中學物理實驗教學中數字化技術的應用策略

李開生

（甘肅省張掖中學，甘肅張掖 734000）

中學物理實驗教學中的數字化技術，主要是指以傳感器技術和軟件技術為核心的DISlab 實驗系統，它包括硬軟件在內的多種技術手段，能夠將實驗過程中獲得的模擬信號自動轉化為數字信號，有助于克服傳統物理實驗的諸多弊端。在新時期的中學物理實驗中，教師應該大力開發和利用數字化技術，從實驗教學的實際需求出發，借助數字化技術的強大功能，對教學模式進行優化設計，拓展學生的探究和實踐空間，從而為物理實驗教學提質增效。

一、中學物理實驗教學中數字化技術的應用優勢

（一）實驗過程可視化

中學物理實驗教學的重點，在于幫助學生直觀地了解實驗過程，這是學生進行實驗分析、建立物理概念的關鍵所在。然而傳統實驗受器材和技術的局限，無法清晰地反映那些細微的、瞬間的實驗變化過程，無形中造成了學生對實驗現象的認知障礙，降低學生對物理概念的理解效度。將數字化技術引入物理實驗教學的主要優勢是能夠實現實驗過程的可視化，數字化技術所配備的各類傳感器具有敏銳的信號捕捉功能，對于人體感官難以直接察覺的實驗現象，傳感器都能準確地測得，并實時傳送到計算機軟件中，如果物理實驗中產生了肉眼看不到的現象，或者是變化速度非?？斓乃矔r值，教師都可以應用數字化技術，在計算機上呈現各種數值和數值的變化情況，從而大幅度提升物理實驗過程的可視性，為學生觀察和分析實驗現象提供基礎保障。

（二）數據處理便捷化

在物理實驗教學中，數據處理是至關重要的一環，有效的數據處理能夠使學生在研討實驗結論時有據可依。但是在傳統的實驗教學模式下，數據處理的效果并不是非常理想，例如分組實驗，每個小組通常要專門調配出一名學生，負責實驗數據的讀取和記錄，導致該學生失去了實驗操作和觀察的機會。同時，人工處理無法保障數據的精度，需要占用較多的時間，對部分數據甚至難以獲取和計算，給實驗分析帶來阻力。在中學物理實驗教學中應用數字化技術的第二個優勢是能夠實現便捷的數據處理。由計算機自動控制，對于大量的、復雜的實驗數據，系統都能在短時間內完成采集和處理，計算機呈現的數據有數字、指針、波形等多種顯示方式，系統中還配備數據計算、物理公式庫調用等多項功能，教師可以指導學生應用數字化技術系統，生成數據圖像，對物理實驗進行定性或定量分析，從而提高物理實驗數據處理的便捷性［1］。

（三）學生探究自主化

新課改背景下的中學物理實驗教學，強調以學生為主體，教師要為其提供充足的自主探究時間和空間。然而從過往的實驗教學來看，由于技術水平相對落后，較多的課堂時間都被用于數據采集、物理量關系圖繪制等環節，留給學生自主表達、質疑和提問的時間所剩無幾，同時嚴重縮減了學生的實驗探究空間，使學生難以獲得充分的實驗訓練。在中學物理實驗教學中，引入數字化技術的第三個優勢是有助于實現學生探究的自主化，上文談及數字化技術具有優越的數據觀測和圖表生成功能，就意味著在傳統物理實驗中，需要人工完成的煩瑣的步驟能夠用數字化系統代替，教師可以將節省下來的時間用于組織學生自主設計實驗，驗證假設，以及對實驗原理、物理規律的深入分析，從而有效地利用時間，增強物理實驗教學的自主性和探究性。

（四）實踐操作多樣化

物理實驗課是一種實踐性非常強的課型，主張學生動手實操。就傳統教學而言，學生在實驗活動中的實踐操作形式比較單一，通常只包括對常規實驗器材的組裝和操作，而且并不是所有學生都有動手的機會，即便是分組探究，由于很多實驗流程無法重復實施，部分學生也只能旁觀，難以獲得親身操作的體驗，制約學生實踐能力的發展。在中學物理實驗教學中運用數字化技術的第四個優勢是能夠給學生提供多樣化的實踐操作，基于數字化技術的物理實驗，不僅包含對實驗器材的操作，還涉及對數字設備、計算機軟件的操控，各種數字傳感器的操作難度不高，學生完全能獨立完成。教師可以按照物理實驗的要求，指導學生分別進行實驗器材的組裝，硬件設備的連接，以及軟件界面的設置，使每個學生都能動手，充分地參與實驗活動，感受不同形式的操作樂趣，從而凸顯物理實驗的實踐導向，彰顯數字化技術的獨特優勢。

