高中物理實(shí)驗(yàn)中數(shù)字信息化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用

◆裴應(yīng)紅 馮振軍

高中物理實(shí)驗(yàn)中數(shù)字信息化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用

◆裴應(yīng)紅 馮振軍

立足于數(shù)字信息化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在高中物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用情況，分析研究現(xiàn)實(shí)存在的不足，從而提出相應(yīng)的應(yīng)用方案。

數(shù)字信息化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；高中物理；實(shí)驗(yàn)

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.01.141

1 前言

目前在高中物理教學(xué)中，無論是對數(shù)據(jù)的處理，還是在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)施方面，都采用大量數(shù)字信息化手段。高中物理是一門專業(yè)性較強(qiáng)的學(xué)科，因此對數(shù)字信息化有著較高的要求。

2 數(shù)字信息化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用分析

教師的實(shí)際應(yīng)用分析教師使用數(shù)字信息化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)做物理實(shí)驗(yàn)的情況大致可以分為不太熟練、較熟練、很熟練三類。其中，一些重點(diǎn)學(xué)校的教師的熟練情況明顯高于發(fā)展較為緩慢的學(xué)校。此外，實(shí)驗(yàn)的難易程度也給教師的使用帶來較為明顯的影響。如對于一些難度較大的實(shí)驗(yàn)，不僅要求教師對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求很熟悉，而且要能把傳統(tǒng)的器材和數(shù)字信息化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合才能順利進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如教師在進(jìn)行傳送帶上的物體受力情況實(shí)驗(yàn)時(shí)，就不能完全按照課本的步驟實(shí)施，還應(yīng)考慮現(xiàn)實(shí)因素帶來的影響，如物體是否受到摩擦力？它受到的摩擦力的大小和方向又是怎么樣的？是靜摩擦力還是滑動(dòng)摩擦力？等等。這就要求在實(shí)驗(yàn)過程中，教師不但要分析物體落地的初速度大小和方向，還要分析物體相對于傳送帶的初速度的大小和方向，并需要時(shí)刻關(guān)注和調(diào)整傳感器和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)曲線圖與數(shù)據(jù)變化。這種類型的實(shí)驗(yàn)對教師的動(dòng)手能力、思維能力、教育教學(xué)能力等有著很多要求，這也是許多教師感到使用數(shù)字信息化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)做物理實(shí)驗(yàn)不熟練的主要原因[1]。

數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性分析數(shù)字信息化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集器、傳感器、教材專用軟件和教材通用軟件等構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)原理是物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，物理實(shí)驗(yàn)對實(shí)驗(yàn)的過程要求很高，其中最重要的就是準(zhǔn)確性。要保證實(shí)驗(yàn)原理的正確，必須要做到實(shí)驗(yàn)真實(shí)、原理無誤。在傳統(tǒng)的高中物理實(shí)驗(yàn)中，由于實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)條件的限制，使得物理實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行之后的結(jié)果的顯示和預(yù)期的結(jié)果總會(huì)存在明顯差異，而物理教學(xué)本身，往往是需要學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原理來對物理問題進(jìn)行實(shí)際分析，如果實(shí)驗(yàn)誤差過大，則是一次失敗的實(shí)驗(yàn)，更是一次失敗的教學(xué)。而數(shù)字信息化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的傳感器精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器，比如其中的溫度傳感器精度可以達(dá)到+/-0.3 ℃，并且能適應(yīng)較大的溫差變化。在使用力傳感器進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)時(shí)可以精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位，而普通的彈簧測力計(jì)只能精確到小數(shù)點(diǎn)后一位，而且還有可能受到外界的影響，造成實(shí)驗(yàn)誤差[2]。

實(shí)驗(yàn)便捷性分析數(shù)字信息化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行的是實(shí)時(shí)采集，所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以很快就呈現(xiàn)在學(xué)生眼前。在利用數(shù)字信息化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，操作簡單。如在進(jìn)行牛頓第三定律的實(shí)驗(yàn)時(shí)，只需要接入力傳感器就可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，力傳感器外觀設(shè)計(jì)的手柄構(gòu)造可以與鐵架臺、力矩盤等教學(xué)用具緊密配合使用，可以同時(shí)測量壓力和拉力。而且在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的同時(shí)，“組合圖像”窗口中還可以繪制出基于來自傳感器的數(shù)據(jù)圖線。此外，為了滿足復(fù)雜實(shí)驗(yàn)中對多個(gè)物理量的要求，通用軟件可以并行顯示各個(gè)傳感器的工作狀態(tài)，并且記錄和處理各傳感器采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

