從DIS與傳統(tǒng)實驗的特點談中學物理實驗類型的選擇

董光順

(曲靖一中 云南 曲靖 655000)

隨著新課程改革的推進，數(shù)字化物理實驗得到了較好的推廣和發(fā)展，在發(fā)達地區(qū)甚至已經(jīng)普及.數(shù)字化實驗的出現(xiàn)彌補了傳統(tǒng)實驗的技術空白，使得實驗手段逐步趨于多元化，但與此同時，面對傳統(tǒng)實驗和數(shù)字化實驗各自的優(yōu)勢和不足，越來越多的教師開始困惑，以DIS為代表的數(shù)字化實驗和傳統(tǒng)實驗哪種更符合學生的發(fā)展需求，更有不少教師采取了抵觸DIS或者徹底拋棄傳統(tǒng)實驗的極端做法.鑒于此，基于數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗的各自特點，筆者就中學物理實驗中，如何以實驗教學目標為導向對實驗類型的選擇進行一些探討，并結合部分案例扼要說明.

1 簡述數(shù)字化實驗的功能特點

目前，對數(shù)字化實驗作出詳細介紹的文章已經(jīng)很多，此處便不再贅述，現(xiàn)筆者僅結合自身對數(shù)字化實驗的理解，對其功能特點作扼要介紹.

(1)測量范圍廣，彌補了傳統(tǒng)實驗的局限性或空白.

數(shù)字化實驗憑借對信息化技術的應用，利用磁敏元件、光敏元件、聲敏元件、特種G-M計數(shù)管等器件開發(fā)了一系列類似于磁感應強度的測量，放射性物質輻射強度的測量，微小電流信號的測量等很多采用傳統(tǒng)實驗手段做不好或做不了的實驗，彌補了傳統(tǒng)實驗的空白，有效地拓寬了基礎性實驗的教學范圍.

(2)實時測量并記錄數(shù)據(jù)，便于展示測量數(shù)據(jù)在過程中的變化，并增強了數(shù)據(jù)的對比性.

利用實驗數(shù)據(jù)的連續(xù)測量和實時記錄的特點，結合計算機軟件，可將測量對象在整個過程中的變化情況更便捷、清晰地展現(xiàn)出來.另外，基于數(shù)字化實驗的這一特點，在做牛頓第三定律等實驗時,可將作用力與反作用力大小關系對比地展示出來.

(3)測量精度高、靈敏度好，節(jié)省數(shù)據(jù)處理時間，改變了實驗課堂的時間分配和重心.

數(shù)字化實驗的數(shù)據(jù)采集方式和記憶功能，為學生進行多組實驗的采集和處理節(jié)約了很多時間.根據(jù)數(shù)字化實驗研發(fā)中心對數(shù)字化實驗課堂與傳統(tǒng)實驗課堂中，學生在各環(huán)節(jié)的活動時間進行調查,獲得如圖1所示的結果.該結果顯示數(shù)字化實驗成功地將課堂重心傾向于物理知識和規(guī)律的探索研究，當然，也弱化了學生在操作、計算、歸納等方面能力的培養(yǎng).

圖1 傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗學生活動時間分配對比圖

(4)實驗系統(tǒng)原理復雜，增大了學生對儀器原理的認知難度，影響學生對知識的構建.

長期以來，在國內外都要求中學物理實驗尤其是演示實驗要簡潔、直觀并突出重點，例如，美國的《美國科學教育標準》就提倡不用昂貴的或精密的儀器，而鼓勵教師直接從日常生活用品中取材，經(jīng)過匠心獨運的設計，引導學生觀察、探究.

在學生對于傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機編程語言和圖像模擬等方面涉及到的知識零儲備的背景下，數(shù)字化實驗中數(shù)據(jù)信息的獲得和處理涉及到的信號發(fā)射、接受、輸入、處理、顯示等系列復雜的過程，超出了中學生的認知能力.加之多數(shù)教師對數(shù)字化實驗軟、硬件系統(tǒng)的了解程度不深，數(shù)字化實驗相關資料匱乏等重要因素，對于學生而言，DIS實驗雖然如此神奇，卻難免變得神秘，對于不在少數(shù)的學生而言，數(shù)據(jù)的獲得和處理過程猶如“暗箱操作”. 筆者認為，學生對一個陌生物理規(guī)律的習得，必須建立在其堅信這一系列過程具有科學性和嚴謹性的基礎之上，否則，對于這一部分學生而言，數(shù)字化實驗將無異于虛擬的課件，同時,他們對一個物理內容的理解程度，也必將受到對相關內容構建過程中，所涉及到的事件的理解程度的影響.DIS系統(tǒng)的“神秘性”，一定程度上影響了實驗教學功能的實現(xiàn).

