數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對高中物理教學(xué)的重要性

張 瑞

（石嘴山市第三中學(xué) 寧夏石嘴山 753000）

21世紀(jì)是一個信息化的時代，教育的方式也隨之發(fā)生改變。比如高中課程與信息技術(shù)的整合，其表現(xiàn)為數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（DISLab）進(jìn)入中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)[1]。上?？萍冀逃霭嫔绯霭娴母咧薪滩闹性O(shè)計了用DIS系統(tǒng)研究勻速直線運(yùn)動、用光電門測量瞬時速度、用DIS系統(tǒng)驗(yàn)證物體間的相互作用等多個數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，說明了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)中占據(jù)重要的位置及數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對高中物理教學(xué)的重要性。

一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)簡介

所謂數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的器材是由傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材、傳感器、數(shù)字采集器、電腦、顯示屏五個部分組成[2-3]。具體的設(shè)備流程圖如下所示：

圖1中傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材是我們常用的實(shí)驗(yàn)器材，比如彈簧測力計、小車、彈簧等。傳感器有光電門、氣壓傳感器、力傳感器等。數(shù)字采集器是數(shù)字系統(tǒng)與設(shè)備相連接的，比如數(shù)據(jù)線。電腦是指裝有專門的軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的設(shè)備。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是將圖1所用的儀器設(shè)備結(jié)合起來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖1 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)具有這樣的幾個特點(diǎn)：（1）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與高中物理教材的內(nèi)容相符合。（2）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚴沟梦锢斫虒W(xué)與信息技術(shù)更好的相互融合。例如以傳感器為主的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，滿足了以新課標(biāo)的教學(xué)來培養(yǎng)學(xué)生綜合信息處理的能力。（3）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)空間比較大，對于學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)驗(yàn)探究能力都有所提高。

二、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用

在教學(xué)過程中應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的課例很多，比如牛頓第二定律、斜面上力的分解、牛頓第三定律等。我們選擇牛頓第三定律這節(jié)課例進(jìn)行說明數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對高中物理教學(xué)的重要性。牛頓第三定律是牛頓三大定律之一，新課標(biāo)對本節(jié)的要求之一是能夠應(yīng)用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證物體間的相互作用，理解牛頓第三定律，參與探究物體之間力的相互作用規(guī)律的過程。其實(shí)驗(yàn)原理是兩個物體之間的作用力和反作用力，總是同時作用在同一條直線上，大小相等，方向相反， 即F1＝－F2（N=N’）。

傳統(tǒng)驗(yàn)證牛頓第三定律的實(shí)驗(yàn)是用兩個彈簧測力計進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證牛頓第三定律實(shí)驗(yàn)的時候是將兩個彈簧測力計置于同一條直線上。然后兩個彈簧測力計對拉，讀出彈簧測力計的示數(shù)。做一次實(shí)驗(yàn)得到一組數(shù)據(jù)，重復(fù)幾次。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證牛頓第三定律的時候，所用的器材是力的傳感器一對，數(shù)據(jù)線一對，電腦一臺。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證牛頓第三定律的時候是將力的傳感器用數(shù)據(jù)線連接到電腦上。然后讓兩個力的傳感器保持在同一直線上，對拉，得到關(guān)于力與時間關(guān)系的圖像。具體操作方法如下：

（1）一對力傳感器使用USB線接到電腦，打開傳感器側(cè)面開關(guān)。

（2）點(diǎn)擊桌面軟件圖標(biāo)，啟動軟件，點(diǎn)擊軟件左上角“文件”選擇“打開”，打開“牛頓第三定律”實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉?/p>

（3）將傳感器置零，方法是輕輕的按一下兩個力傳感器上的置零鍵。

（4）點(diǎn)擊“開始”按鈕，兩手分別握住一個力傳感器，讓力傳感器上兩個金屬鉤相互鉤住，同時盡量保持兩個力傳感器處在同一條直線。

（5）兩手輕拉傳感器，兩個力的方向相同，如圖曲線的左段。實(shí)驗(yàn)中可長按其中一個力傳感器上置零鍵，改變這個力的顯示方向，得出如圖2所示的實(shí)驗(yàn)圖線右段。

圖2 力與時間的關(guān)系

（6）在物理實(shí)驗(yàn)過程中，在某一時刻同時觀察兩個力傳感器的讀數(shù)，由實(shí)驗(yàn)可知兩個力傳感器讀數(shù)基本相同。

（7）點(diǎn)擊“結(jié)束”按鈕，結(jié)束實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。引導(dǎo)學(xué)生觀察電腦記錄的實(shí)驗(yàn)圖線，可以在“曲線”按鈕中自由選擇“力1”“力2” 和“-力1”“-力2”的圖像，觀察力之間的相互關(guān)系。

（8）也可將力傳感器金屬鉤換成平頭推，觀察相互擠壓時的情況。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是一組一組的數(shù)據(jù)，需要分析得出結(jié)論，而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的結(jié)果直觀地展現(xiàn)出來，如圖2所示。圖2力與時間的關(guān)系的圖像反映了作用力與反作用力的大小相等、方向相反，驗(yàn)證了牛頓第三定律的成立。雖然傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證牛頓第三定律，但是它的過程繁復(fù)，數(shù)據(jù)的精確度不高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不夠直觀。而數(shù)字實(shí)驗(yàn)恰恰解決了這些缺點(diǎn)。

從學(xué)情來看，應(yīng)用DIS驗(yàn)證物體間的相互作用，給學(xué)生呈現(xiàn)一個動態(tài)曲線，更加生動、形象，也更加符合高中階段的學(xué)生思維特點(diǎn)。

三、結(jié)束語

綜上所述，本文在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中應(yīng)用的部分將牛頓第三定律的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字實(shí)驗(yàn)相比較發(fā)現(xiàn)，雖然傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在操作上可能比數(shù)字化實(shí)驗(yàn)便捷，但是其實(shí)驗(yàn)過程的反復(fù)性強(qiáng)，精確度差。而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)雖然操作起來比較復(fù)雜，但是其過程簡潔，一般一次就可以測出成百上千組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況還可以通過電腦以圖像的形式直觀的呈現(xiàn)出來。在物理教學(xué)過程中，提高了教學(xué)效率，增加了物理教學(xué)的趣味性。正所謂“知之者不如好之者，好之者不如樂知者”，因此，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對高中物理教學(xué)十分重要。