渠雷雷

（蚌埠第二中學(xué) 安徽 蚌埠 233000）

趙永樂(lè)

（蚌埠第九中學(xué) 安徽 蚌埠 233000）

眾所周知，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是中學(xué)物理教學(xué)的一項(xiàng)重要內(nèi)容和教學(xué)手段.實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效開(kāi)展，關(guān)系到理論聯(lián)系實(shí)踐、提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、培養(yǎng)學(xué)生濃厚科研興趣等教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成.然而面臨當(dāng)前社會(huì)信息爆炸式的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)廣大師生的吸引力已大不如前，因此當(dāng)整合了實(shí)驗(yàn)技術(shù)與信息技術(shù)的DIS實(shí)驗(yàn)一經(jīng)出現(xiàn)，便立刻成為物理同仁一致關(guān)注的熱點(diǎn)，并迅速取得了豐富的實(shí)踐成果.

1 不可忽視的現(xiàn)象

1.1 實(shí)驗(yàn)理論發(fā)展的嚴(yán)重滯后

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一種全新的軟硬件一體化的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，它具有多類型的傳感器、多通道的數(shù)據(jù)采集器、多樣化的自主操控平臺(tái)以及強(qiáng)大的函數(shù)圖像處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)手段數(shù)字化、測(cè)量呈現(xiàn)實(shí)時(shí)化、現(xiàn)象規(guī)律可視化、操作測(cè)量簡(jiǎn)單化，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，在延續(xù)傳統(tǒng)的同時(shí)超越傳統(tǒng)［1］.

但是，我們要清楚地認(rèn)識(shí)到，DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與物理實(shí)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合需要教育思想的首先變革，即從教育觀念、教育思想與教育模式等方面，強(qiáng)化和尊重師生雙方的主動(dòng)探究、創(chuàng)造性反思以及團(tuán)隊(duì)合作等全新的品質(zhì).

筆者認(rèn)為，DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)其優(yōu)越性的充分發(fā)揮，應(yīng)契合于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念.這種契合，不是一方被動(dòng)地適應(yīng)另一方，而應(yīng)該是雙方主動(dòng)地靠近和融合——正如馮容士院士所說(shuō)，“工具的變遷，課改的理念”.新課改的理念催生了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，后者也反過(guò)來(lái)呼喚著實(shí)驗(yàn)理念的更新.但是實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念的更新，卻不能僅僅著眼于實(shí)踐的層面，更應(yīng)該加大對(duì)實(shí)驗(yàn)理論的關(guān)注.

而目前的相關(guān)研究，多是應(yīng)用方面的具體實(shí)例，孤立的點(diǎn)狀個(gè)案比較多，缺少理論上的歸納和整理.從一方面來(lái)講，案例過(guò)于集中，觀點(diǎn)大致雷同，課題重復(fù)造成浪費(fèi).更重要的是文章過(guò)于偏向?qū)嵺`，嚴(yán)重依賴于教師教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的積累.往往經(jīng)驗(yàn)豐富、教學(xué)理念自成風(fēng)格的老教師，在文章中信手拈來(lái)的案例，新教師由于經(jīng)驗(yàn)的缺乏，只能生搬硬套.這說(shuō)明廣大物理同仁對(duì)實(shí)驗(yàn)理論的重視程度不高，缺少理論方面的融煉和交流，不能在宏觀層面上形成明確的指導(dǎo)性，可移植性很差.

筆者認(rèn)為，借由數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的角度對(duì)物理實(shí)驗(yàn)基本理論進(jìn)行深入研究，從理論角度，找到目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的根本問(wèn)題，從而優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，這是一個(gè)重要的研究方向.

1.2 一個(gè)表象的小問(wèn)題

在提到數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，教師往往首先想到的是其如何突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段的限制，比如，大幅度改進(jìn)原來(lái)做不出、做不好的實(shí)驗(yàn)，變“不可見(jiàn)”為“可見(jiàn)”，由“抓不住”到“抓得住”，將“不好做的”轉(zhuǎn)變?yōu)椤昂米龅摹保?］.所以大部分教師對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)贊不絕口，對(duì)其發(fā)展的前景也充滿著希望.

但如果換由學(xué)生的角度來(lái)看，考慮到中學(xué)生所處的年齡階段，結(jié)論就不容樂(lè)觀了.筆者在學(xué)生中做的一些小調(diào)查發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)課上“容易走神”，階段性的“不知道在做什么”，內(nèi)心里“不喜歡”甚至“排斥”數(shù)字化實(shí)驗(yàn).調(diào)查結(jié)論顯示：如果可以選擇，學(xué)生更傾向于做傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn).

