數(shù)字化實驗在初中物理實驗教學中的應用

張寧波

摘 要：本文從教學實踐的角度，闡述了數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）在兩個具體的實驗教學案例——探究電流與電壓的關系實驗教學和探究磁鐵周圍的磁場實驗教學中的應用，通過將傳統(tǒng)的實驗教學與DIS實驗結(jié)合的嘗試，有效地提高了實驗的效率。

關鍵詞：數(shù)字化實驗；初中物理實驗；物理實驗教學

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）11-0059-2

數(shù)字化實驗（DIS）是信息技術與物理教學整合的重要基礎。數(shù)字化實驗室的設備主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機、配套系統(tǒng)軟件及配套教具等構(gòu)成。它以真實實驗為基礎，通過各種傳感器替代傳統(tǒng)的儀表，通過數(shù)據(jù)采集器將采集到的實驗數(shù)據(jù)送往計算機進行數(shù)據(jù)處理、圖線分析，借助計算機平臺更直觀地顯示物理現(xiàn)象，更深刻地揭示物理規(guī)律。傳感器是數(shù)字化實驗室的重要組成部分。傳感器包括力傳感器、位移傳感器、聲波傳感器、電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器、壓強傳感器、磁感應強度傳感器等。它能夠快速、高精度地適時采集物理實驗中力熱聲光電等各種變化著的物理量數(shù)據(jù)。基于傳感器的計算機實時數(shù)據(jù)采集和基于計算機數(shù)據(jù)處理軟件的計算機建模和圖像分析等技術是開展物理探究教學的兩大技術支撐。

下面列舉兩個筆者在初中物理教學中利用DIS數(shù)字化系統(tǒng)的實驗創(chuàng)新教學實例。

案例1 探究電流與電壓的關系

傳統(tǒng)教學中，學生進行分組實驗時利用滑動變阻器多次改變定值電阻兩端的電壓，分別用電壓表和電流表測出電壓值和對應的電流值，再在坐標系中描點作圖，通過數(shù)據(jù)和圖像得出結(jié)論。但一節(jié)課的時間里，學生既要設計實驗方案，包括設計實驗電路和實驗表格，又要完成定值電阻的電壓、電流值的多次測量，需要較長的時間。而且，如果電壓值取得太接近或者不是倍數(shù)關系，測出的數(shù)據(jù)不容易得出結(jié)論。因此，在實驗前，很多教師往往會提醒學生使電壓成整數(shù)倍變化，這樣做的結(jié)果是學生確實容易發(fā)現(xiàn)規(guī)律、總結(jié)出結(jié)論，但是“探究”的意味就淡了許多，原本生動有趣的實驗也變得枯燥乏味了。若非如此，學生就需要更多時間來進行更多次的實驗，一節(jié)課的內(nèi)容又很難完成。

應用DIS數(shù)字化系統(tǒng)就很輕松地解決了這個矛盾。

實驗過程和數(shù)據(jù)分析：

1.按電路圖連接電路，為使結(jié)論具有普遍性，將一個5 Ω和一個10 Ω的定值電阻串聯(lián)進電路進行實驗，用電壓傳感器和電流傳感器代替電壓表和電流表分別測定值電阻兩端的電壓和通過定值電阻的電流。

2.將電壓傳感器和電流傳感器分別接入數(shù)據(jù)采集器。

3.打開計算機，進入數(shù)字化信息系統(tǒng)軟件，新建實驗，設置電阻的電流-電壓關系圖線。

4.閉合開關，移動滑動變阻器的滑片，改變定值電阻兩端的電壓，測量多組電壓和電流值。計算機根據(jù)得到的電壓值和電流值實時在界面上生成電流-電壓關系圖像，如圖1所示。

⒌分析所得的實驗數(shù)據(jù)和圖像，得出結(jié)論。

從圖像中能明顯地看出通過定值電阻的電流與定值電阻兩端的電壓成正比。將電壓、電流傳感器引入測量小燈泡的電阻教學，就可以在很短的時間內(nèi)清楚地記錄下電流隨電壓變化的曲線。使教學手段更多樣，促進教學目標的更好達成。使用數(shù)字傳感器的好處一是時間短，通過設置，每隔0.1 s就會有一組電壓電流數(shù)據(jù)對應的點描繪在坐標系中，因此在較短的時間（幾秒鐘）內(nèi)就會有幾十個點記錄下來，同時生成I-U圖像。二是數(shù)據(jù)多，結(jié)論更可靠。由于采集的數(shù)據(jù)較多，因此圖像較為理想。

案例2 探究磁鐵周圍的磁場實驗

實驗裝置如圖2所示：

1.將磁傳感器接入數(shù)據(jù)采集器。

2.打開數(shù)字化信息系統(tǒng)軟件，新建實驗，設置磁場強度-時間圖線，時間設置為1 min，時間間隔設為10 ms。

3.將磁傳感器探頭向下，在條形磁體表面從條形磁體的中間開始勻速地向一個磁極移動（如圖3），再從一個磁極勻速向另一個磁極移動，如此往復，測出磁場強度隨時間的變化。

4.觀察圖像，總結(jié)條形磁鐵周圍的磁場分布特點。

應用磁感應傳感器可以使學生明顯地觀察到電磁鐵周圍磁場強弱的變化，使我們?nèi)庋劭床灰娒恢拇艌鲎兊蔑@而易見。

由以上數(shù)字化實驗教學中的應用看出傳感器的介入提升了實驗的效率圖像的展示，進一步培養(yǎng)了學生的觀察能力和分析能力。讓教師無需語言的贅述，通過理性的數(shù)學分析得出，使學生的認知水平得到提升。但數(shù)字化實驗也存在一些問題，比如不利于學生對傳統(tǒng)實驗儀器的熟練操作和正確使用。同時，數(shù)字化設備對學生的科學探究方法、學習能力、創(chuàng)新能力、數(shù)字處理能力有較高的要求。因此，教師在教學過程中就必須再學習，必須接受新儀器、新手段，才能掌握好新的科技手段，并用在自己的教學工作中。

參考文獻：

[1]徐蓓蓓.物理DIS實驗與探究式教學的整合和案例研究[D].上海：華東師范大學碩士學位論文，2010.

（欄目編輯 王柏廬）