淺議利用數(shù)字化信息系統(tǒng)改進(jìn) 高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法

摘?要：實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高中物理教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。按照傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，在具體物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，數(shù)據(jù)的觀察和統(tǒng)計(jì)都比較困難。在現(xiàn)代化教育技術(shù)發(fā)展的背景下，為了更好地開(kāi)展高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，利用數(shù)字化信息系統(tǒng)改進(jìn)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為一種必然趨勢(shì)。利用專業(yè)的物理實(shí)驗(yàn)傳感器，可以讓學(xué)生在物理教學(xué)的過(guò)程中更直觀、更真實(shí)地了解物理的數(shù)據(jù)以及某些較為抽象的原理與公式。

關(guān)鍵詞：高中物理;數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

一、 基于核心素養(yǎng)下高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的分析

物理是一門(mén)非常注重實(shí)驗(yàn)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高中物理教學(xué)中最為重要的內(nèi)容之一。尤其是新高考背景下，高中物理核心素養(yǎng)的提出，要求高中生具備科學(xué)探究精神和能力，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的地位進(jìn)一步提升。從高中物理教學(xué)本身來(lái)講，采用傳感器來(lái)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，可以提高效率，改善實(shí)驗(yàn)效果，使測(cè)量結(jié)果更加精準(zhǔn)，更容易歸納得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，這是直接的作用。從現(xiàn)實(shí)的高考試題角度來(lái)講，越來(lái)越多的考題涉及物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、分析與計(jì)算，為了讓學(xué)生取得更好的成績(jī)，順利進(jìn)入滿意的高等院校深造，也需要加強(qiáng)對(duì)于實(shí)驗(yàn)的教學(xué)和指導(dǎo)。

高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在效率低，不夠精確的問(wèn)題。在這樣的情況下，利用傳感器對(duì)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改善，就成為一種必然的選擇。利用傳感器改進(jìn)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通常會(huì)涉及數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（Digital information system，簡(jiǎn)稱DIS lab）的建設(shè)和使用，傳感器是其中重要的一環(huán)，主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)原始變量的感應(yīng)和傳遞，此外還包括數(shù)據(jù)采集器、電腦終端以及相關(guān)軟件等。這是現(xiàn)代教育技術(shù)發(fā)展應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必然結(jié)果，也是為了更好地促進(jìn)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的內(nèi)在需求。

高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的內(nèi)容難度大，涉及的物理知識(shí)和原理也比較抽象，例如力、位移、電流、電壓等。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式中，通常采用彈簧測(cè)力計(jì)、刻度尺、電流表、電壓表等一起進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果通常需要花費(fèi)大量時(shí)間和精力去觀察、收集和整理，這就使得物理教學(xué)過(guò)程的設(shè)計(jì)和開(kāi)展比較麻煩，效率低下。同時(shí)由于物理實(shí)驗(yàn)環(huán)境、儀器精度等因素影響，物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不高，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯。如果采用數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、傳輸、統(tǒng)計(jì)和分析，不僅精確度高，而是速度快，效果明顯。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)講，在以后的物理研究和學(xué)習(xí)中，應(yīng)用傳感器的需求會(huì)越來(lái)越多，提前讓高中生熟悉傳感器的應(yīng)用很有必要。

二、 數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室對(duì)于高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本應(yīng)用

（一）改進(jìn)高中物理靜摩擦力教學(xué)實(shí)驗(yàn)

在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，一些條件較好的學(xué)校，都會(huì)建立數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，師生可以利用實(shí)驗(yàn)室里面的專業(yè)實(shí)驗(yàn)傳感器進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)。比如說(shuō)，力學(xué)是高中物理重點(diǎn)內(nèi)容之一，關(guān)于力的具體測(cè)量和分析，是高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要內(nèi)容之一。以人教版（必修1）高中物理教材為例，一個(gè)涉及“靜摩擦力測(cè)量”的演示實(shí)驗(yàn)。按照傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)量的話，就是利用彈簧測(cè)力計(jì)來(lái)進(jìn)行靜摩擦力的測(cè)量，實(shí)驗(yàn)效果并不明顯，學(xué)生無(wú)法獲得直觀的實(shí)驗(yàn)感受。

