數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵及誤區(qū)解讀

顧連忠

（河北師范大學(xué) 物理科學(xué)與信息工程學(xué)院，河北 石家莊 050016）

國家新課程標(biāo)準(zhǔn)對信息技術(shù)與物理課程的整合提出了具體的要求，尤其是將傳感器列入中學(xué)物理課程。因此一種以傳感器和計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合的新型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健獢?shù)字化實(shí)驗(yàn)室應(yīng)運(yùn)而生。各學(xué)校也以此為契機(jī)開始裝備數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室，作為學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要部分斥資建設(shè)，目前國內(nèi)外的廠家紛紛將基于傳感器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)作為自己的主要生產(chǎn)對象并以昂貴的價格推向各個學(xué)校，那么究竟數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)包括哪些內(nèi)容？應(yīng)該如何理智地建設(shè)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室？

1 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是以真實(shí)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，借助計(jì)算機(jī)來完成的實(shí)驗(yàn)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該包括三個方面。

1.1 仿真實(shí)驗(yàn)

仿真實(shí)驗(yàn)是一個開放性的實(shí)驗(yàn)仿真軟件，提供一個實(shí)驗(yàn)器具完備的綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以仿真所能想象的所有實(shí)驗(yàn)，例如可以提供質(zhì)點(diǎn)模型、彈簧、滑軌等器具；可以提供電場、磁場、重力場、阻尼介質(zhì)等實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可以完成自由落體運(yùn)動、機(jī)械能守恒、帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，人造地球衛(wèi)星、太陽系的運(yùn)行等也能利用仿真系統(tǒng)模擬。仿真實(shí)驗(yàn)不但可以演示逼真的實(shí)驗(yàn)動畫，還可以在演示的同時提供相關(guān)的實(shí)驗(yàn)實(shí)時數(shù)據(jù)。通過仿真，模擬理想化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，幫助學(xué)生建立理想化的物理模型，得出物理規(guī)律。

1.2 借助傳感器計(jì)算機(jī)自動采集和處理數(shù)據(jù)[1]

在物理實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集要通過傳感器把各種物理量如力、聲、光、溫度、位移、磁場強(qiáng)度等轉(zhuǎn)化成模擬電信號，通過I/O和O/I轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識別的數(shù)字信號，由計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)，利用編制的軟件，快速、方便、準(zhǔn)確地處理采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以及時得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如計(jì)算結(jié)果、圖表、誤差分析等。通過各種傳感器替代傳統(tǒng)的儀表，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集之后交由計(jì)算機(jī)分析處理，能夠更加清晰、明確地展示現(xiàn)象，揭示規(guī)律。

1.3 用多媒體手段表現(xiàn)物理現(xiàn)象

計(jì)算機(jī)的多媒體功能越來越強(qiáng)，可以非常直觀形象地表現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，盡管表現(xiàn)出來的本質(zhì)是虛擬的，但是它突破了真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的時空局限，大小、動靜可以變化，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察更方便，感受理解更生動。

2 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的比較

2.1 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)大，實(shí)驗(yàn)占用時間少

從實(shí)驗(yàn)理論上來看，采集數(shù)據(jù)的過程僅僅是一種模仿形式，因?yàn)閭鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量的不足造成了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性不強(qiáng)。而用了傳感器作為實(shí)驗(yàn)載體以后，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段的過程將大大縮短，提高了效率。從數(shù)據(jù)的數(shù)量和數(shù)據(jù)的真實(shí)性來說都比較理想。從實(shí)驗(yàn)的完成速度來看除非是必須要緩慢變化的實(shí)驗(yàn)，比如氣體定律的實(shí)驗(yàn)，各種參數(shù)的改變在需要用控制變量法時要盡量放慢速度以外，其它實(shí)驗(yàn)都可以在非常短的時間內(nèi)完成，甚至有的實(shí)驗(yàn)僅僅在1分鐘的準(zhǔn)備以后在1秒內(nèi)就完成了 1000組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)采集器可以在非常短的時間內(nèi)將數(shù)據(jù)全部記錄并通過數(shù)據(jù)電纜傳送到電腦中。通過配套軟件處理大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)學(xué)生有選擇性的菜單式的操作就可以得到理想的擬合效果。在配套電腦軟件的幫助下，有著強(qiáng)大計(jì)算功能的CPU對于數(shù)萬個數(shù)據(jù)的計(jì)算也就是短短數(shù)秒就能結(jié)束。這是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所無法達(dá)到的結(jié)果。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)需要反復(fù)操作才能得到多組數(shù)據(jù)，占用大量時間，而且傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)還有一部分的內(nèi)容是要課后完成的，因?yàn)檎n堂的時間僅僅是能滿足完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄。而通過傳感器技術(shù)和相關(guān)電腦軟件的配合，可以在課堂上完成完整的實(shí)驗(yàn)過程，效率大大提高了。

