王洋

摘要：隨著新課程改革的推進(jìn)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)正逐步成為物理教學(xué)的一部分。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是利用傳感器獲取數(shù)據(jù)信息，通過(guò)計(jì)算機(jī)完成對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和處理。實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)的整合，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)既克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)方式的弊端，又實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)與常規(guī)教學(xué)及探究性實(shí)驗(yàn)的完美結(jié)合。經(jīng)過(guò)探索，從以下三個(gè)方面把數(shù)字化實(shí)驗(yàn)引入課堂，首先，做“有效引入”、“有利引入”的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。其次，利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確、迅速獲取數(shù)據(jù)的特點(diǎn)開展研究性學(xué)習(xí)，讓學(xué)生獲得創(chuàng)造的樂趣、激發(fā)更多的創(chuàng)造靈感。再次，通過(guò)開展校本課程，設(shè)計(jì)一套符合學(xué)生的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、推廣。由于現(xiàn)在正處于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的嘗試階段，如何把數(shù)字化實(shí)驗(yàn)引入課堂便成為一個(gè)重要的課題。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的推廣與實(shí)踐不僅是信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)整合的過(guò)程，更重要的是教育觀念轉(zhuǎn)變的過(guò)程，還有很多實(shí)踐與理論問(wèn)題需要很好的探究解決。

關(guān)鍵宇：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；演示實(shí)驗(yàn)；傳感器

中圖分類號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-6148(2012)2(S)-0050-3

高中階段物理教學(xué)的重點(diǎn)，應(yīng)在觀察物理現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，突出物理建模和科學(xué)抽象環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)方法形成和應(yīng)用物理概念及規(guī)律的能力。在新課程倡導(dǎo)以學(xué)生的發(fā)展為本、大力推進(jìn)素質(zhì)教育和研究性學(xué)習(xí)的大環(huán)境下，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高中物理教育體系乃至整個(gè)高中教學(xué)體系中的地位日益突出。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法都強(qiáng)調(diào)各種測(cè)量?jī)x器由人來(lái)讀數(shù)、記錄數(shù)據(jù)，然后人工方法進(jìn)行計(jì)算和繪制圖線。這種過(guò)程固然有一定的好處，可以給學(xué)生以第一手的資料和直接經(jīng)驗(yàn)，但有時(shí)候大量的測(cè)量和繁瑣的計(jì)算往往使最后得到的結(jié)果趨于失敗，給這個(gè)階段的學(xué)生很大的挫敗感，而不能讓學(xué)生體驗(yàn)到成功的欣喜。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)方式的弊端，真正實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)與常規(guī)教學(xué)及探究性實(shí)驗(yàn)的完美結(jié)合。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)探索。發(fā)現(xiàn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：

第一，摒棄如天平、彈簧測(cè)力器、計(jì)時(shí)器這些傳統(tǒng)測(cè)量誤差性比較大的實(shí)驗(yàn)工具，將學(xué)生徹底解放出來(lái)，減少繁瑣的數(shù)據(jù)處理，從而更加專注于實(shí)驗(yàn)分析本身。

第二，迅速、精確地獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)大大縮短用于實(shí)驗(yàn)的時(shí)間。而且得到的數(shù)據(jù)更加精確、直觀。

第三，讓一些使用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)成為可能。比如，在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)條件下最大靜摩擦力稍大于滑動(dòng)摩擦力的測(cè)量只能通過(guò)講述的方式讓學(xué)生“感覺”?，F(xiàn)在，應(yīng)用傳感器采集數(shù)據(jù)，摩擦力的細(xì)微變化可即時(shí)呈現(xiàn)于電腦屏幕上。再如，“圓錐運(yùn)動(dòng)中向心力的測(cè)量”、“碰撞過(guò)程中力的分析”等許多過(guò)去中學(xué)不可能完成的實(shí)驗(yàn)，利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)均可輕松完成。這對(duì)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)具有非常強(qiáng)的實(shí)用性。

既然數(shù)字化實(shí)驗(yàn)具有眾多的優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)于很多學(xué)校來(lái)說(shuō)，只有在公開課的時(shí)候才用它，為什么數(shù)字化實(shí)驗(yàn)還沒有興盛起來(lái)呢?是技術(shù)不夠成熟還是它不適用呢?都不是，導(dǎo)致這種狀況有三大原因：一是觀念的束縛，人們一直將高考作為教學(xué)的指揮棒，用考什么來(lái)決定教學(xué)內(nèi)容，把高考作為評(píng)價(jià)教育的終極標(biāo)準(zhǔn)，高考的壓力使得教師沒有時(shí)間學(xué)習(xí)新事物；二是對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的排斥。教師對(duì)“老方法”很熟悉，輕車熟路，不愿變革，認(rèn)為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)難以管理、操作復(fù)雜、不實(shí)用：三是缺乏完善的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)體系的引導(dǎo)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用還只是停留在教材上少數(shù)幾個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，看不到它的應(yīng)用前景。因此，教師心理產(chǎn)生了惰性，進(jìn)而拋棄了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。隨著新課程理念的推廣和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的開發(fā)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)最終會(huì)成為中學(xué)教育的重要工具，甚至撼動(dòng)以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)為主的地位。那么，在這種情況下如何把數(shù)字化實(shí)驗(yàn)引入課堂就成為至關(guān)重要的一步。經(jīng)過(guò)探索，可從以下三方面引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。