那么，是什么原因造成教師和學(xué)生對(duì)待同一事物的觀念差異呢？數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在本質(zhì)上有什么區(qū)別？

2 問(wèn)題分析

2.1 無(wú)法回避的主觀感受

出現(xiàn)教師和學(xué)生對(duì)待數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的觀念差異，首先是看問(wèn)題的角度和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不同.教師從設(shè)計(jì)者的角度，更多的是關(guān)注實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確性，過(guò)程的嚴(yán)謹(jǐn)性，因此數(shù)字化實(shí)驗(yàn)當(dāng)然更具優(yōu)勢(shì).而學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的評(píng)判依據(jù)則是自身好奇心和動(dòng)手欲望是否得到滿足，恰恰在這方面數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有所欠缺.

實(shí)驗(yàn)課上學(xué)生只能機(jī)械地按照既定程序點(diǎn)擊鼠標(biāo)，總感覺(jué)缺少點(diǎn)兒實(shí)驗(yàn)探究的激情和樂(lè)趣，無(wú)法全身心投入實(shí)驗(yàn)過(guò)程 ——“不像是在做實(shí)驗(yàn)，更像是在學(xué)電腦”.因此從主觀感受上找原因，DIS實(shí)驗(yàn)雖然精確性占優(yōu)，但在直觀性上比較欠缺，親和力遜于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn).

2.2 兩面性的客觀特點(diǎn)

筆者在調(diào)查中也發(fā)現(xiàn)，DIS實(shí)驗(yàn)在理科基礎(chǔ)好的學(xué)生中受到的排斥，要小于理科基礎(chǔ)差的學(xué)生.或者說(shuō)理科基礎(chǔ)好的學(xué)生比理科基礎(chǔ)差的學(xué)生更容易接受DIS實(shí)驗(yàn).究其原因，既然DIS系統(tǒng)能夠破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段的限制，改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)做不出、做不好的實(shí)驗(yàn)，因此相應(yīng)的在數(shù)據(jù)的底層處理上，本身就要比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)繁瑣.這樣正反兩方面的客觀特點(diǎn)，就決定了理科基礎(chǔ)差的學(xué)生只能游離于實(shí)驗(yàn)的感性表層，無(wú)法深入地參與實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理等重要環(huán)節(jié).這實(shí)質(zhì)上就凸顯了學(xué)科培養(yǎng)目標(biāo)與業(yè)已存在的學(xué)生分化之間的矛盾關(guān)系.

3 理論探究

3.1 二維分析圖

基于上面的分析，如果把處理難度和參與度分別作為兩個(gè)評(píng)判指標(biāo)，對(duì)一堂實(shí)驗(yàn)課做一個(gè)二維分析，就可以大致衡量出該節(jié)實(shí)驗(yàn)課的效果如何.

圖1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與DIS實(shí)驗(yàn)的二維分析圖

如圖1所示，在以數(shù)據(jù)處理難度和參與度為兩坐標(biāo)軸的平面象限中，受學(xué)生喜愛(ài)的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)因其處理難度低而參與度高，處于右下角的第四象限；被學(xué)生排斥的DIS實(shí)驗(yàn)因其較高的處理難度和較低的參與度，處于左上角的第二象限.而值得注意的是，如果一次實(shí)驗(yàn)教學(xué)，本身處理難度并不高，卻沒(méi)有有效地引發(fā)學(xué)生的積極參與，就淪為了左下角第三象限中的失敗實(shí)驗(yàn)；與其完全相反的則是理論上的最優(yōu)實(shí)驗(yàn).

3.2 完整實(shí)驗(yàn)體系理論構(gòu)想

從上面的分析可以看出，實(shí)驗(yàn)者的水平高低，實(shí)驗(yàn)者參與度的高低，也是對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行評(píng)價(jià)的一個(gè)重要方面.因此，為了進(jìn)一步研究實(shí)驗(yàn)理論，筆者認(rèn)為應(yīng)當(dāng)把實(shí)驗(yàn)者這一主觀因素，與客觀的實(shí)驗(yàn)器材一起組成完整的實(shí)驗(yàn)體系，并且淡化外在表象，僅從內(nèi)在功能上進(jìn)行切割劃分.

為此，筆者提出了一個(gè)包括實(shí)驗(yàn)者和實(shí)驗(yàn)對(duì)象在內(nèi)的，更廣義的完整實(shí)驗(yàn)體系的理論構(gòu)想.這一構(gòu)想中，實(shí)驗(yàn)者和實(shí)驗(yàn)對(duì)象并不是脫離于實(shí)驗(yàn)儀器之外的無(wú)關(guān)事物，而是和后者一樣，分屬實(shí)驗(yàn)體系的一個(gè)環(huán)節(jié)或一個(gè)模塊［2］.如果僅僅從功能上來(lái)看，可以將這三者劃分為5個(gè)功能層，分別為：

（1）決策層.提出實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，組織整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程，并對(duì)數(shù)據(jù)做出深度分析.

