數(shù)字實(shí)驗(yàn)開發(fā)要領(lǐng)

姚志城

(無錫市第一中學(xué),江蘇無錫 214031)

數(shù)字實(shí)驗(yàn)開發(fā)要領(lǐng)

姚志城

(無錫市第一中學(xué),江蘇無錫 214031)

數(shù)字實(shí)驗(yàn)利用傳感器獲取數(shù)據(jù)信息,通過計(jì)算機(jī)完成對實(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,它的出現(xiàn)對于提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展、培養(yǎng)其科學(xué)探究能力、形成科學(xué)態(tài)度與科學(xué)精神起到了積極的作用,數(shù)字實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)改革的一個(gè)重要方向[1].

國內(nèi)的數(shù)字實(shí)驗(yàn)研究起步晚,實(shí)驗(yàn)還不成體系,因此,開發(fā)數(shù)字實(shí)驗(yàn)是當(dāng)務(wù)之急.筆者利用朗威DIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)做了大量的研究,開發(fā)了一系列數(shù)字實(shí)驗(yàn),編寫了DIS實(shí)驗(yàn)探究的校本課程[2],在這里筆者就開發(fā)數(shù)字實(shí)驗(yàn)的體會(huì)與各位讀者一起分享,不當(dāng)之處還請指批評(píng)指正.

1 數(shù)字實(shí)驗(yàn)案例體系是數(shù)字實(shí)驗(yàn)推廣的保證

數(shù)字實(shí)驗(yàn)的開發(fā)需要開發(fā)者能注重傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的研究,熟練操作數(shù)字實(shí)驗(yàn)軟件,這樣才能將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)向數(shù)字實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化.此外,開發(fā)者要有動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的愛好和很強(qiáng)的耐心,筆者依據(jù)對知識(shí)要求的不同程度,將數(shù)字實(shí)驗(yàn)的開發(fā)分為兩類:基于基礎(chǔ)知識(shí)的實(shí)驗(yàn)開發(fā)和科學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)開發(fā).

1.1 基于基礎(chǔ)知識(shí)的實(shí)驗(yàn)開發(fā)

圖1

圖2

物理理論從實(shí)際中來,到實(shí)際中去,平時(shí)教學(xué)中出現(xiàn)的物理情景就是很好的實(shí)驗(yàn)開發(fā)素材,它們有很好的理論支持,易于被察覺.因此,基于基礎(chǔ)知識(shí)的實(shí)驗(yàn)開發(fā)并不太難,筆者根據(jù)“恢復(fù)系數(shù)”理論開發(fā)的“往復(fù)運(yùn)動(dòng)的位移與路程”實(shí)驗(yàn)就是一例(圖1).

實(shí)驗(yàn)器材:聲傳感器、小球、米尺.

實(shí)驗(yàn)過程:將聲傳感器接入數(shù)據(jù)采集器,在圖線窗口添加“聲波sound-時(shí)間t”圖線,讓小球從距離桌面某一高度(28 cm)高處落下(圖1),聲傳感器記錄小球與桌面碰撞的聲波圖像(圖2),從圖像中找出每次小球與桌面碰撞的時(shí)刻,根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)計(jì)算小球往復(fù)運(yùn)動(dòng)的位移和路程.

根據(jù)聲振動(dòng)圖像得到數(shù)據(jù)如表1.從表1看出,小球每次與桌面碰撞后在空中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間與碰撞前的運(yùn)動(dòng)時(shí)間比是一個(gè)固定值,約為α=0.80,則相鄰兩次碰撞中,小球上升的高度比為β=α2=0.64,小球總的路程為h總=h0+2βh0+2β2h0+…+2βnh0(n→∞) =1.28m,小球的位移為0.28 m.

表1

1.2 科學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)的開發(fā)

圖3

“科學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)”是針對開發(fā)者而言的,這類探究是為了發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象和規(guī)律,為學(xué)生實(shí)驗(yàn)指明方向.開發(fā)這類實(shí)驗(yàn)的思維具有跳躍性,開發(fā)者可以不知道實(shí)驗(yàn)的理論是什么,但需要有很強(qiáng)的邏輯思維能力和敏銳的洞察力.因此,開發(fā)者要注重課外知識(shí)的積累,多看趣味性實(shí)驗(yàn)書籍,注重競賽知識(shí)的學(xué)習(xí),并且能翻閱大學(xué)的教材,補(bǔ)充自己的知識(shí).“鋸條振動(dòng)的規(guī)律”實(shí)驗(yàn)的開發(fā)就是筆者一次大膽的嘗試(圖3),當(dāng)完美的實(shí)驗(yàn)效果呈現(xiàn)在面前時(shí),筆者覺得這種付出很“值”!

探究依據(jù):鋸條具有很好的韌性,它在小幅度內(nèi)振動(dòng)時(shí)發(fā)生的是完全彈性形變,因此振動(dòng)可能是一個(gè)簡單的函數(shù)表達(dá)式.