1做“有效引入”、“有利引入”的演示實(shí)驗(yàn)

要在高考的指揮棒下展示數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的魅力。對(duì)于目前高考說(shuō)明及學(xué)科指導(dǎo)意見的要求，如果過(guò)多的強(qiáng)調(diào)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，勢(shì)必會(huì)對(duì)高考帶來(lái)比較大的沖擊，所以，害怕“過(guò)度”強(qiáng)調(diào)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；但同時(shí)也期盼著現(xiàn)代化教學(xué)手段的引入，大幅度地改進(jìn)了許多傳統(tǒng)手段做不出、做不好的實(shí)驗(yàn)，變“不可見”為“可見”，由“抓不住”到“抓得住”，將“不好做的”轉(zhuǎn)變?yōu)椤昂米龅摹薄Ｋ?，如何在教學(xué)中應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)成為關(guān)鍵。基于以上的思考，應(yīng)做“有效引入”、“有利引人”的演示實(shí)驗(yàn)。

1.1所謂“有效引入”演示實(shí)驗(yàn)是指那些利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段難以辦到、演示效果不理想、以及不易于在課堂進(jìn)行演示的實(shí)驗(yàn)。但這些實(shí)驗(yàn)利用數(shù)字傳感器進(jìn)行演示卻能有更好的效果。

下面來(lái)分類說(shuō)明哪些屬于“有效引入”演示實(shí)驗(yàn)，第一類，有些演示實(shí)驗(yàn)利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段難以辦到，但用數(shù)字傳感器演示效果很好。比如，作用力及反作用力的關(guān)系實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段利用兩個(gè)彈簧秤只能演示靜止情況下二力相等，但數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以在任何運(yùn)動(dòng)情況下演示出二力相等的關(guān)系。像這類的實(shí)驗(yàn)還有很多，如最大靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力的關(guān)系，氣體壓強(qiáng)與溫度的關(guān)系等等演示實(shí)驗(yàn)。第二類，利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段演示效果不理想，但采用數(shù)字傳感器演示效果非常不錯(cuò)的演示實(shí)驗(yàn)。比如，進(jìn)行“自感現(xiàn)象”教學(xué)時(shí)，傳統(tǒng)的自感現(xiàn)象演示儀仍“位居前排”，但連接在電路上的已經(jīng)不是演示電表，而是數(shù)字電流和電壓傳感器。這一改變使得原來(lái)只能憑借小燈泡的明滅和演示電表的擺動(dòng)進(jìn)行觀察的自感過(guò)程。現(xiàn)在可以通過(guò)“電流一時(shí)間、電壓一時(shí)間”圖線而獲得更清晰體現(xiàn)，把自感中電流隨時(shí)間變化及電壓隨時(shí)間變化情況進(jìn)一步量化、放大化，學(xué)生對(duì)自感現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)深度大大提升。第三類，有些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不易于在課堂進(jìn)行演示。利用數(shù)字傳感器準(zhǔn)確、快速的特點(diǎn)可以在課堂上有限時(shí)間內(nèi)演示完成。比如，進(jìn)行“彈簧振子擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)”時(shí)，“服役”多年的彈簧振子演示器依然“寶刀不老”，只是原來(lái)的振子被數(shù)字位移發(fā)射傳感器替換。位于位移發(fā)射傳感器一側(cè)的位移接收傳感器接收到振動(dòng)數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)屏幕上即可實(shí)時(shí)描繪出彈簧振子的S-t振動(dòng)圖線。再如，牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)中，利用傳統(tǒng)的演示儀，進(jìn)行紙帶的分析計(jì)算出加速度，然后再通過(guò)畫圖得出力與加速度或者質(zhì)量與加速度的關(guān)系，既要占用大量課堂時(shí)間，而且得出的結(jié)論也往往會(huì)存在很大誤差甚至是差錯(cuò)。而利用數(shù)字傳感器演示這一實(shí)驗(yàn)，可以做到準(zhǔn)確、快速地完成。在節(jié)省了課堂時(shí)間的同時(shí)，又準(zhǔn)確地驗(yàn)證了牛頓第二定律。把這一物理過(guò)程連貫地展現(xiàn)在課堂之中。