（2）界面層.以一定的形式呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，比如儀表盤(pán)、指示燈、軟件界面等呈現(xiàn)的形式.

（3）處理層.能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種簡(jiǎn)單處理 ——記錄、轉(zhuǎn)化和組織（包括圖像、表格）.

（4）測(cè)量層.從實(shí)驗(yàn)對(duì)象采集所需的各物理量.

（5）對(duì)象層.實(shí)驗(yàn)的直接作用對(duì)象，問(wèn)題的研究對(duì)象等.

這5個(gè)功能層自上而下構(gòu)成一個(gè)5層的金字塔結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 完整實(shí)驗(yàn)體系的5層金字塔結(jié)構(gòu)

3.3 實(shí)驗(yàn)流程模式

需要提出的是，以上5層結(jié)構(gòu)的相互位置，并不是絕對(duì)的.數(shù)據(jù)信息的流轉(zhuǎn)順序不同，順序也會(huì)發(fā)生一定的改變，這就涉及到實(shí)驗(yàn)的流程模式.下面以伏安法測(cè)電阻這一實(shí)驗(yàn)為例，闡述傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和DIS實(shí)驗(yàn)在流程模式上的這種區(qū)別.

3.3.1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)流程特點(diǎn)

圖3 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)伏安法測(cè)電阻的實(shí)驗(yàn)流程模式

該傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)電路圖和流程模式如圖3所示，分析如下.

對(duì)象層.實(shí)驗(yàn)對(duì)象為小燈泡，燈座結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)象展示直觀、明晰.

測(cè)量層、界面層.電流表、電壓表分別采集得到流過(guò)小燈泡的電流值和其兩端的電壓值，同時(shí)表盤(pán)也兼具界面的作用，把數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)值和變化趨勢(shì)呈現(xiàn)給實(shí)驗(yàn)者.

處理層.實(shí)驗(yàn)者讀數(shù)、記錄數(shù)據(jù)，同時(shí)填寫(xiě)在事先準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)表格內(nèi)，執(zhí)行實(shí)驗(yàn)方案中的重復(fù)步驟，改變滑動(dòng)變阻器位置，重復(fù)上面的過(guò)程.得到數(shù)據(jù)后進(jìn)行計(jì)算或者作圖，提供進(jìn)一步?jīng)Q策的依據(jù).

決策層.實(shí)驗(yàn)者事先制定計(jì)劃，確定實(shí)驗(yàn)方案、選定實(shí)驗(yàn)對(duì)象和實(shí)驗(yàn)工具，并根據(jù)電路圖連接、安裝電路，以及故障排除，衡量實(shí)驗(yàn)誤差，檢測(cè)是否達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?

特點(diǎn)總結(jié)：測(cè)量層和界面層合一，實(shí)驗(yàn)對(duì)象的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，被測(cè)量層采集后，直接呈現(xiàn)在各自的界面，成分散狀態(tài)；實(shí)驗(yàn)者行使決策層和處理層兩種功能；實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的快慢取決于實(shí)驗(yàn)者實(shí)驗(yàn)技能的熟練程度，節(jié)奏由實(shí)驗(yàn)者主導(dǎo)，其參與實(shí)驗(yàn)流程的程度較高.

3.3.2 DIS實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)

圖4 DIS實(shí)驗(yàn)伏安法測(cè)電阻的實(shí)驗(yàn)流程模式

該DIS實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)電路圖和流程模式如圖3所示，分析如下.

對(duì)象層.實(shí)驗(yàn)對(duì)象為廠商特制小型電路板上的小燈泡，其集成化、特型化的特點(diǎn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)者形成一定的認(rèn)知障礙.

測(cè)量層.電流傳感器、電壓傳感器分別采集得到流過(guò)小燈泡的電流值和其兩端的電壓值.

處理層.傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集器的轉(zhuǎn)換，傳入計(jì)算機(jī)，并自動(dòng)進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，由軟件系統(tǒng)進(jìn)行記錄和匯總.實(shí)驗(yàn)者按照既定順序，點(diǎn)擊軟件界面特點(diǎn)按鈕，輔助完成數(shù)據(jù)處理.

界面層.軟件系統(tǒng)依照通用的或者實(shí)驗(yàn)專用的界面呈現(xiàn)給決策層，大量數(shù)據(jù)信息經(jīng)過(guò)集成后顯示在同一界面，對(duì)實(shí)驗(yàn)者的信息閱讀能力和分析能力要求較高.

