让数字化实验成为优化物理课堂教学的有效途径

摘 要：物理实验在物理教学中发挥了重要的作用，但传统的物理实验手段存在诸多缺陷，无法很好体现课程改革的理念。本文依托实例，从整合传统实验和数字化实验、创新实验方法、设计数字化实验训练等三个角度阐述了实施数字化实验教学的途径，并指出了实施过程中应注意的几个问题。

关键词:数字化实验； 中学物理教学

中图分类号：G633．7 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2011）8-020-002

一、课程改革呼唤数字化实验

众所周知，我国目前正轰轰烈烈地进行中小学课程改革。课程改革的核心理念，就是要强化学生的自主探究性学习，让学生通过自主探究性学习，掌握新的知识，获得新技能，培养科学探究的能力。因此在课程改革的新形势下，物理教学中实验教学的地位显得更为重要。许多的知识、规律不再是由教材直接给出后通过教师灌输给学生，而是要求让学生通过探究性实验来再发现。

毋庸置疑，实验有着重要的教育价值，但是传统的物理实验的缺陷，常常使教师在教学过程中产生困惑。最主要有以下几个方面的问题：一是传统实验仪器的分辨率不高，影响了探究实验的结果。既然要求学生通过探究实验对科学知识和规律进行再发现，那么就必须使探究实验的结果和需再发现的规律尽可能的相符合，可是由于传统实验仪器的分辨率不高，导致最后得到的结果和科学规律不尽相符，教学目的无法实现；二是传统实验中实验数据的记录只能采用手工记录，数据采样率不高，对实验结果的精确度影响较大，更重要的是这种传统的数据记录方法面对一些快速连续变化的量时往往无能为力，导致一些实验无法完成；三是中学生分析处理数据的能力不强。传统实验室只能根据实验要求采集实验数据，但没有自动分析处理实验数据的功能。学生虽然在老师的指导下获得实验数据，但不懂如何分析和处理数据，最后还是回到由教师直接给出实验结果的老路上，使实验不能真正体现课程改革的理念。长此以往，学生会觉得实验难做，实验意义不大，严重影响学生的学习兴趣。

如何解决这些问题呢？数字化实验（DIS）的出现正逢其时，数字化实验以其强大的数据采集系统和处理软件成功的改善了一些已有的物理实验、增加了原来不能做或者实验现象不明显的实验。数字化实验在新课程的物理教学中有着很大的舞台，在新课程中使用数字化实验是大势所趋，并且在新教材中已经初显端倪。

二、数字化实验在教学中的实施途径

数字化实验凭借着自己独有的优势在新课程物理实验中得到了大量应用，极大地扩展了教学实验的内容，涉及以前教学实验无法涉及的领域，提升了物理教学的广度和深度，给予学生更大的学习空间，激发他们的想象力、创造力。下面笔者从三个方面具体谈谈DIS在物理教学中的具体应用。

1．整合传统实验和数字化实验，让物理规律更真实地展现在学生面前

简谐运动图像问题是选修3-4中的教学重点，教材中提供了多种获得x-t图像的方法，其中也包括了用传感器描绘气垫导轨上的弹簧振子的振动图像。笔者感觉使用气垫导轨进行实验需要的实验器材较多、较庞大，不宜在教室中进行。因此考虑用传统的受迫振动和共振演示仪来描绘x-t图像并进而探究受迫振动物体的运动特点。

如图1所示：将位移传感器的接受器固定在铁架上，将位移传感器的发射器连接在两根竖直弹簧间作为振子。将振子拉离平衡位置一段距离后静止释放，计算机中的软件自动记录下振子自由振动的x-t图像如图2所示（纵轴为位移，横轴为时间），由图2可知，振子自由振动周期约为0.5s。

利用此装置还可以研究振子受迫振动的特点。亦如图1所示，给安装在铁架上方的电动机通上6-8伏的直流电，电动机驱动偏心轮转动，通过细绳驱动振子做受迫振动，通过调节装置中的旋钮可以改变驱动力的频率。图3、图4和图5是驱动力周期分别约为1.1s、0.5s、0.25s时振子受迫振动稳定后的振动图像。

从记录的x-t图像很明显可以看出，当驱动力频率增大时，受迫振动稳定后的频率也越大，其振动频率已与固有频率无关。同时将三图对比就可以看出，驱动力频率越接近振子的固有频率，振子受迫振动稳定后的振幅就越大。

