數(shù)字化實驗在初中物理實驗教學中的應用研究

■甘肅省天水市張家川縣阿陽中學 余曉峰

一、數(shù)字化實驗概念

數(shù)字化實驗，別稱DIS。誕生于21世紀初，源于十年課程改革對科學教育的反思。數(shù)字化實驗更強調(diào)科學探究，強調(diào)培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)、創(chuàng)新思維以及實際的探究能力。目前來說，國內(nèi)大部分中學都配備了專門的數(shù)字化實驗室。實驗室里的設(shè)備主要有傳感器、電腦、計算機、數(shù)據(jù)采集器等各種教學輔助材料。數(shù)字化實驗室以讓學生真正動手操作為基礎(chǔ)，通過實時的實驗，運用傳感器連接電腦終端進行數(shù)據(jù)采集，最后再運用計算機內(nèi)的系統(tǒng)實驗軟件進行數(shù)據(jù)分析和智能控制。所以傳感器的作用就顯得格外重要。在實驗中，學生通過傳感器將實驗中產(chǎn)生的溫度、力度、距離等因素轉(zhuǎn)換成可被計算機識別使用的信號數(shù)據(jù)，再經(jīng)過系統(tǒng)軟件的分析、計算，最終總結(jié)成文。物理探究教學的兩大技術(shù)支撐，分別來自傳感器的計算機實時數(shù)據(jù)采集和計算機數(shù)據(jù)處理軟件的計算機建模與分析等技術(shù)。具體來講，物理教學就是通過借助計算機平臺直觀地顯示物理現(xiàn)象，繼而深刻地揭示物理規(guī)律。數(shù)字化實驗強調(diào)在生活中進行科學學習，有助于學生更加直觀地觀察實驗現(xiàn)象，了解實驗規(guī)律，總結(jié)實驗結(jié)論，有助于增強學生學習物理的積極性。

二、數(shù)字化實驗對初中物理實驗教學的意義

（一）數(shù)字化實驗的開展，可以提高教師與學生的實驗能力

數(shù)字化實驗并不是簡單地搬運課堂知識，而是通過信息技術(shù)手段提高教學效率，讓學生更加直觀地了解課堂知識。這對于物理教師來也是一個挑戰(zhàn)、一個機遇，教師在重新備課的同時，還需要設(shè)計數(shù)字化實驗，意味著教師必須重新學習。新的儀器，新的實驗，新的手段，為教師與學生的教育教學過程做好了充分的準備。

（二）提高學生學習的積極性，培養(yǎng)學生的實踐動手能力

數(shù)字化實驗有助于激發(fā)學生主動學習知識的興趣，在學生動手實踐的過程中，把課堂知識由簡單的書本文字真正轉(zhuǎn)化成了自己親眼所見所得的實踐內(nèi)容。學生擁有了更多的動手操作機會，拓寬了學生探求知識的道路，有利于發(fā)揮學生的主體作用，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

（三）有助于形成探究性學習的新模式

探究性學習是以實驗活動為載體，以探究物理規(guī)律為基礎(chǔ)，以學生為主體，尊重學生的求學意志的一種可持續(xù)發(fā)展的教學方法。通過教師與學生進行探究性學習的教學過程，可以激發(fā)學生的自主學習意識，提高學生學習的積極性，促使學生有意識地調(diào)整自我，進而培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力和學習能力。這種方法還有助于幫助學生深化他們的感知力、想象力，幫助他們清楚自我定位，使他們更好地發(fā)揮自我價值。

三、當前數(shù)字化實驗在初中物理課堂上開展的局限性

雖然數(shù)字化實驗對開展初中物理教學有著非常大的促進作用，但在實際教學中也出現(xiàn)了一些問題。

（一）實驗所使用的配套模板與初中物理教學的課堂內(nèi)容并不是所有都吻合，初中物理教學使用的配套模板不足，教師雖然可以自制一部分模板，但這遠遠不能滿足所有物理實驗的要求。

（二）數(shù)字化實驗并不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗儀器。在傳統(tǒng)實驗儀器里，用溫度計來測量物體的溫度，溫度計本身的刻度和水銀還有酒精，就可以讓學生很直觀地看到溫度的概念，水銀和酒精的升降就可以用來感受溫度的升高與降低，但在數(shù)字化實驗里，學生應用傳感器采集數(shù)據(jù)，是沒辦法直觀地觀察到這些現(xiàn)象的。

（三）數(shù)字化實驗中所使用的數(shù)字化設(shè)備，需要操作人員具備一定的操作能力和數(shù)字處理能力。對于初中生而言，他們不管是在操作能力上還是在學習能力上，都無法達到獨立使用設(shè)備的標準，這也就需要教師在一旁監(jiān)管，從側(cè)面輔助學生開展實驗。