(5)DIS系統(tǒng)的過度智能不利于部分重要基礎能力的培養(yǎng).

DIS進入中學課堂伊始，不少師生就將其定位為“傻瓜機”，當然，這是一種有失客觀的評價.但毋容置疑，過多地依賴于DIS對于實驗數(shù)據(jù)的智能采集、智能處理，必將弱化很多傳統(tǒng)實驗課堂所關注的類似于多用表、游標卡尺、螺旋測微器、打點計時器等大量經(jīng)典儀器的操作能力，以及數(shù)據(jù)記錄、運算和作圖、歸納等基礎能力的培養(yǎng).

優(yōu)秀的傳統(tǒng)實驗卻恰恰具備了設計巧妙，過程明了，現(xiàn)象簡潔、直觀，能夠有效培養(yǎng)學生基礎能力等功能特點.

2 傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗形式的選擇

在物理實驗教學中，實驗形式和方案的選擇不僅僅取決于實驗目的，還應關注實驗過程中的能力、方法等過程目標，而實驗形式和方案是否得當又很大程度影響了這些目標的達成.那么，怎樣科學、得當?shù)剡x擇實驗形式和方案？筆者認為，實驗方案的選擇一定要以實驗目標為導向，并基于兩種實驗形式各自的功能特點進行.在此，筆者按類別結合一些典型的例子給予說明.

類別1：基于DIS測量的廣泛性和精確性，中學物理傳統(tǒng)實驗中類似于放射源、微電流測定等一類想做而做不了或者想做而做不好的實驗，在數(shù)字化條件下可順利完成，尤其是電磁學、熱力學和原子物理的實驗部分.

類別2：基于DIS數(shù)據(jù)的實時測量和圖像的對比展示功能，動態(tài)地展示研究量在變化過程中的性質，增強現(xiàn)象的對比性.

實例1：在牛頓第三定律的驗證實驗中，傳統(tǒng)的做法是，利用彈簧測力計對拉，用眼讀數(shù)并比較不連續(xù)的狀態(tài)下，兩個作用力的大小關系.而我們寄希望測量數(shù)據(jù)更為精確，并且能夠讓學生觀察到在施力變化的整個過程中，兩個力的大小持續(xù)相等，從而突出牛頓第三定律的普適性.

數(shù)字化實驗的使用，如圖2所示，不僅很好地完成了實驗的知識性目標，還有效避免了因測力計中彈簧的形變性能、讀數(shù)誤差、實驗者在讀數(shù)過程中施力的微變化等因素造成的誤差.

圖2 牛頓第三定律的演示

圖3 用力傳感器拉動木塊

實例2：傳統(tǒng)實驗中，我們苦惱于摩擦力不可直接測量，希望能夠通過實驗探究靜摩擦力的大小并展示最大靜摩擦力.在這樣的既定實驗目的下，結合DIS的實時測量和圖像的對比展示功能，使用力傳感器記錄緩慢拉動木塊(圖3)時力的變化,獲得如圖4所示的實驗結果.展現(xiàn)了摩擦力在實驗中的實時漸變過程，并清晰地展示了物塊從靜摩擦力到滑動摩擦力的過渡，使得最大靜摩擦力變得“可視化”.

圖4 用力傳感器拉動木塊時力的變化

類別3：基于傳統(tǒng)實驗設計巧妙,現(xiàn)象直觀和重點突出等特點，可利用傳統(tǒng)實驗構建物理情境，定性地展示物理規(guī)律.

系列實例：在教學實踐中，很多傳統(tǒng)實驗的使用能較好地為學生搭建物理情境，構建知識，或將系列抽象的規(guī)律直觀地展現(xiàn)出來，諸如，此類的經(jīng)典傳統(tǒng)物理實驗還有很多，例如“水流星”實驗(圖5)、曲線運動速度方向演示實驗(圖6)、碰撞(圖7)、共振實驗(圖8)、耦合擺(圖9)等.

圖5 “水流星”實驗

圖6 曲線運動速度方向演示

圖7 碰撞

圖8 共實驗實驗 圖9 耦合擺

諸多經(jīng)典的傳統(tǒng)實驗，在設計的巧妙性和趣味性上都是獨具優(yōu)勢的.從實驗教學功能的理念層面上來看，這些實驗非常符合學生的認知特點；在學生能力培養(yǎng)的層面上，經(jīng)典的傳統(tǒng)實驗儀器和過程，能夠很好地激發(fā)學生的創(chuàng)新意識并提高其創(chuàng)造能力；從教學實踐層面上而言，很多傳統(tǒng)實驗能創(chuàng)造情境，激發(fā)興趣，并直觀地突出研究元素.

