物理實驗數(shù)字化教學(xué)法與傳統(tǒng)教學(xué)的對比研究

鄒 鵬

（河南省許昌高中，河南許昌 461000）

引 言

物理實驗是物理學(xué)的基礎(chǔ)，也是物理教學(xué)的重要手段，因而必須重視物理實驗教學(xué)。21世紀的教育改革提出“信息技術(shù)與課程整合”，在這種教育理念下，我們既要繼承傳統(tǒng)實驗教學(xué)的優(yōu)秀內(nèi)容，又要結(jié)合科技發(fā)展不斷升級實驗教學(xué)手段。

一、問題的提出

隨著社會與科技的進步，傳統(tǒng)實驗方法已經(jīng)不能完全滿足現(xiàn)階段教育教學(xué)的需要和學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的需求，數(shù)字化實驗應(yīng)運而生。數(shù)字化實驗是一種基于計算機的集教育與信息技術(shù)于一體的新型教學(xué)工具，由傳感器（主要包含力、位移、溫度、時間、電流、電壓等多種）、數(shù)據(jù)采集器、計算機和數(shù)字化實驗系統(tǒng)構(gòu)成，數(shù)字化實驗系統(tǒng)可以模擬多種物理場景，可以用多種形式處理實驗數(shù)據(jù)[1]。

近年來各地應(yīng)用數(shù)字化實驗替代傳統(tǒng)實驗的呼聲很高，但對兩種實驗方式能否被學(xué)生所接受的研究并不多。筆者對第18屆126名高中學(xué)生（從高一入學(xué)到進入高三的兩年內(nèi)）在部分物理實驗中，使用數(shù)字化實驗方法和傳統(tǒng)實驗方法的情況進行了研究。

二、實驗過程

實驗過程是個體探究學(xué)習(xí)的過程，是從具體實物到抽象理論的過程。美國教育學(xué)家戴爾提出的“經(jīng)驗之塔”的學(xué)習(xí)理論（圖1），將人類學(xué)習(xí)的經(jīng)驗按照從具體到抽象分為三大類十個層次，并用塔形圖進行描述。

將該理論與兩種實驗方式相對照，研究學(xué)生在實驗中的學(xué)習(xí)認知過程，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)實驗注重學(xué)生的全程參與動手能力，在做的經(jīng)驗上效果更佳；數(shù)字化實驗以其強大的圖像展示功能，在觀察經(jīng)驗上表現(xiàn)突出；而抽象經(jīng)驗指學(xué)生分析總結(jié)的過程，是由學(xué)生參與實驗的程度以及個體思維能力差異等因素共同決定的。

圖1

三、研究方法

本研究采用問卷調(diào)查法進行實證研究，調(diào)查表的設(shè)計重點參照了新大綱中對學(xué)生實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)要求。問卷主要調(diào)查學(xué)生對兩種實驗方式的興趣、參與意愿、對實驗的了解、針對實驗所做的準備工作等。主要問題包括：（1）你對哪種實驗方法感興趣；（2）你傾向于選擇哪種實驗方法；（3）你為什么認同所選的實驗方法；（4）你為實驗做了哪些準備。

結(jié)合戴爾的“經(jīng)驗之塔”學(xué)習(xí)理論，具體調(diào)查內(nèi)容包含：（1）你實際使用哪種實驗方法；（2）哪種實驗方法的展示效果好；（3）哪種實驗方法更有助于總結(jié)抽象的物理規(guī)律；（4）你為什么選擇這種實驗方法；（5）請闡述你對兩種實驗方法的認識等。

實驗前后均發(fā)放126份調(diào)查問卷，均回收有效問卷126份。

四、結(jié)果分析

1.學(xué)生興趣與實際選擇的差異

統(tǒng)計結(jié)果顯示，首次實驗時學(xué)生對數(shù)字化實驗感興趣的比率高達94%，實際使用數(shù)字化實驗的學(xué)生比率只有51%，后期試驗中學(xué)生對數(shù)字化實驗感興趣的比率有所下降，但使用數(shù)字化實驗的比率卻下降迅速。

該對比結(jié)果反映出學(xué)生接受新事物的興趣和能力都很強，但實際使用實驗方法的選擇受到多種因素的影響，其中包括：已經(jīng)熟悉的物理實驗方法，對數(shù)字化實驗系統(tǒng)學(xué)習(xí)并使用的興趣與能力，出于對考試內(nèi)容的思考造成的實驗方法的選擇等。其中學(xué)生反饋初中只接受過傳統(tǒng)實驗教學(xué)。高中教師的反饋中則顯示，高中物理實驗的考試內(nèi)容正逐步變化，不僅越來越重視學(xué)生的能力的考察，而且考試內(nèi)容開始涵蓋傳感器、數(shù)據(jù)處理等，但仍以傳統(tǒng)實驗方法為考察重點。所以學(xué)生大多數(shù)仍然選取了傳統(tǒng)實驗方法[2]。

