數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用探析

金偉

【內(nèi)容摘要】隨著我國(guó)教育行業(yè)的日漸發(fā)展，高中新課程的改革與推進(jìn)，我國(guó)高中物理教學(xué)內(nèi)容不僅發(fā)生了改變，教學(xué)方法、學(xué)生的學(xué)習(xí)方式也有所改變。在高中物理教學(xué)過程中應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驈浹a(bǔ)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足，實(shí)現(xiàn)了新時(shí)代背景下物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的數(shù)字化、動(dòng)態(tài)化，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠充分捕捉和展現(xiàn)，這對(duì)于高中學(xué)生而言能夠更加直觀地了解實(shí)驗(yàn)的概念和規(guī)律，有利于提升高中學(xué)生的圖形認(rèn)知能力，也有利于完善高中物理實(shí)驗(yàn)的量化研究。筆者將結(jié)合實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)分析數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)中的作用并對(duì)其應(yīng)用做出探究。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字化實(shí)驗(yàn) 高中 物理教學(xué)

物理作為我國(guó)高中教育階段中重要課程之一，物理實(shí)驗(yàn)作為高中物理教學(xué)的基礎(chǔ)，其教學(xué)方式、教學(xué)模式深受學(xué)生、家長(zhǎng)、學(xué)校的關(guān)注。隨著我國(guó)科技技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)逐漸走進(jìn)高中物理教學(xué)課堂，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用幫助物理實(shí)驗(yàn)更具便捷性、精準(zhǔn)性、時(shí)效性，同時(shí)也讓學(xué)生更加直觀地了解到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)高中物理課堂教學(xué)有著很大的幫助。

一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)概述

（一）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)概念

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室（DIS）是由傳感器、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器以及相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件所構(gòu)成的集測(cè)量、采集、數(shù)據(jù)處理等組成的實(shí)驗(yàn)室。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室是現(xiàn)代化信息技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程相結(jié)合的新興產(chǎn)物。以計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和計(jì)算機(jī)信息處理軟件的建模和圖像分析技術(shù)為載體開展高中物理實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)是現(xiàn)代化高中物理教學(xué)課堂走向現(xiàn)代化，提升高中物理實(shí)驗(yàn)檔次實(shí)現(xiàn)高中物理教學(xué)與國(guó)際接軌的有效路徑。

（二）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.實(shí)驗(yàn)過程“可視化”

高中物理實(shí)驗(yàn)中空間上細(xì)微的變化讓人難以捕捉，所以為了捕捉細(xì)小的變化高中物理教師會(huì)在實(shí)驗(yàn)課堂上借助顯微鏡。但是顯微鏡無法在時(shí)間上進(jìn)行細(xì)節(jié)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行捕捉，所以針對(duì)碰撞過程實(shí)驗(yàn)或者放電電流實(shí)驗(yàn)，高中物理教師一般只能用多媒體軟件模擬演示或者定性講述。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用便能夠有效突破這個(gè)實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)，通過與計(jì)算機(jī)連接的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和記錄。自動(dòng)記錄替代了傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)者手、眼、紙和筆的記錄方式，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)記錄的連續(xù)性和實(shí)驗(yàn)瞬間變化的“可視化”。例如在失重教學(xué)實(shí)驗(yàn)中引入傳感器技術(shù)能夠在短時(shí)期內(nèi)清晰地記錄壓力隨時(shí)間變化而變化的圖像，便于實(shí)驗(yàn)后總結(jié)超重和失重現(xiàn)象的條件與特點(diǎn)，有利于實(shí)驗(yàn)后的歸納和總結(jié)。

2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)“重點(diǎn)化”