二、中學物理實驗教學中數字化技術的應用策略

（一）基于數字化技術，制訂物理實驗教學計劃

要想在中學物理實驗教學中應用數字化技術，一套健全、完善的教學計劃是不可或缺的。數字化技術雖然具備諸多優點，但是在教學中仍然有一定的適用范圍和要求，如果教學計劃不夠合理，數字化技術的應用價值很難充分發揮。教師必須基于數字化技術的功能特點，立足物理實驗的課程目標，遵循科學原則和標準，精心制訂教學計劃，為數字化技術的應用鋪平道路。

1.注意數字化技術與物理實驗的適配性。教師在制定教學計劃之前，應該對物理實驗課程內容進行深入分析，明確實驗過程及其涉及的數據量，遵循適宜原則，著手實施計劃的編制。比如說過程復雜的物理實驗，需要測量和采集大量的數據，或是需要多次改變實驗條件，這就說明數字化技術在此類實驗中是適用的；反之，如果實驗的過程非常簡潔，依靠肉眼觀察就能輕松辨識實驗的現象和變化，就沒有應用數字化技術的必要，如果強行應用反而會畫蛇添足，拖慢教學進度。教師在計劃階段，應當嚴謹地甄別和判斷，以保障數字化技術應用到物理實驗教學中的適切性［2］。

2.注意數字化技術與物理實驗的互補性。教師在設計教學計劃的過程中，必須考慮到數字化實驗和傳統實驗各自的優缺點，明確二者之間的互補關系，結合數字化技術的優勢，在合適的實驗環節引入，避免數字手段完全替代傳統實驗。比如在物理實驗課題導入的環節，數字化技術的利用空間并不是很大，教師在教學計劃中，可以保留常規的導入手段，如情境創設、問題創設等；再如物理實驗的實施環節，在現象觀察、數據錄入和計算等步驟，數字化技術都有很大的“用武之地”，教師可以重點規劃這些環節和步驟，力求達到數字化技術與傳統實驗的有機結合，實現對數字化物理實驗教學方案的高質量編制。

（二）利用數字化技術，呈現物理實驗隱性現象

現象觀察是學生探知物理規律的必由之路，但是在中學物理課程體系中，很多實驗現象具有隱蔽、抽象的特點，比如說音色、電流、聲波、電磁、壓強等，單憑視覺、觸覺和聽覺，學生無法辨別和測算，直接影響他們對物理實驗現象的認知和理解。數字化技術是直觀展示物理實驗現象的“利器”，它可以把物理實驗的變化量轉化成電信號，形成清晰的物理圖像，對學生認識問題、掌握知識提供非常大的幫助。因此，在中學物理實驗教學中，教師應該利用數字化技術，為學生呈現物理實驗的隱性現象，促進學生進行有效的觀察和思考，進而建立具象的實驗認知。

首先，教師應該針對物理實驗中看不見、摸不著的現象，選擇合適的數字化技術工具，比如說在電學類的實驗中，電流和電壓的強弱是肉眼不可見的，教師可以選用電壓傳感器和電流傳感器，將它們安置在常規的實驗器材上，并與計算機和教室的顯示大屏相連。其次，在實際教學中，教師可以搭建數字化實驗裝置，采用演示實驗的方式，在講臺上操縱實驗器材和數字傳感器，當實驗進行到關鍵步驟，顯示大屏上出現各種實驗數據的信號圖表時，教師要提醒學生認真地觀察和分辨，結合學生感官獲取的現象，以及數字化系統采集到的電信號，雙管齊下，對學生進行現象的講解，引導學生從不同的表征切入，合作描述自己感知到的實驗現象，分析現象的變化規律和成因，使隱性實驗現象變得清晰可視，從而突破教學局限，促進學生透徹地理解實驗細節和隱藏的原理［3］。

