高中物理數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗的對照研究

程新陽

【內(nèi)容摘要】通過對高中物理數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗的對照研究，驗證現(xiàn)代信息技術在高中物理課程教材中應用的優(yōu)勢性，即在高中物理新課程教材中補充了大量的數(shù)字化實驗，通過信息技術和物理教學整合的情況下提升了高中物理課堂教學效率。

【關鍵詞】高中物理 數(shù)字化實驗 傳統(tǒng)實驗 對照研究

物理是一門以實驗為基礎的學科，數(shù)字化實驗在物理實驗教學中你的引入是物理實驗教學模式創(chuàng)新的一種重要體現(xiàn)， 對提升高中物理課堂教學成效起到了十分重要的作用。為此，在高中物理傳統(tǒng)實驗教學中需要教師結合實際在其中融入數(shù)字化實驗，從而不斷提升高中物理課堂教學成效。

一、數(shù)字化實驗

物理數(shù)字化實驗操作由實驗器材、實驗傳感器、數(shù)字采集器、電腦、顯示屏五個部分組成，其中，實驗儀器是物理實驗操作所必備的器械；傳感器用來采集物理學的光、熱、力等非電學信號；數(shù)據(jù)采集器是連接傳感器和計算機設備的信號轉換設備；計算機是對信息進行處理的設備。數(shù)字化實驗在應用計算機、傳感器等現(xiàn)代信息技術的情況下能夠進一步提升物理實驗的精準性。

二、高中物理數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗的對照

1.實驗檢測功能的對照

第一，信息的獲取和變換功能。數(shù)字化實驗獲得的信息密度大、速度快、靈敏度高、受外界環(huán)境干擾小、計量單位能夠隨意變換。傳統(tǒng)物理實驗儀器獲取信息的靈敏度和密度較低，且受外界環(huán)境的干擾大。第二，信息運算和保存功能。數(shù)字化實驗具備較強的信息運算和管理功能，在使用的時候能夠實時的保存連續(xù)信息。傳統(tǒng)物理實驗儀器則是以人力計算為主要形式，且只能對簡單的“點”信號進行記錄和存儲。第三，信息的顯示和操作功能。數(shù)字化實驗系統(tǒng)信息顯示具有表格、圖像、數(shù)值等多種呈現(xiàn)形式，顯示功能強大，記錄便利、完整。傳統(tǒng)實驗儀器則是一種模擬顯示方式，操作動作較慢，在使用的時候具有滯后性和不完整的缺陷。

2.實驗檢測性能比較

第一，靜態(tài)性能。靜態(tài)性能是儀器明確度，在不考慮誤差的情況下，同一類別測量儀器分度數(shù)值和分辨力和精確度呈現(xiàn)反比的關系。常見的幾種數(shù)字化實驗系統(tǒng)和傳統(tǒng)測量儀器分度值如表一所示。第二，動態(tài)性能。動態(tài)性能是在瞬時出現(xiàn)的實驗儀器性能。數(shù)字化實驗要比傳統(tǒng)實驗的動態(tài)性能良好。比如在人教版高中物理力學的學習中，教學重點是猜想加速度a和力F、質量m之間存在怎樣的關系？速度、力和質量存在怎樣的關系？

（1）應用高中物理數(shù)字化儀器探究在質量不變情況下，加速度和力的關系

①應用天平秤裝有位移傳感器小車的質量；②應用彈簧測力計測量出小桶放置砝碼的重力，將其作為小車收到的拉力。③在軌道擁有滑輪的一邊安裝位移傳感器接收器，將其和數(shù)據(jù)采集器連接，用繩子連接小車；④開啟電源，運行數(shù)字化實驗軟件，點擊加速度和力的關系，釋放小車，測定加速度；⑤保持小車的質量不發(fā)生變化，改變鉤碼數(shù)量反復進行實驗測量；⑥處理實驗數(shù)據(jù)，得到結論。

（2）應用高中物理傳統(tǒng)實驗探究在質量不變情況下，加速度和力的關系

在傳統(tǒng)實驗中準備器材電火花打點計時器、紙帶、小車、天平、滑輪木板、小車、小桶、彈簧測力計。①調(diào)節(jié)天平，測量小車的質量，應用彈簧測力計測小桶里砝碼重力，將結果作為小車的拉力；②將木板放在實驗臺上，調(diào)節(jié)模板，讓小車在木板上處于一種靜止狀態(tài)；③實現(xiàn)小車末端和紙帶的連接，在前面系好繩子，繩子跨過定滑輪連接一個鉤碼，紙帶穿過打點計時器；④打開電源，釋放小車，在小車的帶動下，打點計時器在紙帶上留下了一系列的點；⑤小桶中增加質量大的砝碼，重新進行以上的實驗；⑥利用紙帶計算加速度，記錄數(shù)據(jù)，填好表格，如表二所示。根據(jù)表二的數(shù)據(jù)繪制出圖一a-F圖像，得出結論，在允許的誤差范圍中，物體質量達到一定數(shù)額的時候，加速度和所受的外力呈現(xiàn)正比關系。

3.實驗時間比較

傳統(tǒng)實驗操作一般需要占用較長的時間，特別是在量化數(shù)據(jù)測量的時候，時間成為約束課堂教學實際和課程實施的關鍵。數(shù)字化實驗中的傳感器在作為實驗載體之后，提升了實驗階段的操作效率。電腦CPU作為實現(xiàn)計算主體之后，實驗數(shù)據(jù)的處理和分析效率也會相應的提升。另外，對于一些需要緩慢操作的實驗來講，從實驗的完成速度來看，數(shù)字化實驗的手段要比一般實驗手段先進。

4.觀察結果的比較

物理實驗操作過程中需要進行相應的觀察，通過觀察讓學生獲得更多物理知識，獲得物理學習體驗。在傳統(tǒng)物理實驗中，數(shù)據(jù)、過程、結果等都是憑借人的感官來是實現(xiàn)的，存在較大的誤區(qū)。一些細微的空間變化、時間尺度等都會干擾實驗結果。數(shù)字化實驗則是能夠進一步延伸和優(yōu)化人的感官。

5.實驗完整性和真實性的比較

在傳統(tǒng)物理實驗中，一些微小的變化是很難被捕捉和展現(xiàn)的，在一般情況下，一次實驗操作往往只能得到一個“點”的數(shù)據(jù)，數(shù)字化實驗則是能夠在一系列的實驗過程中展現(xiàn)多個“數(shù)據(jù)點”，在將這些數(shù)據(jù)點連接之后會形成“數(shù)據(jù)線”。

結束語

綜上所述，數(shù)字化實驗系統(tǒng)的打造能夠進一步改善傳統(tǒng)實驗裝置的不足，且能夠為角度測量、力學計算等提供相應儀器的支持，進而提升高中物理課堂教學成效?；诂F(xiàn)階段和數(shù)字傳感器相適應的新型實驗器材較少，且一些傳統(tǒng)實驗器材在使用的時候沒有實現(xiàn)和實驗器材的匹配。需要相關人員結合物理教學實例進一步加強數(shù)字化實驗系統(tǒng)和學科教學整合的研究，從而進一步提升數(shù)字化實驗的利用率。

【參考文獻】

[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，2013，35（5）：19-22.

[2]于雷.數(shù)字化實驗怎樣與傳統(tǒng)實驗相結合[J].實驗教學與儀器，2012，29（5）：7-9.

（作者單位：江蘇省清浦中學）