（四）耗費大量資金，經(jīng)濟上負擔重。以傳感器為例，傳感器的種類繁多，且用途不同，不同的實驗可能使用的傳感器類型也不一樣，這勢必要求學校采購大量的傳感器以及計算機，這對于經(jīng)濟不是很發(fā)達的地區(qū)而言，是一件很困難的事。尤其后期的維修和使用也是一個難題。

四、有效推進數(shù)字化實驗的幾條重要途徑

（一）有能力的政府和學校應加大支持力度，促進數(shù)字化實驗的發(fā)展

數(shù)字化實驗對于彌補課堂片面教學的不足，增強學生對教程內(nèi)容的理解，提高學生的探究能力，有著非同一般的意義，學校和政府應大力支持建立數(shù)字化實驗室。尤其有經(jīng)濟能力的學校，完全可以建立一個完備的數(shù)字化實驗室，讓學生可以在更好的學習環(huán)境中學習物理。

（二）把數(shù)字化實驗和課程內(nèi)容相結(jié)合，重視經(jīng)典案例的引導作用

要想學好物理，探究時間不能少。但初中物理畢竟是基礎(chǔ)課程，學生都是剛?cè)腴T，對課程對實驗的把握并不十分準確，加上物理內(nèi)容又比較抽象，對于學生而言更是難上加難。所以教師在進行教學時，可以運用數(shù)字化實驗對經(jīng)典案例進行重新展現(xiàn)，生動地為學生講解實驗案例?？梢圆捎梅纸M制教學，把學生分成幾個小組，小組之間可以先行進行討論學習，遇到不懂的問題再由教師進行指導，促使學生對實驗現(xiàn)象有更加直觀的認知。例如，在探究電磁鐵的磁場感應實驗中，教師與學生可以用磁感應傳感器來觀察周圍磁場強弱的變化，這樣一來，比較抽象的磁場意義，通過磁場傳感器就能很明確地展示出來。圖像的展示，更方便學生進一步提高對實驗的觀察能力和分析能力，這是語言無法做到的，教師在講臺上講再多，都不如學生親自參與實驗獲得結(jié)論的效果好。教學內(nèi)容也由過去的贅述不明，到現(xiàn)在的嚴謹科學，有利于學生進一步提高自己的認知能力。

（三）結(jié)合現(xiàn)實生活，用實驗連接生活與科學

物理知識是比較抽象的，但是通過教師帶領(lǐng)學生做一些簡單的物理實驗，便可形象生動地讓學生理解課程內(nèi)容。尤其是物理知識與生活中一些生活現(xiàn)象掛鉤，學生本來想不到，但在實驗的引導下，學生很快就能將他們學到的課程內(nèi)容與現(xiàn)實生活所掛鉤，有助于他們把文字版的課堂內(nèi)容物化成他們所看到的生活現(xiàn)象。

（四）數(shù)字化實驗與虛擬實驗相結(jié)合

推行數(shù)字化實驗，并不意味著全盤否定傳統(tǒng)的實驗方式。因為數(shù)字化實驗也存在著一部分不能觸及的領(lǐng)域，初中物理的教學需要多種實驗教學方式共同進行。例如，在初中物理實驗的課堂上，教師給學生講解聲波傳遞范圍的知識時，可以先在媒體上下載一些虛擬聲波設(shè)備，然后再進行聲音傳播范圍內(nèi)容的測試。學生可以從多媒體上的軟件窗口中觀察聲波的波形變化，也可以通過觀察數(shù)據(jù)的變化來判斷聲音的遠近。在對比不同兩段聲音的特點實驗中，可以將同一個發(fā)音體兩次發(fā)出的不同聲音錄進電腦，觀察并對比他們的波形變化，以此來判斷這兩段聲音的振幅和頻率。將數(shù)字化實驗與虛擬實驗進行結(jié)合，是為了更好地幫助學生理解物理知識，也有助于完善教師在課堂上的實驗教學的方式。相信這種方式不僅可以幫助教師和學生更輕松地進行教學內(nèi)容的探討，也有助于促進初中物理教學改革的推進。

五、結(jié)語

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在初中物理課堂上實現(xiàn)數(shù)字化實驗，不僅有助于激發(fā)學生主動學習物理知識的積極性，還有利于充分培養(yǎng)學生的動手能力與實踐能力。利用現(xiàn)代化信息技術(shù)輔助現(xiàn)代教育是大勢所趨，數(shù)字化實驗對初中物理實驗教學有著重要意義。雖然當前數(shù)字化實驗的實際應用還存在著許多問題，但相信在廣大教研人員的共同努力之下，數(shù)字化實驗的普及程度會越來越高，必將對初中物理教學產(chǎn)生越來越深遠的影響。