沈翔

南通市第一初級(jí)中學(xué) 江蘇南通 226004

隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，越來越多的數(shù)字化技術(shù)手段被應(yīng)用到物理教學(xué)中。這也促使初中物理教育模式發(fā)生變化?！秶抑虚L期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》從戰(zhàn)略高度提出要?jiǎng)?chuàng)新教育教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的好奇心，培養(yǎng)學(xué)生的興趣愛好，營造獨(dú)立思考、自由探索、勇于創(chuàng)新的良好環(huán)境。新的課程標(biāo)準(zhǔn)指出：重視將信息技術(shù)應(yīng)用到物理實(shí)驗(yàn)，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果等。

為了適應(yīng)科技的迅猛發(fā)展和新的人才培養(yǎng)需求，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（Digital Information System，簡(jiǎn)稱DIS）成為各地?cái)?shù)字化校園建設(shè)重點(diǎn)項(xiàng)目，數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室也成為初中物理開展課內(nèi)外探究實(shí)驗(yàn)的首選對(duì)象。

1 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為平臺(tái)，各種傳感器將不同的物理量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)采集器將傳感器采集到的各種電信號(hào)進(jìn)行處理后通過USB等接口輸入計(jì)算機(jī)，再由應(yīng)用軟件進(jìn)行分析處理，并以多種形式實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)的屏幕上。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠直接將測(cè)得的物理量以數(shù)據(jù)表格、坐標(biāo)圖像等形式呈現(xiàn)，具有可視性、直觀性的特點(diǎn)，配合手持分析儀使用還具有戶外拓展性。

2 初中數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)探究實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則

2.1 科學(xué)性原則

在活動(dòng)設(shè)計(jì)中首先要遵循的就是科學(xué)性。數(shù)字化探究活動(dòng)的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法要科學(xué)。教師在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)要符合初中物理教學(xué)規(guī)律，遵循物理原理，使教育價(jià)值得以體現(xiàn)。

2.2 針對(duì)性原則

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)該圍繞實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)，在改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)仍然要突出實(shí)驗(yàn)的目的和意義。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)所要替代的只是探究活動(dòng)中數(shù)據(jù)讀取和處理等環(huán)節(jié)，因此數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)要從學(xué)生的實(shí)際出發(fā)，針對(duì)教材中的重難點(diǎn)，不能因?yàn)橐桃馐褂脭?shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備而改變探究實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的主旨。

2.3 適用性原則

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要適用于初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配套的傳感器能滿足力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)等物理量的測(cè)量。初中物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)應(yīng)以定性分析為主，多采用圖像分析法。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的設(shè)計(jì)還要符合初中生的認(rèn)知規(guī)律。初中學(xué)生對(duì)物理圖像的認(rèn)知理解存在局限性，避免復(fù)雜函數(shù)關(guān)系增加學(xué)生的認(rèn)知難度。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)還要避免使實(shí)驗(yàn)復(fù)雜化，這樣才能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在初中綜合實(shí)踐活動(dòng)中的應(yīng)用

3.1 探究聲音的特性

【活動(dòng)目的】通過對(duì)自己及身邊物體的發(fā)聲的波形了解聲音的特性。

【實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)】選用聲波傳感器，將傳感器連接到數(shù)據(jù)采集器，并打開手持分析儀的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)０寮纯蓪?shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)電腦分析軟件自動(dòng)將聲波傳感器接收到的聲音信號(hào)的波形描繪在坐標(biāo)系中，形成實(shí)時(shí)振動(dòng)波形圖。

【探究過程】用不同響度的聲音對(duì)著傳感器說話，觀察聲波圖形的振幅的變化，停止說話，波形變成一條直線；探究聲音響度的影響因素。男女生分別對(duì)著傳感器說話，形成兩條振動(dòng)波形，將兩條波形對(duì)比發(fā)現(xiàn)，女生音調(diào)高，聲波振動(dòng)的頻率高；用不同樂器演奏同一音調(diào)，觀察不同的樂器，振動(dòng)波形特點(diǎn)各不相同，理解影響音色的因素；利用聲波傳感器和手持分析儀測(cè)量一天中不同時(shí)間段教室內(nèi)的聲音響度，開展噪聲產(chǎn)生原因和如何減少噪聲危害的課外綜合實(shí)踐活動(dòng)。

【實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)】傳統(tǒng)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)是用鼓面細(xì)小物體的跳動(dòng)高度來反映振幅，電動(dòng)機(jī)齒輪的轉(zhuǎn)速來反映振動(dòng)頻率的，而音色多數(shù)教材則直接給出圖形。數(shù)字傳感器的使用直接將這些振動(dòng)特點(diǎn)可視化，既簡(jiǎn)化了測(cè)量和記錄方法，又豐富了聲學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法，使探究活動(dòng)變得更加易于操作，貼近學(xué)生生活，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3.2 探究影響水果電池電壓的因素

蘇科版物理九年級(jí)自制水果電池的探究活動(dòng)安排在第十三章第四節(jié)，本節(jié)主要內(nèi)容為介紹電壓知識(shí)和電壓表的使用。作為課后自主探究活動(dòng)，自制水果電池的內(nèi)容深受學(xué)生喜愛，但常見水果實(shí)際能產(chǎn)生的電壓較低，學(xué)生用電壓表的精度只能達(dá)到0.1 V，無法明顯準(zhǔn)確地探究影響水果電池電壓的因素。

數(shù)字化電壓傳感器可以達(dá)到0.01/0.002 V的測(cè)量精度，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，不僅能夠較明顯地顯示出水果電池的電壓，增加實(shí)驗(yàn)的趣味性，還可以動(dòng)態(tài)演示電壓值的變化。在探究影響電壓的因素時(shí)，先在軟件中設(shè)定記錄電壓值和時(shí)間的坐標(biāo)，再逐漸改變金屬片插入的深度，系統(tǒng)將會(huì)將整個(gè)變化過程的電壓值描繪出來，直觀地反映物理量之間的關(guān)系。

4 使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展探究活動(dòng)的幾點(diǎn)思考

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)精度高，搭建簡(jiǎn)單，因此能夠完成一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)較難完成的探究實(shí)驗(yàn)。傳感器采集數(shù)據(jù)和軟件自動(dòng)分析的過程能夠減少手工作圖和數(shù)據(jù)分析的麻煩，使探究實(shí)驗(yàn)更簡(jiǎn)單易行，更有趣味性。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)拓展了學(xué)生研究性學(xué)習(xí)的空間，能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生的合作意識(shí)和創(chuàng)造能力。

在設(shè)計(jì)初中物理數(shù)字化探究活動(dòng)時(shí)，要正確地認(rèn)識(shí)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要能夠使學(xué)生更易于接受，使得數(shù)字化實(shí)驗(yàn)更直觀。

總之，在物理探究活動(dòng)中使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能夠體現(xiàn)新課標(biāo)對(duì)初中物理教學(xué)的要求，符合學(xué)生認(rèn)知，體現(xiàn)自主探究特點(diǎn)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是學(xué)生學(xué)習(xí)和發(fā)展的有力工具。