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)由傳感器、數(shù)據(jù)采集器代替實(shí)驗(yàn)者的手和眼進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和記錄，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)、實(shí)時(shí)處理和實(shí)時(shí)分析的實(shí)驗(yàn)過程，幫助高中學(xué)生擺脫了煩瑣的計(jì)算過程，能夠?qū)?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化過程通過“待測(cè)物理量→時(shí)間”的圖像進(jìn)行直接顯現(xiàn)，能夠幫助實(shí)驗(yàn)者直觀地觀測(cè)出物理量之間的變化。傳統(tǒng)的高中物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綍?huì)因?yàn)槭止ぷ鲌D的不精準(zhǔn)而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的引入能夠有效規(guī)避這個(gè)問題，能夠讓學(xué)生將重點(diǎn)放在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)探究、實(shí)驗(yàn)分析上，從而幫助學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)更好地理解實(shí)驗(yàn)概念，掌握實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

3.數(shù)據(jù)采集“智能化”

數(shù)據(jù)采集的“智能化”具體表現(xiàn)在“自動(dòng)化”“實(shí)時(shí)化”“并行化”“定量化”四個(gè)方面。數(shù)據(jù)采集器可以自動(dòng)將實(shí)驗(yàn)過程中的物理量變化進(jìn)行記錄并保存在數(shù)據(jù)文檔之中，并且由于數(shù)據(jù)采集器的及時(shí)記錄，可以附加一些器材，通過實(shí)驗(yàn)的回控幫助實(shí)驗(yàn)操作過程實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)化”;DIS實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)搜集迅速、數(shù)據(jù)傳輸迅速、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存迅速、數(shù)據(jù)顯示迅速等實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)變化過程與實(shí)驗(yàn)過程的同步，所以數(shù)字化實(shí)驗(yàn)具備“實(shí)時(shí)化”特點(diǎn);數(shù)據(jù)采集器能夠接入四只相同傳感器或不同的傳感器，達(dá)到同時(shí)采集到多個(gè)相同或不同的物理量，達(dá)到數(shù)據(jù)的同步并行;DIS實(shí)驗(yàn)傳感器精準(zhǔn)度極高，所以在實(shí)驗(yàn)過程中所產(chǎn)生的誤差較小，數(shù)據(jù)的定量顯示使高中物理實(shí)驗(yàn)的結(jié)果更具備嚴(yán)謹(jǐn)性和可信性，有利于高中學(xué)生理解物理實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)。

4.數(shù)據(jù)處理“智能化”

數(shù)據(jù)處理“智能化”具體表現(xiàn)在“實(shí)驗(yàn)重演智能化”“數(shù)據(jù)整合智能化”“創(chuàng)建報(bào)告智能化”三方面?！皩?shí)驗(yàn)重演智能化”是將每個(gè)實(shí)驗(yàn)的配置、傳感器的設(shè)置的模板儲(chǔ)存在硬盤中，并且將每次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中提供了實(shí)驗(yàn)回訪的功能，通過實(shí)驗(yàn)的回訪與重演，高中學(xué)生可以將實(shí)驗(yàn)過程隨時(shí)定格、隨意縮放實(shí)驗(yàn)圖線，達(dá)到隨時(shí)回憶和復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)過程的目的;“數(shù)據(jù)整合智能化”中由于數(shù)據(jù)的自動(dòng)整合使處理數(shù)據(jù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，學(xué)生需要通過數(shù)據(jù)的整合找到物理實(shí)驗(yàn)的概念和本質(zhì);“創(chuàng)建報(bào)告智能化”是指數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中可以創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)報(bào)告文檔、數(shù)據(jù)處理分析文檔等，電子文檔的儲(chǔ)存也方便學(xué)生在后期的實(shí)驗(yàn)和回顧過程中多次修訂，便于學(xué)生之間的交流溝通。

5.教學(xué)過程“現(xiàn)代化”

