基于信息技術的高中物理實驗教學

在信息技術迅猛發(fā)展的今天，教育領域正在發(fā)生著深刻的變化。高中物理實驗教學是物理學科中非常重要的一個部分，信息技術的融入有著十分重要的意義。信息技術能夠突破傳統(tǒng)實驗教學的時空限制，豐富實驗教學資源，增強實驗的可視化和互動性，激發(fā)學生的學習興趣，提高教學效果，為培養(yǎng)學生的物理核心素養(yǎng)開辟新的途徑。

一、基于信息技術的高中物理實驗教學優(yōu)勢

（一）模擬復雜的實驗情境

信息技術在高中物理實驗教學過程中，對復雜的實驗情境進行仿真，提供了一種創(chuàng)新的解決方法。高中物理課程中有許多內容很難在常規(guī)實驗室里得到完美呈現(xiàn)，通常都會涉及微觀世界細微的變化或宏觀宇宙宏大的現(xiàn)象等，受現(xiàn)實條件所限，學生很難對這些現(xiàn)象及其內在機制有完整的直觀認識。信息技術的出現(xiàn)突破了這種困境，通過復雜的編程算法結合先進的圖形渲染技術來構造一個栩栩如生的虛擬實驗場景。就微觀領域而言，對于分子熱運動、電子能級躍遷現(xiàn)象，信息技術能夠呈現(xiàn)分子無規(guī)則運動軌跡和電子不同能級間躍遷過程，使學生走進肉眼所不能接觸的微觀世界，真正體會物質微觀結構及其運動規(guī)律。從更廣泛的視角來看，例如天體的運動，包括行星圍繞恒星的公轉和衛(wèi)星軌道的變化等，利用模擬軟件可以準確地展示天體間的引力相互作用、軌道呈橢圓形狀，速度、加速度等參數(shù)也在不斷變化著，把浩瀚宇宙間紛繁復雜的運動形象地展示在學生面前。

（二）提升實驗數(shù)據(jù)處理能力

高中物理實驗教學過程中，對實驗數(shù)據(jù)的處理能力直接影響著學生是否能準確地從中提煉物理規(guī)律與科學結論。信息技術的整合，優(yōu)化并強化了這個關鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理手段如手工計算、手繪圖表，不僅費時費力，還易將人為誤差引入數(shù)據(jù)記錄、計算過程及圖表繪制過程，特別是在面對海量實驗數(shù)據(jù)或復雜數(shù)據(jù)關系的情況下，上述缺點就更顯突出，會造成學生實驗結果不準甚至出錯，從而影響到物理知識理解的正確性。信息技術的運用有效地彌補了之前存在的不足之處，使用Excel、Origin這些專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件可以使學生高效準確地完成實驗數(shù)據(jù)處理。在數(shù)據(jù)錄人上，該軟件提供方便的表格編輯功能以便于學生快速錄人資料，并且能自動識別數(shù)據(jù)類型，對格式作初步整理。在數(shù)據(jù)分析部分，該軟件內置豐富多彩的數(shù)學函數(shù)及統(tǒng)計工具，方便學生對數(shù)據(jù)進行平均值、標準差及擬合曲線的運算，迅速揭示了數(shù)據(jù)集中趨勢與離散程度及變量間潛在函數(shù)關系。同時，該軟件產生的圖表專業(yè)性強、可視化效果好，能清晰顯示出數(shù)據(jù)的分布規(guī)律及變化趨勢，有利于學生更直觀地找出數(shù)據(jù)背后所隱藏的物理規(guī)律。而且，數(shù)據(jù)處理過程中的每一個步驟都可以被記錄和追溯，便于學生進行檢查和糾錯，確保數(shù)據(jù)處理的準確性和科學性。這種以信息技術為依托的實驗數(shù)據(jù)處理方式在促進實驗教學高效、優(yōu)質進行的同時，還培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度與科學的思維方法，讓學生掌握了物理知識，又能熟練運用現(xiàn)代科學研究所必需的數(shù)據(jù)處理技能，從而為學生今后進一步學習物理和其他科學領域打下了堅實的基礎。

二、基于信息技術的高中物理實驗教學

（一）多媒體課件輔助教學

多媒體課件輔助教學，是信息技術在高中物理實驗教學中運用的最主要手段。教師將文字、圖片、動畫、音頻及視頻等媒體元素融合在一起，將其做成內容豐富、形象逼真的教學課件，給學生以更直觀的感受。綜合實驗學習資源有助于學生對實驗原理、實驗步驟及實驗現(xiàn)象的深入了解。