如果轉(zhuǎn)換一下思維，運(yùn)用數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)就完全不一樣了。利用數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不再需要彈簧測(cè)力計(jì)，而是采用力學(xué)傳感器、數(shù)據(jù)采集器、傳感器軟件、電腦（可以直接在電腦軟件展示，也可以使用跟電腦連接的電腦白板上展示）。具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程和方法還是類似的，只不過(guò)將彈簧測(cè)力計(jì)換成了力學(xué)傳感器。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前，需要先對(duì)傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦軟件等進(jìn)行調(diào)試，確保各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)工具都處于正常工作狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)分兩次進(jìn)行：

第一次：在木板上放置兩個(gè)砝碼，然后利用傳感器拉動(dòng)木塊，拉動(dòng)過(guò)程中，拉力方向注意要與平面保持平行，木塊拉動(dòng)之后，盡量保持用力均衡，讓木塊大致處于勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這樣就會(huì)在電腦中的力學(xué)傳感器軟件上出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的力學(xué)圖像（圖1）。

第二次：在木板上放置四個(gè)砝碼，其余實(shí)驗(yàn)過(guò)程同上，得到新的力學(xué)圖像（圖2）。

原本較難觀察和測(cè)量的靜摩擦力，通過(guò)傳感器和數(shù)據(jù)采集器，直接將數(shù)據(jù)傳送到電腦對(duì)應(yīng)的軟件上，以非常清晰和直觀的方式將靜摩擦力和滑動(dòng)摩擦力展示出來(lái)了。通過(guò)觀察上述兩個(gè)圖，就可以清楚地看到，最大靜摩擦力與正壓力有關(guān)，正壓力越大，最大靜摩擦力越大，并且最大靜摩擦力大于滑動(dòng)摩擦力。

（二）改進(jìn)作用力和反作用力的演示實(shí)驗(yàn)

高中力學(xué)學(xué)習(xí)牛頓第三定律，主要是作用力和反作用力以及力的平衡。這是傳統(tǒng)力學(xué)最為基礎(chǔ)的內(nèi)容之一，也是重要的演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在沒(méi)有經(jīng)過(guò)科學(xué)論證和分析的時(shí)候，一些人會(huì)根據(jù)自己的“直觀感受”認(rèn)為作用力要大于反作用力。但實(shí)際上，作用力和反作用力大小相等。

如果按照傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)演示方式，通常是用兩只彈簧測(cè)力計(jì)掛鉤相互鉤住，然后通過(guò)兩個(gè)步驟來(lái)測(cè)試，通過(guò)觀察彈簧拉力計(jì)讀數(shù)來(lái)觀察作用力和反作用力。

第一個(gè)步驟，兩個(gè)學(xué)生分別同時(shí)沿著相反方向拉動(dòng)互相勾連的彈簧測(cè)力計(jì)，拉力同時(shí)從大到小，或者同時(shí)從小到大，讓學(xué)生觀察彈簧拉力計(jì)的讀數(shù)。

第二個(gè)步驟，一個(gè)學(xué)生拉動(dòng)彈簧測(cè)力計(jì)，一個(gè)學(xué)生不動(dòng)，在這個(gè)過(guò)程中觀察兩個(gè)彈簧拉力計(jì)的讀數(shù)，然后交換進(jìn)行這一步驟。

上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，拉動(dòng)的過(guò)程沿著水平方向進(jìn)行。

按照這種實(shí)驗(yàn)演示方式，通?？梢杂^察到在學(xué)生拉動(dòng)彈簧測(cè)力計(jì)的過(guò)程中，不管是兩個(gè)學(xué)生同時(shí)沿著相反方向同時(shí)拉動(dòng)，還是一個(gè)不動(dòng)，另一個(gè)學(xué)生拉動(dòng)，彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)大小和變化規(guī)律基本上是一致的。

