數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)入課堂的實(shí)踐與思考

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，通過計算機(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，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)過探索，從以下三個方面把數(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，通過開展校本課程，設(shè)計一套符合學(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)整合的過程，更重要的是教育觀念轉(zhuǎn)變的過程，還有很多實(shí)踐與理論問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：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：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)各種測量儀器由人來讀數(shù)、記錄數(shù)據(jù)，然后人工方法進(jìn)行計算和繪制圖線。這種過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)，但有時候大量的測量和繁瑣的計算往往使最后得到的結(jié)果趨于失敗，給這個階段的學(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)過實(shí)驗(yàn)探索。發(fā)現(xiàn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有以下幾個優(yōu)勢：

第一，摒棄如天平、彈簧測力器、計時器這些傳統(tǒng)測量誤差性比較大的實(shí)驗(yàn)工具，將學(xué)生徹底解放出來，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摩擦力的測量只能通過講述的方式讓學(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)微變化可即時呈現(xiàn)于電腦屏幕上。再如，“圓錐運(yùn)動中向心力的測量”、“碰撞過程中力的分析”等許多過去中學(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)，可對于很多學(xué)校來說，只有在公開課的時候才用它，為什么數(shù)字化實(shí)驗(yàn)還沒有興盛起來呢?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，用考什么來決定教學(xué)內(nèi)容，把高考作為評價教育的終極標(biāo)準(zhǔn)，高考的壓力使得教師沒有時間學(xué)習(xí)新事物；二是對數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的排斥。教師對“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)最終會成為中學(xué)教育的重要工具，甚至撼動以傳統(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。對于目前高考說明及學(xué)科指導(dǎo)意見的要求，如果過多的強(qiáng)調(diào)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，勢必會對高考帶來比較大的沖擊，所以，害怕“過度”強(qiáng)調(diào)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；但同時也期盼著現(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。

下面來分類說明哪些屬于“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的演示實(shí)驗(yàn)。比如，進(jìn)行“自感現(xiàn)象”教學(xué)時，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。這一改變使得原來只能憑借小燈泡的明滅和演示電表的擺動進(jìn)行觀察的自感過程。現(xiàn)在可以通過“電流一時間、電壓一時間”圖線而獲得更清晰體現(xiàn)，把自感中電流隨時間變化及電壓隨時間變化情況進(jìn)一步量化、放大化，學(xué)生對自感現(xiàn)象的認(rèn)識深度大大提升。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間內(nèi)演示完成。比如，進(jìn)行“彈簧振子擺動實(shí)驗(yàn)”時，“服役”多年的彈簧振子演示器依然“寶刀不老”，只是原來的振子被數(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數(shù)據(jù)。計算機(jī)屏幕上即可實(shí)時描繪出彈簧振子的S-t振動圖線。再如，牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)中，利用傳統(tǒng)的演示儀，進(jìn)行紙帶的分析計算出加速度，然后再通過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間，而且得出的結(jié)論也往往會存在很大誤差甚至是差錯。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)省了課堂時間的同時，又準(zhǔn)確地驗(yàn)證了牛頓第二定律。把這一物理過程連貫地展現(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，基于高考說明內(nèi)容基礎(chǔ)上。對于教學(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)計時器研究小車運(yùn)動規(guī)律的實(shí)驗(yàn)，按照高考的要求，是希望利用打點(diǎn)計時器打出紙帶，然后通過對紙帶進(jìn)行測量、列表、畫圖的方法研究小車的運(yùn)動情況，更加注重紙帶分析的過程。如果用數(shù)字傳感器來研究這個問題，打點(diǎn)計時器、紙帶都不需要，也就缺少了對于紙帶的分析過程，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)的引入時要做基于學(xué)科指導(dǎo)意見及高考說明基礎(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，在這個平臺基礎(chǔ)上，學(xué)生發(fā)揮自己的能動性，設(shè)計各種實(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)時實(shí)驗(yàn)”的功能，數(shù)據(jù)采集、處理和圖線描述都由計算機(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單勞動中解脫出來，將更多的精力放在實(shí)驗(yàn)設(shè)計上并且可以研究一些更加復(fù)雜的運(yùn)動形式。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。利用“實(shí)時實(shí)驗(yàn)”節(jié)省出的時間，引導(dǎo)學(xué)生改變實(shí)驗(yàn)條件，對物理現(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)過程的質(zhì)量。例如。讓學(xué)生預(yù)先設(shè)計出一種運(yùn)動模式，并畫出其S-t圖線，然后利用位移傳感器，使運(yùn)動規(guī)律滿足預(yù)先設(shè)計的模式。由于S-t圖線可以實(shí)時顯示在計算機(jī)屏幕上，可供學(xué)生很方便地予以比較。并做改變運(yùn)動模式的多次嘗試。這樣的實(shí)驗(yàn)活動不僅生動活潑，也符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。而開展這些活動的關(guān)鍵，還在于使用數(shù)字傳感器所節(jié)省出的大量時間。

3可以通過開展校本課程。設(shè)計一套符合學(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)的趨勢勢在必行，尤其是學(xué)生實(shí)驗(yàn)這一塊。往往會成為課程改革的重要一步，不如利用校本課程這一平臺做好前期的準(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)生體會數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)。再如，“探究小車速度隨時間變化的規(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)過程中體會兩種實(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，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)整合的過程，更重要的是教育觀念轉(zhuǎn)變的過程。當(dāng)然，教師在指導(dǎo)學(xué)生開展數(shù)字實(shí)驗(yàn)活動時。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)