2.2 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)沒有時空的限制

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)需要一定的場地、儀器、時空條件才能完成，有些實(shí)驗(yàn)如強(qiáng)光、強(qiáng)電、遠(yuǎn)距離的則無法在實(shí)驗(yàn)室里完成，造成了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的局限性。而仿真實(shí)驗(yàn)室解決了這個問題，生動形象的模擬過程不僅提高了學(xué)生的興趣，更重要的是提供了虛擬的沒有邊界的實(shí)驗(yàn)場地，補(bǔ)充了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，拓寬了知識面。多媒體可以用動畫的方式演示實(shí)驗(yàn)過程，可以在沒有實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)器材的情況下完成，可以任意裁剪，配合課堂教學(xué)用。

2.3 利用傳感器技術(shù)可以做傳統(tǒng)手段做不好和做不出的實(shí)驗(yàn)[2]

借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)提供的先進(jìn)技術(shù)手段突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段的限制，大幅度改進(jìn)效果差的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。例如將電流傳感器用于自感現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，閉合開關(guān)通電出現(xiàn)了一個燈泡先亮一個燈泡后亮的現(xiàn)象。這是由于電磁感應(yīng)引起通過兩個燈泡的電流不同產(chǎn)生的自然現(xiàn)象。以往老師只能通過理論分析電流的變化情況，學(xué)生無法直接觀察到電流變化的情況，只能被動接受老師的分析，頭腦中很難有形象的物理情景作支撐，形成了教學(xué)中的一個難點(diǎn)。引入電流傳感器，將電流的變化記錄為圖像，使學(xué)生直觀地看到自感對電流的影響，幫助學(xué)生認(rèn)識自感現(xiàn)象的本質(zhì)。在這個基礎(chǔ)上，老師又啟發(fā)學(xué)生從電磁感應(yīng)的理論出發(fā)來分析斷電時自感現(xiàn)象中電流的變化情況，并利用電流傳感器實(shí)時記錄電流變化圖像印證學(xué)生分析推理的正確與否。在這個過程中學(xué)生由被動地聽講變成了主動參與，在積極地對話交流的過程中加深了對自感現(xiàn)象本質(zhì)的理解。這樣不但解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器不能夠直觀反映出更本質(zhì)現(xiàn)象的弊端，增強(qiáng)了教學(xué)效果，并加強(qiáng)了學(xué)生的主動參與，大大提高了課堂教學(xué)的效果。

3 應(yīng)用傳感器做探究性實(shí)驗(yàn)

在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，通過實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程，讓學(xué)生體驗(yàn)到“猜想—驗(yàn)證—?dú)w納”的科學(xué)探究過程，初步掌握科學(xué)研究的方法。傳感器的應(yīng)用大大提高了這種探究過程的實(shí)效，成為探究性實(shí)驗(yàn)中重要的輔助手段。

3.1 對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行“再挖掘”，開發(fā)其潛在的教育和教學(xué)功能[3]

動能定理、動量定理是在學(xué)生學(xué)習(xí)過牛頓第二定律和勻變速直線運(yùn)動的規(guī)律基礎(chǔ)上，對力和運(yùn)動狀態(tài)變化關(guān)系作進(jìn)一步的學(xué)習(xí)內(nèi)容。傳統(tǒng)的教學(xué)方法是通過公式的推導(dǎo)使學(xué)生得到一個合乎邏輯的結(jié)論，然而在實(shí)際中什么是動量，什么是沖量，什么是動能，為什么動能的定義要有一個1/2的系數(shù)？學(xué)生是沒有感性認(rèn)識的。在運(yùn)用傳感器進(jìn)行動能定理、動量定理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，學(xué)生充分利用實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)的真實(shí)情景，在實(shí)驗(yàn)的全過程中主動地進(jìn)行探索，通過處理實(shí)驗(yàn)的一系列數(shù)據(jù)，“發(fā)現(xiàn)”新規(guī)律，“定義”新的物理量。

3.2 推出一些新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行探究、創(chuàng)新[4]

碰撞的內(nèi)容屬于學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，也是考試的重點(diǎn)，有關(guān)碰撞的實(shí)驗(yàn)題目很多，但是具體兩個物理碰撞的具體過程是什么樣的？兩個物理從開始碰撞到分開的瞬間，它們的速度又是怎樣變化的？彈性和非彈性又有什么不同？由于碰撞過程非常短暫，只是一個瞬間，用常規(guī)的傳統(tǒng)手段得不到任何數(shù)據(jù)，只能做理論的假設(shè)，借助傳感器連續(xù)采集大量數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，問題可以解決。再如單擺的實(shí)驗(yàn)中，教材中提供的只是擺角小于5。的近似表達(dá)式，如果擺角大于5。的情況下又是什么結(jié)果呢？如果擺球在液體中擺動呢？將細(xì)繩換成橡皮筋結(jié)果又怎樣呢？需要借助各種傳感器來采集數(shù)據(jù)和分析結(jié)果。

