數(shù)字化實驗系統(tǒng)在初中物理探究實驗中的應(yīng)用

沈翔

南通市第一初級中學(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)略高度提出要創(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)用到物理實驗，計算機(jī)實時測量、處理實驗數(shù)據(jù)，分析實驗結(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)字化實驗系統(tǒng)（Digital Information System，簡稱DIS）成為各地數(shù)字化校園建設(shè)重點項目，數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室也成為初中物理開展課內(nèi)外探究實驗的首選對象。

1 數(shù)字化實驗系統(tǒng)簡介

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

數(shù)字化實驗系統(tǒng)能夠直接將測得的物理量以數(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，配合手持分析儀使用還具有戶外拓展性。

2 初中數(shù)字化實驗系統(tǒng)探究實驗的設(shè)計原則

2.1 科學(xué)性原則

在活動設(shè)計中首先要遵循的就是科學(xué)性。數(shù)字化探究活動的實驗原理、實驗方法要科學(xué)。教師在設(shè)計實驗時要符合初中物理教學(xué)規(guī)律，遵循物理原理，使教育價值得以體現(xiàn)。

2.2 針對性原則

數(shù)字化實驗系統(tǒng)實驗設(shè)計應(yīng)該圍繞實驗教學(xué)的目標(biāo)，在改進(jìn)傳統(tǒng)實驗時仍然要突出實驗的目的和意義。數(shù)字化實驗所要替代的只是探究活動中數(shù)據(jù)讀取和處理等環(huán)節(jié)，因此數(shù)字化實驗系統(tǒng)實驗要從學(xué)生的實際出發(fā)，針對教材中的重難點，不能因為要刻意使用數(shù)字化實驗設(shè)備而改變探究實驗活動的主旨。

2.3 適用性原則

數(shù)字化實驗系統(tǒng)實驗的設(shè)計要適用于初中物理實驗教學(xué)。數(shù)字化實驗系統(tǒng)配套的傳感器能滿足力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)等物理量的測量。初中物理數(shù)字化實驗的設(shè)計應(yīng)以定性分析為主，多采用圖像分析法。

數(shù)字化實驗系統(tǒng)實驗活動的設(shè)計還要符合初中生的認(rèn)知規(guī)律。初中學(xué)生對物理圖像的認(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。實驗設(shè)計還要避免使實驗復(fù)雜化，這樣才能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3 數(shù)字化實驗系統(tǒng)在初中綜合實踐活動中的應(yīng)用

3.1 探究聲音的特性

【活動目的】通過對自己及身邊物體的發(fā)聲的波形了解聲音的特性。

【實驗設(shè)計】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)實驗?zāi)０寮纯蓪嶒?。實驗時電腦分析軟件自動將聲波傳感器接收到的聲音信號的波形描繪在坐標(biāo)系中，形成實時振動波形圖。

【探究過程】用不同響度的聲音對著傳感器說話，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。男女生分別對著傳感器說話，形成兩條振動波形，將兩條波形對比發(fā)現(xiàn)，女生音調(diào)高，聲波振動的頻率高；用不同樂器演奏同一音調(diào)，觀察不同的樂器，振動波形特點各不相同，理解影響音色的因素；利用聲波傳感器和手持分析儀測量一天中不同時間段教室內(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踐活動。

【實驗優(yōu)點】傳統(tǒng)聲學(xué)實驗是用鼓面細(xì)小物體的跳動高度來反映振幅，電動機(jī)齒輪的轉(zhuǎn)速來反映振動頻率的，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特點可視化，既簡化了測量和記錄方法，又豐富了聲學(xué)實驗的方法，使探究活動變得更加易于操作，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

蘇科版物理九年級自制水果電池的探究活動安排在第十三章第四節(jié)，本節(jié)主要內(nèi)容為介紹電壓知識和電壓表的使用。作為課后自主探究活動，自制水果電池的內(nèi)容深受學(xué)生喜愛，但常見水果實際能產(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的測量精度，在實驗設(shè)計中，不僅能夠較明顯地顯示出水果電池的電壓，增加實驗的趣味性，還可以動態(tài)演示電壓值的變化。在探究影響電壓的因素時，先在軟件中設(shè)定記錄電壓值和時間的坐標(biāo)，再逐漸改變金屬片插入的深度，系統(tǒng)將會將整個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)字化實驗系統(tǒng)開展探究活動的幾點思考

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

在設(shè)計初中物理數(shù)字化探究活動時，要正確地認(rèn)識數(shù)字化實驗和傳統(tǒng)實驗之間的關(guān)系，實驗的設(shè)計要能夠使學(xué)生更易于接受，使得數(shù)字化實驗更直觀。

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