類別4：在數(shù)字化實驗出現(xiàn)前，利用傳統(tǒng)實驗手段也能較為精確地測量一些物理量.對于這一類別的實驗，更要基于兩種實驗形式的功能特點，結合實驗的教學目標進行選擇.此處以加速度的測量為例展開說明.

(1)實驗設備的比較如圖10,11所示.

圖10 打點計時器研究勻變速運動加速度

圖11 DIS研究勻變速運動加速度

(2)所測得數(shù)據(jù)的比較如圖12和表1第1～5列所示.

圖12 打點計時器所測得的數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)序號t1/st2/st12/sd/mv1/(m·s-1)v2/(m·s-1)a/(m·s-2)10.063060.035250.741960.0300.47570.85110.506020.066740.035830.766010.0300.44950.83730.506330.075370.036990.817910.0300.39800.81100.504940.080700.037580.847060.0300.37170.79830.503650.063110.035250.742080.0300.47540.85110.506360.055490.036100.575390.0300.54060.83100.504770.052170.035130.551420.0300.57500.85400.506080.064200.038160.632070.0300.46730.78620.504590.073550.039870.685430.0300.40790.75240.5026100.083190.041170.733300.0300.36060.72870.5020

(3)處理結果的比較如圖13和表1第6～8列所示.

圖13

(4)教學功能特點的比較如下.

打點計時器所達成的教學效果:

1)能有效鍛煉操作、計算、作圖等基礎能力.

2)實驗原理和操作過程清晰、明確.

3)能更好地體驗加速度的獲得過程.

4)能感受到實驗中誤差的存在和真實性.

5)能有效地鍛煉Δs=aT2的應用.

6)能鞏固練習“中間時刻的速度與平均速度”的規(guī)律.

7)便于學生直觀感受相同時間內a與位移的變化量的關系.

8)過程繁瑣，花費時間較多.

DIS實驗所達成的教學效果:

1)能較精確、快速地獲得加速度，為課堂其他環(huán)節(jié)贏得時間.

2)體會計算機技術在物理規(guī)律探究中的應用.

3)實驗的軟、硬件系統(tǒng)復雜，超出學生認知水平，部分學生對結果的獲得會存有疑慮.

4)實驗系統(tǒng)的智能性弱化了基礎能力的培養(yǎng)，可能造成部分學生對計算機的過度依賴.

情形1：若此節(jié)課的教學目標是認識和測量加速度，并希望在實驗過程中培養(yǎng)學生利用已有知識解決問題的能力，鍛煉學生計算、作圖等基礎能力，那么,結合兩種實驗形式所達成的教學功能的特點，應選擇傳統(tǒng)實驗展開實驗.

情形2：若實驗中的加速度僅作為一個用于比較的物理量，例如“探究加速度、質量與力之間的關系”實驗中，希望盡可能快捷、精確地獲得加速度，從而將課堂重心放在三者關系的探究上，那么，無疑要選擇數(shù)字化實驗.

綜合而言，在知識構建方面，傳統(tǒng)實驗在諸多物理規(guī)律的定性展示和探究方面見長，而DIS在物理量的定量測量、動態(tài)的過程分析方面有著不可替代的優(yōu)勢.在能力培養(yǎng)方面，DIS將新技術元素融合于物理實驗課堂，改變了課堂時間的分配結構，為學生探究、質疑能力的養(yǎng)成贏得了更多的時間，不過在教學實踐中，由于受到很多因素的影響，這些能力培養(yǎng)的實效性還差強人意，而傳統(tǒng)實驗能夠有效地提高學生計算、作圖、歸納等一些重要的基礎能力.在情感態(tài)度與價值觀方面，DIS融合了計算機、傳感器等當代較為先進的科技元素，加強了物理課堂與科技社會的聯(lián)系，而傳統(tǒng)實驗卻更為本真地保留了物理規(guī)律獲得的探索歷程.

不論是傳統(tǒng)實驗還是數(shù)字化實驗都各有優(yōu)勢和不足，在教學實踐中絕不能將其置于兩個對立面.只有基于兩種實驗各自的特點，緊扣實驗的教學目標,充分認識并開發(fā)這兩類實驗的教學功能，協(xié)調互補，才能更為有效地實現(xiàn)教學目標.

參考文獻

1 孫素娟.高中物理傳統(tǒng)實驗教學方法的改進:[學位論文].上海：上海師范大學，2009