2.學(xué)生對兩種實驗方法接受與使用的差異

調(diào)查中還顯示，學(xué)生對數(shù)字化實驗的方式遠沒有傳統(tǒng)實驗熟悉，數(shù)字化實驗中傳感器的使用，數(shù)據(jù)的處理方式等，學(xué)生要想熟練使用數(shù)字實驗系統(tǒng)強大的功能需要前期的多次培訓(xùn)。而傳統(tǒng)實驗中各種儀器有其明確的用途，多數(shù)學(xué)生早已了解并能熟練使用。

同時傳統(tǒng)實驗注重學(xué)生動手能力的培養(yǎng)，而數(shù)字化實驗雖然場景和效果形象生動，但缺失了實驗操作過程。根據(jù)戴爾“經(jīng)驗之塔”的學(xué)習(xí)理論，人類學(xué)習(xí)是從具體到抽象，從直接到間接的過程 ，也就是從“做的經(jīng)驗”到“觀察的經(jīng)驗”，最終到“抽象的經(jīng)驗”的學(xué)習(xí)過程。傳統(tǒng)實驗遵循了這個規(guī)律，而數(shù)字化實驗則直接從“觀察的經(jīng)驗”到“抽象的經(jīng)驗”，忽視了基礎(chǔ)“做的經(jīng)驗”。這都是造成學(xué)生對兩種實驗方法接受并使用存在差異的原因。

3.學(xué)生對兩種數(shù)據(jù)處理方法認同度都很高

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方式集數(shù)學(xué)運算、物理分析、繪圖等多種能力的訓(xùn)練，數(shù)字化實驗數(shù)據(jù)處理則更為多樣化，而且方便、快速，準確率還高?？梢哉f，傳統(tǒng)實驗的數(shù)據(jù)處理方式鍛煉了學(xué)生思維與動手的能力，數(shù)字化實驗的數(shù)據(jù)處理方式則拓展了實驗的寬度與廣度，訓(xùn)練了學(xué)生的發(fā)散性思維。兩種數(shù)據(jù)處理方式的優(yōu)點都比較明顯，調(diào)查顯示學(xué)生不僅對兩種數(shù)據(jù)處理方式的認同度都很高，而且希望兩者融合的意愿比較強烈。

4.數(shù)據(jù)中反映的其他問題

針對本次調(diào)查研究，筆者總結(jié)選擇差異的原因分為主觀與客觀兩方面。主觀原因是高中學(xué)生接受新事物的實用性與目的性更強，學(xué)生的選擇都繞不開考試與成績。因此在實驗考試的內(nèi)容與模式?jīng)]有明顯改變的前提下，學(xué)生依然選擇以傳統(tǒng)的實驗方法為主?？陀^原因則是數(shù)字化實驗中實驗環(huán)境的調(diào)試、實驗器材的選取與組裝、實驗數(shù)據(jù)的采集與分析都是由傳感器和計算機完成的，學(xué)生除了前期連接傳感器、數(shù)據(jù)采集器外，只需要緊盯電腦屏幕點擊相應(yīng)的選項即可。學(xué)生沒有了親身的體驗，數(shù)據(jù)得來不再辛苦，傳統(tǒng)實驗中那種深切的體驗感沒有了，物理規(guī)律的記憶也就不深刻。就如同現(xiàn)在方便快捷的網(wǎng)絡(luò)閱讀一樣，閱讀的數(shù)量上去了，閱讀的質(zhì)量卻在下降。

五、教學(xué)的建議

1.認清差異存在的原因

筆者認為學(xué)生對兩種實驗教學(xué)法的選擇差異是不斷進步的技術(shù)能力與多年不變的教育考試方式之間的不均衡發(fā)展造成的，隨著教育改革的不斷深入，兩者之間的不斷融合，差異也會逐漸消失。

2.揚長避短，促進實驗?zāi)芰Φ娜姘l(fā)展

傳統(tǒng)實驗著重“做的經(jīng)驗”，卻不利于拓展學(xué)生的思維。數(shù)字化實驗著重“觀察的經(jīng)驗”，讓學(xué)生獲得更全面和直觀的物理信息，但忽視“做的經(jīng)驗”也就失去了“經(jīng)驗之塔”中的基石。只有揚長避短，充分利用兩種實驗方法的優(yōu)點合理規(guī)劃實驗過程，才能使學(xué)生獲得更加深刻與全面的“抽象經(jīng)驗”。

3.設(shè)計新的實驗方法，促進數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗的有機融合

設(shè)計新的實驗方法，在充分展現(xiàn)傳統(tǒng)實驗優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，增加探索性與設(shè)計性，多方位拓展實驗，引導(dǎo)學(xué)生充分利用數(shù)字化實驗的優(yōu)點，促進數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗的有機融合。

[1] 竺春陽,沈敬偉.高中物理數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗的比較研究[J].物理教學(xué),2013,35(05):19-22.

[2] 張海濱.淺議數(shù)字化物理實驗背景下自感現(xiàn)象的研究[J].數(shù)理化學(xué)習(xí),2015,(05):4-5.