當(dāng)然這種探究性的實(shí)驗(yàn)會打亂原有的教學(xué)安排，以學(xué)生自身為主體，從發(fā)現(xiàn)者和探索者的角度出發(fā)，從物理數(shù)據(jù)中，獨(dú)立地得到客觀世界的規(guī)律，在探究性實(shí)驗(yàn)過程中，教師雖然不是主體，但是必須及時加以指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生掌握科學(xué)的物理研究方法，學(xué)會在研究和歸納的過程中感性地理解物理變化及其規(guī)律。

4 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的理解誤區(qū)

4.1 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)不等于用傳感器做實(shí)驗(yàn)

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是基于計(jì)算機(jī)平臺的使用，以真實(shí)的實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)完成的實(shí)驗(yàn)，包括仿真實(shí)驗(yàn)、借助傳感器的實(shí)驗(yàn)以及多媒體展現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)。在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境里我們實(shí)現(xiàn)不了的實(shí)驗(yàn)，如太陽系、微粒子等我們可以借助仿真實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)；傳感器系統(tǒng)具有采集數(shù)據(jù)量大，便于分析的優(yōu)點(diǎn)，適合學(xué)生做探究實(shí)驗(yàn)；多媒體可以用動畫或錄像的形式，配合課堂教學(xué)，提高課堂學(xué)習(xí)效率。這三部分內(nèi)容相互補(bǔ)充，和傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)共同完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。

4.2 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)不能代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)從數(shù)據(jù)采集和分析上大大優(yōu)于傳統(tǒng)手段的實(shí)驗(yàn)，但是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛯?shí)驗(yàn)素養(yǎng)的載體，是不能忽略的教學(xué)環(huán)節(jié)。新一輪基礎(chǔ)教育改革對學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰μ岢隽巳婧蜕羁痰囊蟆鹘y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法能夠培養(yǎng)學(xué)生準(zhǔn)確、深刻的觀察力，實(shí)驗(yàn)過程要求學(xué)生觀察快速、選擇準(zhǔn)確，提高了學(xué)生觀察的敏銳程度；傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)還能培養(yǎng)學(xué)生的操作能力，為了獲取大量的數(shù)據(jù)學(xué)生必須反復(fù)的操作，從而操作熟練，手眼協(xié)調(diào)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)依靠計(jì)算機(jī)操作平臺，學(xué)生直接獲得數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，但是計(jì)算機(jī)程序編制的依據(jù)卻不得而知，傳統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)正是培養(yǎng)學(xué)生編制實(shí)驗(yàn)程序和數(shù)據(jù)處理的能力，包括有效數(shù)字的使用和實(shí)驗(yàn)誤差的分析。傳統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)有助于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，即忠于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的科學(xué)作風(fēng)，即使實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)較大的偏差，也必須承認(rèn)，從而反思找原因，培養(yǎng)學(xué)生思考、質(zhì)疑、堅(jiān)韌和創(chuàng)新的精神。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在探究方面表現(xiàn)很強(qiáng)的優(yōu)勢，但決不能把數(shù)字化引進(jìn)到所有的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，偏離基礎(chǔ)教育的要求。

4.3 傳感器的實(shí)驗(yàn)不只是運(yùn)用傳感器，還應(yīng)該包括如何制作傳感器

傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)是將各種物理量例如溫度、時間、力、加速度等轉(zhuǎn)化為長度進(jìn)行度量。例如桿秤就是把質(zhì)量的測量轉(zhuǎn)化成長度的測量，溫度計(jì)就是利用水銀熱脹冷縮的特性用長度來表示溫度。指針式手表就是把時間轉(zhuǎn)換成角度來讓人們測量時間的變化。傳感器則是將各種物理量轉(zhuǎn)換成電信號，人們對電信號做出進(jìn)一步的分析和處理。學(xué)生應(yīng)該了解基本傳感器的概念，并且應(yīng)該了解基本傳感器的組成，了解物理量轉(zhuǎn)換成電信號的器件。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該包含制作傳感器的內(nèi)容。將傳感器化整為零，放大，讓學(xué)生從多種傳感器件中選擇制作不同的傳感器。如制作光電傳感器，既可以用光電池，也可以用光電二極管，既可以根據(jù)光強(qiáng)變化制作，也可以根據(jù)遮擋的距離做計(jì)數(shù)器，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的不同，傳感器所放置的位置和要求有所不同，從而培養(yǎng)學(xué)生對現(xiàn)代科技方法的認(rèn)識，獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力。

在新課改培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的教學(xué)目標(biāo)要求下，我們應(yīng)該了解數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵，理智的看待目前數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的流行，把有限的資金投在有效的地方，將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來，為學(xué)生提供更加寬泛的實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，培養(yǎng)學(xué)生的探究創(chuàng)新能力和綜合信息的處理能力。