決策層.雖然可以自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，但大多數(shù)實(shí)驗(yàn)受到實(shí)驗(yàn)器材設(shè)計(jì)思想的限制，只能采取既定方案；通常一個(gè)DIS實(shí)驗(yàn)有其特定的或者成套的器材，因此在器材選擇上也不夠自由.

特點(diǎn)總結(jié)：測(cè)量工具沒(méi)有獨(dú)立界面，數(shù)據(jù)采集的第一步無(wú)法形成直觀感受，造成一定的距離感；從測(cè)量層、處理層到界面層，重復(fù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和數(shù)據(jù)處理過(guò)程不夠明晰，全部由計(jì)算機(jī)完成，在認(rèn)知上形成DIS黑箱，一旦出現(xiàn)故障，不易定位故障點(diǎn)；實(shí)驗(yàn)者行使決策的作用被削弱，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)體系中處于邊緣地位，參與實(shí)驗(yàn)流程的程度不高，器材反過(guò)來(lái)主導(dǎo)了整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的快慢取決于器材和軟件最初的設(shè)計(jì).

3.3.3 兩種實(shí)驗(yàn)流程模式的差異對(duì)比

從完整實(shí)驗(yàn)體系的金字塔結(jié)構(gòu)圖，也可以對(duì)DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行一個(gè)直觀的對(duì)比.

圖5 兩種實(shí)驗(yàn)流程模式的直觀對(duì)比

從圖5的對(duì)比可以看出，DIS實(shí)驗(yàn)相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，有以下兩點(diǎn)重要變化：

（1）處理層下移，界面層上移，說(shuō)明由測(cè)量層采集來(lái)的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)匯總、初步處理或轉(zhuǎn)化后，方呈現(xiàn)給界面層.

（2）傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)體系中的實(shí)驗(yàn)者占據(jù)了5層中的上兩層，器材方面占據(jù)了中間兩層；與之相對(duì)比的是，DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)囊括了體系的中間3層，實(shí)驗(yàn)者只保留了頂層.說(shuō)明傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中器材和實(shí)驗(yàn)者在實(shí)驗(yàn)體系中占據(jù)的分量比較均衡；而DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一定程度上架空了實(shí)驗(yàn)者的決策地位，會(huì)使得實(shí)驗(yàn)者因參與程度降低、對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程無(wú)法掌控而產(chǎn)生疏離感.

因此，至少就目前來(lái)看，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仍有著DIS實(shí)驗(yàn)所無(wú)法取代的優(yōu)勢(shì)，即在親和度、自由度和參與度上遠(yuǎn)超DIS實(shí)驗(yàn).過(guò)分強(qiáng)調(diào)DIS實(shí)驗(yàn)的高效性、精確性，實(shí)質(zhì)上是忽略了實(shí)驗(yàn)者的主觀感受，忽略了中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)象的年齡特點(diǎn)，忽略了中學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的教學(xué)性質(zhì).或許在科研領(lǐng)域，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)將更加如魚(yú)得水.但在中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中，為了優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，應(yīng)當(dāng)通過(guò)客觀的、針對(duì)教學(xué)需求的分析，適當(dāng)放慢實(shí)驗(yàn)節(jié)奏.這樣才能更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和科學(xué)思維模式，更好地提高學(xué)生的動(dòng)手能力和設(shè)計(jì)能力.

4 結(jié)語(yǔ)

筆者以為，實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例的研討，不應(yīng)是空洞、隨意或者盲目的靠數(shù)量取勝.物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)化發(fā)展，也不應(yīng)該窠臼于普通課型的常見(jiàn)分析方法.應(yīng)該大力發(fā)展實(shí)驗(yàn)理論的研究，建立起一整套適合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的評(píng)價(jià)依據(jù)和分析方法.這樣，既方便實(shí)驗(yàn)案例的深入研討，也有利于新教師的學(xué)習(xí)和成長(zhǎng).更重要的是，借由實(shí)驗(yàn)理論的深入研究，可以從使用者的角度，給數(shù)字化產(chǎn)品企業(yè)提供一個(gè)發(fā)展方向的有益建議，使其開(kāi)發(fā)出更多更符合中學(xué)生年齡特點(diǎn)、更適合課堂教學(xué)演示、更受大多數(shù)學(xué)生歡迎和喜愛(ài)的數(shù)字化產(chǎn)品，也從更廣泛的角度促成科學(xué)理論與應(yīng)用技術(shù)之間的良性互動(dòng)！

1 李進(jìn).基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)拓展.教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2009（7）

2 梁杰.朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)走入中學(xué)實(shí)驗(yàn)室.中國(guó)教育報(bào)，2006－01－20（5）

3 董光順.從DIS與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)談中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)類型的選擇.物理通報(bào)，2013（10）