（三）借助數字化技術，開展物理實驗合作探究

探究性實驗是現代教學的一種模式，主要是讓學生經歷像科學家一樣的探索實踐過程，獲取物理實驗的知識與技能。數字化技術系統配套的設備，具有非常強的可操作性，能夠使探究性實驗更有效地開展，同時給學生提供協作交流、動手實操的機會。新時期的中學物理實驗教學必須注重提高學生的課堂參與度，重視學生在實踐中學習。教師應該構建自主、開放的課堂環境，借助數字化技術開展合作探究型的物理實驗活動，將互動、思考、實踐、創新融為一體，把科學探索的主動權交還給學生，從而發揮數字化技術的探究引領作用。

1.做好數字化實驗探究的組織和指導。教師應該從物理實驗目標和數字化技術的特點出發，重點鍛煉學生自主、合作設計與實施實驗的能力。在合作探究開展前，教師根據具體學情，合理地劃分實驗小組，創設與實驗課題有關的導學情境。先讓學生組內交流，提出假設或猜想，然后教師提供數字化工具和配套的實驗器材，播放預先準備好的視頻教程，指導各組學生參考著教程合作進行數字化實驗的硬件連接和軟件設置。同時結合實驗假設，通過互動探討的方式，嚴謹地規劃實驗方案，以及每個步驟的操作順序和注意事項，隨后分配好每個組員負責的工作，根據方案執行和完成實驗，從而利用數字化技術，擴大學生在物理實驗學習中的合作探究范圍［4］。

2.加強學生對數字化技術的自主操控。在基于數字化技術開展物理小組合作實驗時，大部分數據處理都是由計算機在幕后完成，包括數據轉化、計算、擬合、作圖線等，一鍵出結果雖然很方便，但是也有很多學生想了解數據轉換和圖線生成的過程，教師應該把部分幕后操作適當地移到臺前，讓學生對數字化系統的軟件界面進行自主操控，增強學生對數字化實驗工具的使用能力。比如說某項物理實驗需要對物理量進行轉換，教師可以指導各小組探討需要用到的物理公式，然后在軟件中自主輸入公式，加深對實驗物理量轉換過程的認知。當實驗需要繪制物理圖線時，教師可以組織學生合作研討圖線的坐標和標度，根據曲線的形狀確定擬合公式，將這些參數和公式輸入計算機，得到精準而規范的圖線。在這樣的合作探究型實驗中，學生既享受到數字化技術帶來的數據處理便利，獨立思考和自主操控的機會也得以保留［5］。

（四）巧用數字化技術，優化物理實驗結論分析

結論分析是中學物理實驗教學中的重點環節，學生對實驗原理和概念知識的理解，都是在結論分析環節實現的。以往教學中的結論分析比較簡潔，教師一般是讓學生結合實驗結果，去檢驗先前的假設和猜想是否成立，學生思考和研討的深度不足，很難建立對實驗結論的理性認識。數字化技術最終生成的各種圖線和圖表，能真實而完整地反映實驗數據，是學生研討物理規律的有力依據。因此，在物理實驗教學中，教師應該巧用數字化技術生成的圖像，把實驗測量、實驗驗證、結論分析緊密地結合起來，強調從過程到結論的全面探討，從而實現定性實驗向定量實驗的轉變，切實彌補結論分析環節的不足。

在物理實驗的結論分析階段，教師可以把數字化軟件中所記錄的各種表格和波形圖，集中呈現在顯示大屏上，給予學生多維度的數據體驗。如果圖像中反映出多個物理量的變化，教師還可以設置數據擬合圖像，用不同顏色的曲線幫助學生清楚地區分不同的物理量，引導學生把數據和圖像結合起來，從定量的角度出發，根據每條曲線的高低起伏變化，討論、分析物理量之間的相互影響關系，回顧之前的實驗猜想和操作過程，用自己的語言歸納結論，在結論中詳細地說明實驗所反饋的原理和規律，實驗目的是否達成，以及本節知識點與其他物理理論的聯系，從而起到鞏固認知的作用，達到數字化技術在中學物理實驗教學中全面貫徹的目標［6］。

三、結語

數字化技術在中學物理實驗教學中的應用，是一項創新的改革舉措，能夠實現實驗過程可視化、數據處理便捷化、學生探究自主化以及實驗操作多樣化，其教學優勢是傳統實驗手段無法企及的。教師應該考慮物理實驗教學和學生的實際需求，秉承融入和互補的原則，基于數字化技術制訂新型實驗教學計劃，以呈現隱性的實驗現象，幫助學生更好地開展合作探究型實驗，補足實驗結論分析環節的缺陷，推動物理實驗教學的數字化發展。