1.2所謂“有利引入”是指尊重學(xué)科指導(dǎo)意見，基于高考說(shuō)明內(nèi)容基礎(chǔ)上。對(duì)于教學(xué)起到實(shí)質(zhì)幫助作用所引入的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。

比如，利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器研究小車運(yùn)動(dòng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)，按照高考的要求，是希望利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出紙帶，然后通過(guò)對(duì)紙帶進(jìn)行測(cè)量、列表、畫圖的方法研究小車的運(yùn)動(dòng)情況，更加注重紙帶分析的過(guò)程。如果用數(shù)字傳感器來(lái)研究這個(gè)問(wèn)題，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶都不需要，也就缺少了對(duì)于紙帶的分析過(guò)程，是學(xué)科指導(dǎo)意見所不允許的。所以。

在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的引入時(shí)要做基于學(xué)科指導(dǎo)意見及高考說(shuō)明基礎(chǔ)上的引入。

2利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確、迅速獲取數(shù)據(jù)的特點(diǎn)開展研究性學(xué)習(xí)，讓學(xué)生獲得創(chuàng)造的樂趣和激發(fā)更多的創(chuàng)造靈感。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和探索能力提供了良好的平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)基礎(chǔ)上，學(xué)生發(fā)揮自己的能動(dòng)性，設(shè)計(jì)各種實(shí)驗(yàn)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)字化。在真實(shí)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整合。由于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室具備“實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)”的功能，數(shù)據(jù)采集、處理和圖線描述都由計(jì)算機(jī)完成。所以師生們可以從數(shù)據(jù)讀取、記錄，公式運(yùn)算和圖線描繪等繁瑣的簡(jiǎn)單勞動(dòng)中解脫出來(lái)，將更多的精力放在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上并且可以研究一些更加復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)形式。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室為實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)方式的多樣化。培養(yǎng)學(xué)生的自主探索研究，進(jìn)行廣泛的體驗(yàn)、合作和交流提供了時(shí)間和空間。教師應(yīng)充分發(fā)揮數(shù)字化實(shí)驗(yàn)這一突出優(yōu)勢(shì)。利用“實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)”節(jié)省出的時(shí)間，引導(dǎo)學(xué)生改變實(shí)驗(yàn)條件，對(duì)物理現(xiàn)象和物理規(guī)律進(jìn)行深入的分析和討論，提高學(xué)習(xí)過(guò)程的質(zhì)量。例如。讓學(xué)生預(yù)先設(shè)計(jì)出一種運(yùn)動(dòng)模式，并畫出其S-t圖線，然后利用位移傳感器，使運(yùn)動(dòng)規(guī)律滿足預(yù)先設(shè)計(jì)的模式。由于S-t圖線可以實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，可供學(xué)生很方便地予以比較。并做改變運(yùn)動(dòng)模式的多次嘗試。這樣的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)不僅生動(dòng)活潑，也符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。而開展這些活動(dòng)的關(guān)鍵，還在于使用數(shù)字傳感器所節(jié)省出的大量時(shí)間。

3可以通過(guò)開展校本課程。設(shè)計(jì)一套符合學(xué)生操作的學(xué)生數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。形成數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、推廣。

相信隨著課程改革的步伐，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)部分取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的趨勢(shì)勢(shì)在必行，尤其是學(xué)生實(shí)驗(yàn)這一塊。往往會(huì)成為課程改革的重要一步，不如利用校本課程這一平臺(tái)做好前期的準(zhǔn)備工作。開展學(xué)生的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。比如，利用“牛頓第二定律的研究”，“伏案法測(cè)小燈泡的電阻”等開展若干以學(xué)生操作為主的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。讓學(xué)生體會(huì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)。再如，“探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)中，可以分別擺出傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)兩種儀器，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中體會(huì)兩種實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)探索、交互性指導(dǎo)和討論的能力、大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，突破了某些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜、誤差大等瓶頸。但同時(shí)，應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)必將沖擊傳統(tǒng)教學(xué)的教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法。它的推廣與實(shí)踐不僅是信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)整合的過(guò)程，更重要的是教育觀念轉(zhuǎn)變的過(guò)程。當(dāng)然，教師在指導(dǎo)學(xué)生開展數(shù)字實(shí)驗(yàn)活動(dòng)時(shí)。不僅要關(guān)注數(shù)字化實(shí)驗(yàn)本身，更要關(guān)注和探討廣義的信息技術(shù)在物理教學(xué)中應(yīng)用的理念和方法。

參考文獻(xiàn)：

周新艷《朗威DISlab在物理教學(xué)中的運(yùn)用)www.wzms，cn/upload/2007-1-18/200711883553.doc

(欄目編輯：陳潔)