以“平拋運動\"這一實驗為例，傳統(tǒng)的教學可能會讓教師花較多的時間在黑板上畫示意圖，解釋運動過程及公式推導等，這對學生來說是較難理解的。教師借助多媒體課件，能先將平拋運動真實情境以動畫形式呈現(xiàn)出來，使學生對物體水平方向勻速直線運動與豎直方向自由落體運動綜合效果一目了然，對平拋運動軌跡特征有直觀感知。同時，可將實際平拋運動實驗錄像插人課件，演示實驗真實運行過程，其中包括怎樣建立實驗裝置，怎樣進行水平及豎直方向位移測量，使學生更加具體地了解實驗過程。在實驗原理的解釋上，通過動畫將平拋運動過程中速度與加速度的變化規(guī)律逐漸分解，同時配合公式動態(tài)呈現(xiàn)，讓學生更容易理解平拋運動物理本質與數(shù)學描述。另外，教師也可將部分互動環(huán)節(jié)設置于課件中，比如，以問題的形式引導學生對平拋運動在不同情況下的變化情況進行思考，再呈現(xiàn)對應動畫效果加以驗證，提高學生參與度與學習積極性。利用多媒體課件輔助教學，使抽象物理知識形象化、可視化地展現(xiàn)在學生面前，從而有效地降低學生的學習難度，增強實驗教學效果

（二）應用虛擬實驗室

虛擬實驗室給高中物理實驗教學帶來了新的、不受時間、空間制約的實驗平臺。學生可在虛擬環(huán)境下自由完成多種物理實驗操作，模擬真實實驗場景，觀察實驗現(xiàn)象，采集與分析實驗數(shù)據(jù)等活動，以達到加深物理知識理解與掌握、訓練實驗技能、培養(yǎng)科學探究精神的目的。

以“電磁感應\"為例，虛擬實驗室可以模擬各種形狀線圈、各種強度磁場和線圈相對磁場的運動。學生可通過獨立選擇實驗器材及構建實驗電路來改變磁場方向、強度及線圈匝數(shù)，進而觀測電流表指針偏轉，探究電磁感應現(xiàn)象產生感應電流所具備的條件以及影響感應電流的各種因素。在虛擬實驗室里，不需擔心實驗設備受損、實驗材料耗損等問題，學生就能大膽嘗試、勇于探索，重復實驗操作直到充分掌握實驗原理與規(guī)律。虛擬實驗室還能提供實際實驗室很難實現(xiàn)的某些極端實驗情況，比如超強磁場、超高速運動等，使學生能觀察常規(guī)環(huán)境中看不到的物理現(xiàn)象，開闊學生的眼界和思路。同時，虛擬實驗室一般都配有數(shù)據(jù)記錄與分析功能，便于學生獲得實驗數(shù)據(jù)以及使用軟件工具對數(shù)據(jù)的分析與處理，繪制相關圖片，并得出實驗結論，以進一步提升學生科學探究能力及數(shù)據(jù)處理能力。

（三）采用傳感器進行數(shù)字化實驗

使用傳感器進行數(shù)字化實驗，體現(xiàn)了信息技術和高中物理實驗教學的深度融合，該傳感器能把物理量轉換成電信號，經(jīng)數(shù)據(jù)采集器輸送到計算機中實時處理與分析，以達到準確測量與動態(tài)監(jiān)測實驗過程的目的，給學生提供了更精確、更直觀的實驗資料，有利于學生對物理規(guī)律進行深人探討。