課堂高效性分析課堂教學(xué)效率是由學(xué)生和教師共同決定的，將數(shù)字信息化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用到物理教學(xué)中，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索潛力，從而大幅度提高課堂效率、另外，教師在實(shí)驗(yàn)過程中不必?fù)?dān)心數(shù)據(jù)的誤差，因?yàn)閿?shù)字信息化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)是絕對真實(shí)的數(shù)據(jù)，大大減少了記錄和處理數(shù)據(jù)所耗費(fèi)的時(shí)間。根據(jù)對學(xué)生的調(diào)查結(jié)果顯示，63%的學(xué)生愿意使用數(shù)字信息化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)做物理實(shí)驗(yàn)，30%的學(xué)生非常愿意使用數(shù)字信息化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)做物理實(shí)驗(yàn)。這些調(diào)查數(shù)據(jù)都說明學(xué)生愿意并且喜歡新型的技術(shù)手段，而且在改善教學(xué)環(huán)境的同時(shí)也增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生通過自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，還可以鍛煉多方面的能力，如動(dòng)手能力、數(shù)據(jù)分析能力、觀察能力、圖像識別能力、邏輯思維能力、合作能力等。在物理實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生得到鍛煉最多的是數(shù)據(jù)分析能力和動(dòng)手能力，合作能力也有顯著提高[3]。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢與劣勢分析傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的主要實(shí)驗(yàn)器材有秒表、米尺、天平、彈簧秤、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、電壓表、電流表、溫度計(jì)等，還受到教學(xué)理念、教學(xué)方法、課堂和教材的限制。在實(shí)驗(yàn)過程中需要嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作，傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)注重的是學(xué)生的動(dòng)手能力操作，但是限制了學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后，學(xué)生要根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和過程，用人工的方式記錄相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且要根據(jù)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)原理繪制相應(yīng)的圖像，容易因?yàn)樽x數(shù)誤差和儀器的精確誤差而對實(shí)驗(yàn)造成影響。

但是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)明顯優(yōu)勢就是實(shí)驗(yàn)設(shè)備具有耐用性，而且簡單直觀，可以很快掌握使用方法。也正是由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)步驟繁瑣的原因，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前必須明確了解實(shí)驗(yàn)的原理、步驟，理清實(shí)驗(yàn)思路，有助于學(xué)生對實(shí)驗(yàn)過程形成深刻印象，充分理解實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的物理規(guī)律和概念。同時(shí)可以培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)品質(zhì)，因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)結(jié)束之后，學(xué)生要進(jìn)行多次觀察和重復(fù)測量，將每次得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、計(jì)算，有利于學(xué)生掌握科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法和求真的品質(zhì)[4]。

數(shù)字信息化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的優(yōu)勢與劣勢分析數(shù)字信息化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)器材主要是傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)、傳感器連線、計(jì)算機(jī)通信線、電源線、轉(zhuǎn)接器等其他附件，由于其在物理實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用新的教學(xué)理念及教學(xué)方法而擴(kuò)大了物理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵，縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，將更多的時(shí)間留給學(xué)生分析討論。加上在實(shí)驗(yàn)過程中主要是將實(shí)驗(yàn)器材與計(jì)算機(jī)相連，然后由計(jì)算機(jī)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，自動(dòng)合成實(shí)驗(yàn)圖像，基本可以避免實(shí)驗(yàn)誤差。

數(shù)字信息化實(shí)驗(yàn)可以快速采集數(shù)據(jù)，而且精度較高，容易操作；將數(shù)據(jù)采集記錄之后，系統(tǒng)可以自主對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理儲(chǔ)存。數(shù)字信息化實(shí)驗(yàn)另一個(gè)明顯的優(yōu)勢是它可以對一些傳統(tǒng)儀器無法測量的物理量（如地磁場、光強(qiáng)等）進(jìn)行測量。而且這種新的實(shí)驗(yàn)手段具有很強(qiáng)的拓展性，可以使學(xué)生擁有自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的條件。但是數(shù)字信息化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要依賴于先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，一旦設(shè)備出現(xiàn)問題，則數(shù)據(jù)連基本的正常讀取都無法完成[5]。

3 結(jié)語

數(shù)字信息化實(shí)驗(yàn)是新課程改革下的新的產(chǎn)物，尤其是在高中物理教學(xué)中，由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理教學(xué)的主要內(nèi)容，因此要積極引入數(shù)字信息化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，提高其應(yīng)用效率，促進(jìn)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的良性發(fā)展。

[1]顧培琳.DIS實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)中的優(yōu)化應(yīng)用及有效性研究[D].上海:上海師范大學(xué),2012.

[2]丁瑩.基于數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）的高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[D].南京:南京師范大學(xué),2012.

[3]徐蓓蓓.物理DIS實(shí)驗(yàn)與探究式教學(xué)的整合和案例研究[D].上海:華東師范大學(xué),2010.

[4]陳燕.應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺優(yōu)化高中物理教學(xué)的實(shí)踐研究[D].江蘇:蘇州大學(xué),2010.

[5]朱遠(yuǎn)稼.中美物理DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)比較研究[D].武漢:華中師范大學(xué),2013.

G633.7

B

1671-489X(2016)01-0141-02

作者：裴應(yīng)紅、馮振軍，壽光市壽光一中物理教研室（262700）。