教學(xué)過程“現(xiàn)代化”分為“教學(xué)手段現(xiàn)代化”和“教學(xué)方式現(xiàn)代化”。所謂“教學(xué)手段現(xiàn)代化”是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相比，傳感器具備品種多樣、技術(shù)新穎、功能強(qiáng)大、發(fā)展迅速、性能可靠等優(yōu)勢(shì)，而傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)器材較為單一，以電流表、電壓表、彈簧秤、水銀溫度計(jì)為主體，DIS實(shí)驗(yàn)則由電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器和力傳感器等，高中物理教師利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備能夠帶領(lǐng)學(xué)生向傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)發(fā)起挑戰(zhàn)，利用數(shù)字化設(shè)備創(chuàng)設(shè)情境能夠有效促進(jìn)學(xué)生思維模式的發(fā)展;“教學(xué)方式現(xiàn)代化”是由于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一種現(xiàn)代化的學(xué)習(xí)認(rèn)知工具，是知識(shí)建構(gòu)的輔助工具，為了幫助學(xué)生適應(yīng)現(xiàn)代化信息社會(huì)，高中教學(xué)工作這應(yīng)該注重培養(yǎng)學(xué)生的信息收集能力、數(shù)據(jù)分析能力和數(shù)據(jù)處理能力，而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃裱瓕W(xué)生的真實(shí)實(shí)驗(yàn)感官，實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與物理學(xué)科的整合，能夠有效轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，提高學(xué)生的實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。

二、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

（一）高中物理課堂使用率不高

經(jīng)過筆者了解發(fā)現(xiàn)雖然部分高中學(xué)校已經(jīng)引進(jìn)了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，但是在高中物理實(shí)驗(yàn)過程中的使用頻次卻不高。究其根本是因?yàn)楦咧形锢斫處熈?xí)慣運(yùn)用傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式開展實(shí)驗(yàn)課程，并且由于部分高中物理教授的年紀(jì)較大對(duì)新時(shí)代背景下的新興科技技術(shù)操作不熟練，不愿去學(xué)習(xí)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)用和操作。即使在高中物理教學(xué)課堂中運(yùn)用了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，但是仍是由高中物理教師進(jìn)行操作，學(xué)生觀摩為主，很少有機(jī)會(huì)參與其中。除此之外，由于客觀條件的限制和高中物理教師對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的認(rèn)知不足，限制了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂的使用。

（二）教師未能正確認(rèn)識(shí)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過筆者對(duì)周圍高中教師的調(diào)查了解發(fā)現(xiàn)普遍高中教師對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)給予了高度評(píng)價(jià)，但是由于客觀因素的影響，高中物理實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)的使用率較低。例如在日常教學(xué)過程中，高中物理教師和學(xué)生深受應(yīng)試教育理念的影響，所以開展教學(xué)過程中為了加快教學(xué)進(jìn)度，使用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式將教學(xué)提綱中的實(shí)驗(yàn)做完。另外，由于部分高中學(xué)校的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備較為陳舊，所以使用率也不高，只在公開課等重要場(chǎng)合才會(huì)投放使用。經(jīng)過了解，發(fā)現(xiàn)部分教師認(rèn)為數(shù)字化系統(tǒng)能夠快速得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是不利于提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，對(duì)取得優(yōu)異的成績(jī)幫助不大，所以未能積極運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。基于此，得知導(dǎo)致數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用率不理想的原因是教師未能正確認(rèn)識(shí)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)且對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有認(rèn)知偏差。

三、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用探析

（一）提高實(shí)驗(yàn)完成率

以人教版高中物理《牛頓第一定律》為例，教師在教學(xué)過程中要明確“理解力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系”“理解牛頓第一定理，了解其邏輯推理結(jié)果，不受理的物體是不存在的”等教學(xué)目標(biāo)，利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置小車，使其處于靜止?fàn)顟B(tài)。由外力推動(dòng)車輛行駛，推動(dòng)則小車行動(dòng)，不推動(dòng)則小車靜止，由此得知力的作用在物體上物體才會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，若沒有力在物體上則物體不會(huì)運(yùn)動(dòng)。高中物理老師在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，許多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都是轉(zhuǎn)瞬即逝的，很難讓實(shí)驗(yàn)者充分觀察，例如講解電流大小和方向時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是瞬息萬變的。所以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)掌握的不及時(shí)能夠造成學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)理解的誤解，運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)后能夠?qū)⒊橄蟮膶?shí)驗(yàn)現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為可反復(fù)觀察的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)用既充分展示了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，又幫助學(xué)生掌握了實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