以“牛頓第二定律\"實驗為例，在常規(guī)實驗中用打點計時器測小車加速度操作比較煩瑣，誤差大，而采用力傳感器與加速度傳感器相結合的數(shù)字化實驗能夠極大地提升實驗精度與效率。在小車上裝上力傳感器以檢測小車所受拉力，并在小車上固接有加速度傳感器以對小車加速度進行實時監(jiān)控。在實驗中，改變小車所受拉力的大小，計算機就可同時對力和加速度傳感器進行數(shù)據(jù)采集，直接畫出力和加速度之間關系的圖。學生能直觀地觀察到拉力和加速度成正比的關系，進而深入理解牛頓第二定律所包含的意義。由于傳感器能實時收集實驗數(shù)據(jù)，學生能時刻觀察力、加速度等物理量的變化，發(fā)現(xiàn)實驗中存在的問題及時調整。比如，若發(fā)現(xiàn)實驗中力和加速度之間關系的圖像有異?，F(xiàn)象，學生就可查看實驗裝置連接有無松動、傳感器有無標定等情況，從而訓練學生解決實際問題的能力。用傳感器進行數(shù)字化實驗不但使實驗結果更精確、更可靠，還能使學生切身感受現(xiàn)代科技對物理實驗的運用，激發(fā)了學生對物理學科及科學技術的興趣與喜愛。另外，傳感器可以記錄實驗中細微的變化，動態(tài)呈現(xiàn)這些數(shù)據(jù)給學生帶來更多的信息，并引導學生對物理現(xiàn)象背后的實質進行深度思考。例如，在學習加速度和力之間的關系中，學生通過觀察實時數(shù)據(jù)曲線就有可能找到力的細微波動對加速度變化趨勢的影響，然后聯(lián)系現(xiàn)實中汽車起動、剎車的情境，深化物理知識實際運用的認識。同時這種數(shù)字化的實驗方式為教師提供了個性化的教學指導。教師可針對每一位學生實驗數(shù)據(jù)特點準確指出問題，有利于學生完善實驗方法與思維，而且學生在不斷解決問題的同時，也逐步掌握了科學的研究方法與技術，形成了嚴謹、嚴肅的科學態(tài)度。這為將來進行更加復雜的科學探究活動打下了堅實的基礎，進一步提高學生學習物理的自信心與成就感，讓學生更加積極、主動地投入物理學科探究。

（四）線上實驗教學平臺互動教學

線上實驗教學平臺上的互動教學開辟了高中物理實驗教學的新模式，它突破了時空的限制，可以使教師與學生、學生與學生間更方便地開展有效的溝通和互動，使實驗教學在形式和內涵上更加豐富。

以“光線的折射和反射\"這一實驗為例，教師可以在線上教學平臺提前公布實驗的預習材料，這些材料包括解釋實驗原理的視頻、模擬實驗展示以及相關知識點的測試題等，以協(xié)助學生在實驗開始之前做足充分的準備工作。實驗課中，教師通過該平臺現(xiàn)場直播了實驗的實際操作過程，學生即使沒有到實驗室現(xiàn)場，仍可以清楚地觀察到教師的每個操作步驟，比如怎樣調節(jié)光源、怎樣擺放折射介質。同時，學生可通過該平臺提出問題，教師可及時解答學生的問題，保證學生對實驗關鍵要點的了解。當學生分組實驗后，各組均可把實驗中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)、現(xiàn)象及所遇問題等實時上傳至平臺，并與其他組共享交流。例如，某些小組在測定光的折射角度時獲得的數(shù)據(jù)與預期理論值存在偏差。當學生上傳實驗設備的照片和數(shù)據(jù)后，其他的小組可以聯(lián)合起來探討可能出現(xiàn)的問題，例如，光線有無垂直入射界面、測量角度儀器有無誤差等。這種互動交流既有利于學生在實驗過程中解決問題，又可以使學生對實驗進行不同視角的思考，開闊思維視野。另外，在在線平臺上可開設實驗競賽和小組合作項目，以調動學生學習積極性與競爭意識。比如，組織一場名為“設計最為準確的折射定律檢定實驗方案”的競賽，在這個平臺上，各個小組都會提交學生自己的實驗設計方案，其中也包括了實驗的具體步驟、數(shù)據(jù)采集方法及預期結果等，再結合在線投票與教師評審選出優(yōu)秀方案。通過線上實驗教學平臺互動教學加強學習參與度與團隊協(xié)作，讓物理實驗教學更生動、更有趣、更有效。

三、結束語

信息技術應用于高中物理實驗教學，前景廣闊，大有可為。盡管目前存在一些問題，但通過不斷提升教師素養(yǎng)、合理配置資源以及正確處理虛擬與真實實驗的關系，能夠充分發(fā)揮信息技術的優(yōu)勢，優(yōu)化實驗教學過程、提高教學質量，為學生物理學習及今后發(fā)展打下堅實的基礎，有利于培養(yǎng)出符合時代需要的創(chuàng)新型人才，促進高中物理實驗教學邁上一個新的臺階。

【參考文獻】

[1侯建華.談高中物理實驗教學中學生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)[J].學周刊，2020（33）：151-152.

[2]高軍英.高中物理實驗教學中學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J].當代家庭教育，2020（5）：86-87.