīng)歷實驗探究過程，并通過處理實驗數(shù)據(jù)得到物理量間的定量關(guān)系，而實驗數(shù)據(jù)較多，運算量較大，則數(shù)字實驗的優(yōu)勢更為明顯.

以“測量紙帶的平均速度和瞬時速度”實驗為例，教材用打點計時器記錄紙帶的運動，介紹了平均速度和瞬時速度的測量方法，學生通過實驗及處理數(shù)據(jù)，了解2種速度的區(qū)別與聯(lián)系，關(guān)鍵是時間間隔選取的長短不同，反映物體運動快慢的精度也就不同.學生對這樣的傳統(tǒng)實驗裝置比較熟悉，且數(shù)據(jù)處理直觀，所以對于初學者理解平均速度和瞬時速度的物理概念，使用傳統(tǒng)實驗方案更有幫助.

以“探究向心力大小的表達式”實驗為例，教材讓學生先感受向心力，體會向心力與哪些因素有關(guān)，然后再進一步探究向心力大小的表達式，最后能夠應用向心力的表達式解決問題.該實驗可使用圖6所示的實驗裝置展開定量探究，通過小球所在橫槽上的刻度可以知道小球做圓周運動的半徑大小，豎直標尺上露出的標記線能夠間接反映向心力大小的變化情況.實驗者通過手搖帶動裝置轉(zhuǎn)動，根據(jù)皮帶傳動線速度大小相同的特點，可知小球轉(zhuǎn)動的角速度之比，再結(jié)合轉(zhuǎn)動半徑比即可得到小球做圓周運動的向心加速度之比.此傳統(tǒng)實驗方案可以引導學生利用控制變量法，設計對照實驗展開實驗探究.但用于定量探究仍存在以下不足：

圖6 探究向心力大小的傳統(tǒng)實驗方案

1)由橫臂的杠桿作用使套筒下降來間接反映向心力大小，向心力的測量不夠直觀.

2)手搖控制轉(zhuǎn)速，很難保證圓盤轉(zhuǎn)速穩(wěn)定.

3)轉(zhuǎn)動過程中不方便讀數(shù)，數(shù)據(jù)精度不高.

數(shù)字實驗系統(tǒng)中，探究向心力大小的實驗裝置如圖7所示，該實驗裝置可借助計算機處理數(shù)據(jù)，便捷直觀地得出實驗結(jié)果，以彌補以上不足.

圖7 探究向心力大小的數(shù)字實驗裝置

3.4 優(yōu)化融合案例

除一些典型的需要傳統(tǒng)實驗或數(shù)字實驗來完成的實驗外，通常可發(fā)揮二者的優(yōu)勢，進行優(yōu)化融合式設計.在優(yōu)化融合式設計中可從以下幾個方面考慮：

1)在實驗中并行或交替使用傳統(tǒng)和數(shù)字實驗手段.

2)在導入階段，首先介紹傳統(tǒng)實驗方法，便于學生了解物理模型，并建立驗證或探究的邏輯關(guān)系框架，完成實驗設計.

3)最大化發(fā)揮傳統(tǒng)實驗和數(shù)字實驗的優(yōu)勢.

3.4.1 電容器的充放電演示

在介紹電容器的充放電演示實驗中，需要讓學生觀察和了解電容器充、放電的電流方向相反，利用傳統(tǒng)實驗方案可以觀察到電流表指針的偏轉(zhuǎn)方向，如圖8所示.

圖8 電容器充放電的傳統(tǒng)實驗方案

充放電過程中，由于電容器兩極板間的電壓變化規(guī)律以及回路電流的變化規(guī)律等均不易觀察，因此可以利用電流傳感器替換電流表，顯示電容器支路電流隨時間的變化，讓學生更直觀地了解充電電流的變化規(guī)律，如圖9所示.在完成傳統(tǒng)實驗后對部分電路略做改動，將傳統(tǒng)實驗與數(shù)字實驗相結(jié)合，以增強實驗效果，拓寬學生的實驗思路.

圖9 電容器充電電流隨時間的變化規(guī)律

3.4.2 斷電自感現(xiàn)象研究

在斷電自感現(xiàn)象的演示實驗中，教學難點在于讓學生掌握流過小燈泡的感應電流的方向和大小的變化情況.對于傳統(tǒng)實驗方案，學生可以從實驗電路中直觀地觀察到電流大小的變化，但電流方向的改變不被能觀察到，需要學生進行電路分析.基于此問題，本文設計了優(yōu)化融合案例，具體方案如下：

1)采用傳統(tǒng)實驗方案，讓學生通過燈泡的點亮、熄滅及其亮度變化建立對斷電自感現(xiàn)象的初步認識；

2)引入數(shù)字實驗方案，將電流傳感器與電阻R串聯(lián)后(代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗的小燈泡)，與線圈并聯(lián)，接在電源兩端.斷開開關(guān)后，通過計算機擬合電路中的電流-時間(I-t)圖像，幫助學生了解斷電時線圈產(chǎn)生的自感現(xiàn)象對回路電流的影響；

3)基于燈泡亮滅規(guī)律引導學生猜測通電自感和斷電自感的I-t圖像可能呈現(xiàn)的特征，并在黑板上畫出學生預測的圖線；

4)閉合電路，稍后再斷開，得到斷電自感電流狀態(tài)的I-t圖像，如圖10所示；

圖10 斷電自感狀態(tài)下的I-t圖像

5)重復步驟4)，鼓勵學生用語言描述I-t圖像的物理過程，總結(jié)斷電自感的特點.

通過以上設計可以看出，傳統(tǒng)實驗電路板不能直觀反映感應電流的方向，需要學生基于實驗現(xiàn)象，利用電磁感應和電路知識做出解釋；而利用數(shù)字實驗得到的I-t圖像不僅能直觀反映感應電流的方向和大小變化，還能從電流圖像中直接讀出開關(guān)斷開前后流過燈泡的電流大小，從而得出燈泡閃亮的原因.在此基礎(chǔ)上，該實驗還可以進行拓展研究：改變線圈和電阻的阻值大小關(guān)系進行實驗，利用傳感器讀出開關(guān)斷開前后流過燈泡的電流大小.即使感應電流小于原電流，也可以進行觀察、比較和分析，而在此種情況下利用傳統(tǒng)實驗裝置進行實驗，燈泡將不會閃亮，從而難以觀察到電流的變化.

4 結(jié)束語

通過實踐研究對比可知，傳統(tǒng)實驗和數(shù)字實驗各有優(yōu)勢.不論傳統(tǒng)實驗還是數(shù)字實驗，只要對達到實驗目的有利，就是教學需要的.隨著教學改革的推進，信息時代的來臨，傳統(tǒng)教學形式有了新的發(fā)展空間，以現(xiàn)代信息技術(shù)為基礎(chǔ)的教學手段不斷被引入到傳統(tǒng)教學.因此，在實驗教學中，要基于教學目的充分利用現(xiàn)有實驗設備，不斷優(yōu)化整合實驗方案，將實驗效度最大化.