（二）提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有效性

高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中要注重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，避免實(shí)驗(yàn)誤差的出現(xiàn)。避免實(shí)驗(yàn)誤差的方式有兩種，一是提高實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)手法的精準(zhǔn)性，二是找出更符合實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路。在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的手法中，傳感器的測(cè)量精準(zhǔn)度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器，例如在進(jìn)行力的大小測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，傳感器設(shè)備能夠精準(zhǔn)到10N，這在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器中是無法做到的。另外由于部分學(xué)校實(shí)驗(yàn)條件的不足導(dǎo)致教材中的部分實(shí)驗(yàn)無法進(jìn)行實(shí)機(jī)演示，在講解牛頓第二定律的知識(shí)點(diǎn)時(shí)，力與反作用力的實(shí)驗(yàn)在傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂中只能做定性分析，而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠充分將定性分析轉(zhuǎn)化為定量研究，提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性。以人教版高中一年級(jí)物理《超重和失重》一課學(xué)習(xí)時(shí)，高中物理教師將結(jié)合超重、失重現(xiàn)象，利用牛頓第二定律分析其原因，并利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)了解完全失重現(xiàn)象。在正式實(shí)驗(yàn)開始前，高中物理教師通過視頻引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行閱讀教材中航天員的乘船感受，在腦海中理解到超重與失重概念，繼而開展實(shí)驗(yàn)操作，從而能夠幫助學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)效果與理論相結(jié)合的方式深化物理知識(shí)概念。

（三）開闊實(shí)驗(yàn)范圍

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備擁有精準(zhǔn)性高、適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，所以在高中物理實(shí)驗(yàn)課程中運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠幫助教師將存在于教材中的是演變?yōu)榭梢暬?、可操作性的?shí)驗(yàn)過程，從而幫助學(xué)生拓寬實(shí)驗(yàn)范圍。例如高中物理進(jìn)行瞬時(shí)速度概念的學(xué)習(xí)時(shí)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)受限于實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地等，所以學(xué)生對(duì)這一知識(shí)點(diǎn)理解較為片面，而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)用能夠?qū)鞲衅鞒浞诌\(yùn)用幫助學(xué)生進(jìn)行物體瞬間速度的測(cè)定于認(rèn)識(shí)。例如在學(xué)習(xí)高中物理《力的分解》一章節(jié)時(shí)，教師運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，首先學(xué)生在教師的引導(dǎo)下將物體進(jìn)行斜上方拉動(dòng)，觀察起作用效果，然后利用小車代替，模擬拉箱過程，用塑料板擴(kuò)大小車運(yùn)動(dòng)范圍后，教師打開電子秤的電源，讓學(xué)生進(jìn)行讀取并記錄數(shù)據(jù)。運(yùn)用數(shù)字化系統(tǒng)的手段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察物體受到斜向上的力作用后，根據(jù)數(shù)據(jù)反饋進(jìn)行標(biāo)記，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、探究能力。

結(jié)語

綜上所述，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是幫助高中物理實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)快速發(fā)展的因素，更能夠在新時(shí)代背景下促進(jìn)物理教學(xué)的革新，培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的重要手法。所以廣大高中物理教學(xué)工作者應(yīng)該積極轉(zhuǎn)變自身教學(xué)觀念，積極學(xué)習(xí)當(dāng)代數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)手法增強(qiáng)學(xué)生的感知能力，培養(yǎng)全方位的物理型人才。

【參考文獻(xiàn)】

[1]鄭亮.數(shù)字化教學(xué)資源在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用策略研究[J].新課程，2020（15）：158.

[2]王剛.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在高中物理力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用策略[J].教育實(shí)踐與研究（B），2020（1）：57-62.

[3]常志偉.應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)優(yōu)化高中物理教學(xué)實(shí)踐研究[J].高中數(shù)理化，2019（12）：45.

[4]方麗.數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室在高中物理學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].當(dāng)代教育實(shí)踐與教學(xué)研究，2019（8）：18-19.

[5]楊鳳樓.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)中應(yīng)用的調(diào)查與思考[J].湖南中學(xué)物理，2018，33（7）：52-54.

（作者單位：甘肅省蘭州市第六十三中學(xué)）