我们从这个实例可以看出，如果能将传统实验和数字化实验有机的整合在一起，即能充分利用实验室已有的实验器材，又能使实验结果更具体、更直观，也更有利学生理解和接受。

2．创新实验方法，让实验结果更精确可信

法拉第电磁感应定律是电磁感应部分中的核心内容，过去我们很难通过实验较为准确地得出这一定律，但是通过以下装置并利用数字化实验却可以实现。（此法拉第电磁感应定律定量探究装置是舟山二中余杰、曾裕两位老师在2010年浙江省高中物理教具创新成果展评中的成果，文中引用的装置图片和实验数据均来自于此，特此说明，并表感激。）

数字化实验本身就是一种实验记录和处理方法的创新，如果能在实验思想和实验器材上同时加以创新，那么两者更能相得益彰，对于推进实验创新和改革是非常有益的事情。

3．依托教材设计实验，让数字化实验成为实验训练的有效载体

在人教版物理3-1中用电阻放电法测电容的实验中，由于实验现象难以观察，数据难以快速读取记录，图线难以拟合等困难造成用传统的方法很难完成。如果引入了DIS来进行实验，对学生会有很大的吸引力，同时也可以作为实验训练的一道好题。我们可先用电压传感器测出电容器充电后电压U，然后通过对高阻值电阻放电的方法，测出电容器充电电压为U时，所带的电量为Q，进而再求出待测电容器的电容C。具体实验设计如下：

（1）按图9所示电路连接好实验电路，并将电压传感器、微电流传感器与数据采集器和计算机连接好；

（2）接通开关S，计算机记录下的电压时间图像如

图10所示；

（3）断开开关S，同时开始自动记录，在计算表格中自动记录下不同时刻的电流值，然后点击绘图按钮，并选择有效区域点击积分。得到的结果如图11所示。

在完成实验后，教师可以引导学生思考以下几个问题：

（1）根据图10回答：电容器充电后的电压U0为___________V；

（2）根据图11中的电流时间图像（纵轴的单位为μA、横轴单位为s）和相应的积分结果可以得出该电容器两端的电压为U0时所带的电量Q0约为 ___________C；

（3）该电容器的电容C约为____________F。

这样的实验设计既让学生懂得了如何用高电阻放电法测电容，又掌握了处理和分析实验数据的方法，同时又深化了对实验的思考，对于训练实验思维非常有益。

三、对DIS实验的几点思考

作为第一线的物理教师，应该在实践课改理念的过程中积极转变教育观念，不断提高自身的素质，抓住数字化实验与物理教学整合带来的挑战和机遇，积极参与数字化实验与物理教学整合的深入研究。为了能更好地利用数字化实验开展物理教学，教师在教学过程中应当注意以下几个问题：

L．“共存”与“替换”

数字化实验与传统实验应该同时并重，长期共存，互为补充，相辅相成，既无主次之分，更不能完全替换。在物理教学过程中既要提倡运用数字化实验，又不能偏废传统实验原理、实验手段和实验方法的学习。把传统实验和数字化实验割裂和对立是一种非常错误的观点，应该将传统实验和数字化实验有机整合起来，用数字化实验创新传统实验，用传统器材作为数字化实验的有力支撑。

2．“循序渐进”与“急于求成”

以朗威数字化信息系统实验室为例，其提供的专用实验有21个，提供的其他实验实例更是多达113个，但是我们完全没有必要大面积铺开，将这么多的实验都来进行一遍。教师可以先按课程标准，从基础性、拓展性和研究性课程中挑选一部分具有代表性、典型性的数字化实验，即可以由我们老师来操作演示，也可以在有条件的情况下让学生做熟又不重复，适度把握好数字化实验的容量和密度，使数字化实验真正落到实处，成为推进有效教学的载体。

3．“工具”与“目的”

数字化实验是一种新型实验工具和教学手段，是物理教学的工具，它不是学生应该要掌握的知识本身，而仅仅学生学习知识的一种途径和方法。因此，没有必要让学生全面掌握数字化实验的相关器材和软件的使用方法，一切要从学生的实际和学生的发展出发，让现代信息技术成为优化学生学习方式，提供学习效率的有效途径。

总之，数字化实验能有效开辟实验教学新天地、激发学生参与实验的兴趣、提高实验教学直观性、准确性和真实性。但是数字化实验的推广和应用需要一个漫长的过程，需要我们不断去研究和探索。

参考文献：

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