不過(guò)按照傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有個(gè)缺點(diǎn)，第一，觀察現(xiàn)象不明顯。彈簧測(cè)力計(jì)讀數(shù)比較小，而且實(shí)驗(yàn)演示過(guò)程中，只有極少數(shù)在旁邊的學(xué)生可以看清讀數(shù)，學(xué)生數(shù)量多的話，很難看清。第二，實(shí)驗(yàn)不精準(zhǔn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，因?yàn)閺椈衫τ?jì)的本身存在差異以及操作者的實(shí)驗(yàn)控制等，實(shí)驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)不夠精準(zhǔn)。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，就可以使用基于數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)方式，利用傳感器，可以大大簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程，得到更好的實(shí)驗(yàn)效果。

首先，將傳感器和數(shù)據(jù)采集器連接并調(diào)試好，確保其處于正常工作狀態(tài)。

其次，打開(kāi)配套的力學(xué)傳感器軟件，進(jìn)入對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)界面。

再次，將兩個(gè)傳感器分別和兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)連接，然后點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程記錄，然后可以任意改變力的大小，并保存記錄。

最后，反復(fù)測(cè)試不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下力學(xué)傳感器的情況并記錄。

這種實(shí)驗(yàn)的好處就在于，在設(shè)備調(diào)試好的情況下，一個(gè)學(xué)生就可以雙手操作這個(gè)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，并且通過(guò)傳感器和數(shù)據(jù)采集器，作用力和反作用力的變化實(shí)時(shí)通過(guò)在軟件上呈現(xiàn)出來(lái)（圖3）。所有的學(xué)生都可以清晰看到作用力和反作用力的對(duì)應(yīng)變化曲線。

從圖3中可以清晰看到，作用力和反作用力基本上保持大小和變化曲線一致，力的大小和變化趨勢(shì)呈現(xiàn)軸對(duì)稱狀態(tài)，這就說(shuō)明：作用力和反作用力大小相等，方向相反，作用在同一條直線上，并且變化趨勢(shì)基本一致。

（三）改進(jìn)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)其他方面的應(yīng)用

利用數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室對(duì)于實(shí)驗(yàn)的計(jì)算方面也可以起到很大的輔助作用。在探究向心力與質(zhì)量、半徑、角速度的實(shí)驗(yàn)中，探究合外力、加速度、質(zhì)量間的關(guān)系實(shí)驗(yàn)中等等，都是利用控制變量法。我們可以在系統(tǒng)中先預(yù)設(shè)一些固定的不變量，傳感器采集變量數(shù)據(jù)，應(yīng)用軟件畫(huà)出相關(guān)物理量的圖像，甚至可以通過(guò)二次擬合，非常直觀清晰地得出物理實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

利用數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室除了對(duì)于演示實(shí)驗(yàn)有很大幫助外，對(duì)于分組實(shí)驗(yàn)也應(yīng)用廣泛。如探究彈簧彈力與彈簧形變量間的關(guān)系實(shí)驗(yàn)、電學(xué)實(shí)驗(yàn)中、驗(yàn)證動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)等等，學(xué)生利用傳感器既能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，也能通過(guò)科學(xué)探究，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，充分展示學(xué)生的主體地位和作用，更是學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要方法和手段。

三、 總結(jié)與分析

通過(guò)前面分析我們可以看到，利用數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，可以將一些傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的數(shù)據(jù)直接利用信息化方式進(jìn)行測(cè)量和記錄，然后利用計(jì)算機(jī)軟件分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這種方式效率高，精確度高，而且更加直觀和具體，學(xué)生更容易接受相關(guān)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。也能夠促使教師研究數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方法，研究數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的教學(xué)方式，促進(jìn)教學(xué)手段與方式的現(xiàn)代化進(jìn)步。

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作者簡(jiǎn)介：

孫科，福建省莆田市，莆田哲理中學(xué)。