實(shí)驗(yàn)器材:位移傳感器、鐵架臺(tái)、鋸條、直尺、橡皮筋、木塊2只.

實(shí)驗(yàn)步驟:用木塊夾住鋸條固定在鐵架臺(tái)上,用橡皮筋將位移傳感器的發(fā)射裝置綁定在鋸條上(圖3);在圖線窗口添加“位移s-時(shí)間t”圖線,讓鋸條振動(dòng)起來,觀察它的振動(dòng)圖線,并用合適的函數(shù)進(jìn)行擬合(圖4);

圖4

在表格中增加變量“L”、“T0”分別表示鋸條長度(鋸條的固定位置到橡皮筋處的長度)和鋸條的振動(dòng)周期,探究振動(dòng)周期與鋸條長度的關(guān)系(表2);以鋸條長度“L”為X軸,以振動(dòng)周期“T0”為Y軸作圖,并用合適的函數(shù)進(jìn)行擬合(圖5).

表2

圖5

從實(shí)驗(yàn)圖像可知,鋸條做小幅度振動(dòng)時(shí)是簡諧振動(dòng),它的周期與鋸條長度成正比.

2 數(shù)字實(shí)驗(yàn)自制教具是數(shù)字實(shí)驗(yàn)開發(fā)的有力補(bǔ)充

圖6

物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué),教學(xué)儀器是開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要物質(zhì)條件,雖然各個(gè)學(xué)校都不缺教具,但是在新的課程理念下自制教具仍是必要的:(1)生活中的物理問題多種多樣,不可能每個(gè)教具都能買到;(2)自制的教具最符合自己的要求,使用起來得心應(yīng)手,正如李政道先生所說的“自制的教具,永遠(yuǎn)比買的好”;(3)自制教具也是新課程的需要,新課程強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力,使他們逐步形成科學(xué)態(tài)度與科學(xué)精神.教師自制教具能為學(xué)生樹立榜樣,對于增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力有著不可低估的作用.

雖然數(shù)字實(shí)驗(yàn)的附屬產(chǎn)品已經(jīng)非常豐富,能夠替代多數(shù)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn),但是數(shù)字實(shí)驗(yàn)有很多自身的特點(diǎn),這就需要開發(fā)一批與這些功能相符的配套的教具.筆者為了講解向心力的相關(guān)知識(shí)自制了“向心力突變演示儀”(圖6),它體現(xiàn)了力傳感器和光電門傳感器的優(yōu)越性.

實(shí)驗(yàn)原理:物體做圓周運(yùn)動(dòng),沿著徑向方向的合力提供了向心力,當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)半徑突然發(fā)生改變,它的瞬時(shí)速度的大小不變,但向心力和加速度會(huì)突然發(fā)生改變.

圖7

實(shí)驗(yàn)器材:力傳感器、光電門傳感器、鐵架臺(tái)、三角刀口、200 g圓柱形鉤碼、游標(biāo)卡尺、刻度尺.

實(shí)驗(yàn)步驟:按圖6安裝好儀器,調(diào)節(jié)光電門傳感器的高度,使鉤碼的中心位于光電門兩光孔的連線上,調(diào)節(jié)三角刀口到合適的位置,記下刀口到光電門的距離L,表示擺線碰到刀口后鉤碼的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑;將鉤碼拉離平衡位置,釋放鉤碼,在擺線觸碰刀口后,阻止鉤碼回?cái)[,在圖線窗口中獲得一條“F-t”圖像,從圖像上找出拉力的突變值(圖7),記下光電門的讀數(shù),用游標(biāo)卡尺量出鉤碼的直徑D,根據(jù)向心力公式和牛頓定律算出實(shí)際需要的拉力,比較拉力的測量值與計(jì)算值是否相符.

測量變力的值和瞬時(shí)速度的大小是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的弱點(diǎn),但數(shù)字實(shí)驗(yàn)則能輕易做到.該實(shí)驗(yàn)說明了向心力與合力關(guān)系,從實(shí)驗(yàn)效果來看,儀器誤差小于3%,是可以接受的.

3 結(jié)束語

數(shù)字實(shí)驗(yàn)的推廣是教育發(fā)展的需要,它必然代替部分傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn),成為物理教學(xué)的重要支柱.我們要盡我們的能力,挖掘它的功能,豐富它的內(nèi)涵,為數(shù)字實(shí)驗(yàn)注入生命力.在新的教學(xué)中,我們要借助數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)讓學(xué)生充分發(fā)揮自主學(xué)習(xí)的能動(dòng)性,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新靈感,帶領(lǐng)學(xué)生逐步進(jìn)入數(shù)字化的實(shí)驗(yàn)時(shí)代.

1 姚志城.數(shù)字實(shí)驗(yàn)的困境與開發(fā).物理教學(xué),2010(9):23

2 倪亞清,姚志城.數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)研究.南京:內(nèi)蒙古人民出版社,2010.

2010-01-18)