大數(shù)據(jù)視野下物理實驗教學的研究

【摘 要】隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，教育教學中對大數(shù)據(jù)的應(yīng)用也變得頻繁起來，特別是在物理實驗教學中，大數(shù)據(jù)的影響是顯而易見的，在大數(shù)據(jù)視野下如何通過物理實驗激活初中生的科學思維，則是現(xiàn)代物理教師值得關(guān)注和深思的問題。

【關(guān)鍵詞】大數(shù)據(jù);物理實驗;數(shù)字化實驗室;科學思維

【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】1005-6009（2015）26-0038-02

【作者簡介】梁建，江蘇省宿遷市沭陽如東實驗學校（江蘇沭陽，223600）教師。

2013年被稱之為大數(shù)據(jù)（Big Data）元年，在這一年中，美國政府出臺了大數(shù)據(jù)計劃，英國建成了首個大數(shù)據(jù)開放中心，我國的電子商務(wù)蓬勃發(fā)展，政府及個人博客、網(wǎng)站、各種設(shè)備傳感器等每天都在產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)正在悄然地改變著我們的生活，影響著我們的生活方式，加速著各行各業(yè)變革的進程。大數(shù)據(jù)也必將對中學物理實驗教學產(chǎn)生巨大影響，改變我們傳統(tǒng)的實驗教學，運用大數(shù)據(jù)可以將物理實驗教學提升到一個更高的發(fā)展水平，激發(fā)學生的創(chuàng)新熱情，更加有利于實現(xiàn)物理課程標準提出的培養(yǎng)學生思維的要求。

一、大數(shù)據(jù)悄然改變著物理實驗

大數(shù)據(jù)主要通過技術(shù)和應(yīng)用改變著中學物理實驗，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1.大數(shù)據(jù)要求建立的數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室（DISLab）和傳統(tǒng)物理實驗室的硬件矛盾。

從上世紀90年代至今，傳統(tǒng)的物理實驗室使用的器材變化不多，強調(diào)學生的基本動手能力，這些器材測量的數(shù)據(jù)需要學生記錄、整理和總結(jié)，往往占用了大量的實驗時間。實驗在需要重點探究的環(huán)節(jié)花的時間反而偏少，不利于學生的理解。大數(shù)據(jù)要求的數(shù)字化實驗室需要相關(guān)部門投入大量的財力，引入計算機群、各類傳感器、數(shù)據(jù)采集器和相關(guān)的云處理軟件等，利用先進的數(shù)據(jù)處理技術(shù)比如曲線圖像、柱狀圖等，直觀地挖掘物理現(xiàn)象的本質(zhì)。例如在“比熱容”實驗中，由于概念的抽象性，學生對這些數(shù)據(jù)的分析有一定的難度，需要花費大量的時間，而如果利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，將實驗室溫度計換成溫度傳感器，利用DISLab數(shù)字化信息系統(tǒng)動態(tài)地將大量的溫度數(shù)據(jù)和時間發(fā)送給計算機，利用計算機軟件就可以將這些實驗數(shù)據(jù)“秒處理”，以便于學生及時發(fā)現(xiàn)規(guī)律，總結(jié)結(jié)論。

2.教師演示實驗有可能成為學生的自主探究實驗。

部分傳統(tǒng)的物理實驗由于時間和空間的局限性，只是由教師做演示，學生往往沒有參與到實驗中去，缺乏濃厚的興趣。如在“動能”演示實驗教學中，教師往往采用陳述的方式，敘述不同質(zhì)量的小車只要是從斜面的同一高度靜止釋放，到達水平面時的速度必然相同的結(jié)論。由于沒有經(jīng)過實驗驗證，學生會對這一結(jié)論存疑。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，只要在小車即將到達水平面前的很短的距離內(nèi)（可以是幾毫米），放置兩個光電門，將信號傳送給計算機，就可以實時顯示小車到達水平面時的速度。大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，增強了學生學習的自信心，學生對實驗產(chǎn)生的結(jié)論就有了更深的認識。

3.傳統(tǒng)的物理實驗獲得新生。

我國傳統(tǒng)的物理實驗經(jīng)過幾十年的教學沉淀，已經(jīng)逐漸固定為一種模式，大家都按照實驗教材做，創(chuàng)新少。而大數(shù)據(jù)視野可以改變以往的觀念，實現(xiàn)物理實驗教學的再創(chuàng)造。如“聲現(xiàn)象”的實驗教學，在探究聲音具有能量的實驗中，教材采用錄影機播放音樂，通過蠟燭火焰“跳舞”的方式來證明聲音具有能量。筆者將書本的實驗改為比賽：讓多名學生施展“獅吼功”，震碎玻璃杯。利用DISLab數(shù)字化信息系統(tǒng)，將不同的學生發(fā)出的聲音經(jīng)過聲傳感器反饋給計算機，在教室的大屏幕上展示，學生能夠根據(jù)波形了解不同人在不同時刻發(fā)出聲音的響度和頻率大小，知道什么樣的聲音能量最大，能夠有效地震碎玻璃杯。

二、大數(shù)據(jù)對物理教師的要求

大數(shù)據(jù)時代已經(jīng)來臨，正在悄然地改變著整個社會，也必將徹底改變物理實驗教學的現(xiàn)狀，這對物理教師提出了更高的要求。教師應(yīng)改變自我，學習大數(shù)據(jù)的相關(guān)技術(shù)，并且應(yīng)用到我們的物理實驗教學中，更加有效地培養(yǎng)學生的科學思維習慣。只有這樣，教師在實驗教學過程中才能夠做到游刃有余，及時熟練地指導學生利用數(shù)據(jù)軟件達到實驗?zāi)康?，培養(yǎng)他們的質(zhì)疑能力和創(chuàng)新精神。

三、大數(shù)據(jù)視野下通過物理實驗激活學生科學思維的策略

1.充分利用計算機交互性實驗信息。

有時學生并不需要走進實驗室，可以利用計算機交互性實驗課件和實驗視頻等數(shù)據(jù)資源讓學生簡單地自學。在初三的第一輪復習中也可以利用這些數(shù)據(jù)資源給學生展示物理實驗。比如在進行“凸透鏡成像規(guī)律”的第一輪復習時，教師課前制作好凸透鏡成像規(guī)律的相關(guān)課件。上課的時候，利用網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，將每名學生實驗的數(shù)據(jù)通過平板電腦提交給服務(wù)器，在軟件中實時反饋相關(guān)規(guī)律。在很短的時間內(nèi)實現(xiàn)對整個實驗的再回顧，厘清實驗的科學思維過程，大大提高了復習效率。

2.實驗實錄、制作微課。

每一次的物理實驗都是很好的教學素材，可利用攝像頭數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對學生的實驗過程、實驗數(shù)據(jù)進行錄制。如在“流體壓強與流速”一節(jié)的實驗教學中，在純凈水水桶口安裝兩個力傳感器，兩個力傳感器之間放一個小紙團，教師安排實驗小組代表依次往紙團吹氣，結(jié)果發(fā)現(xiàn)紙團不僅沒有被吹入桶內(nèi)，反而從桶口射出，而且越是用力，效果越明顯。此時學生的質(zhì)疑精神被激發(fā)出來：為什么紙團反而射出了？再經(jīng)過老師的引導，利用軟件分析后知道原來是前后紙團兩個表面存在壓強差，紙團被吹的那一面流速大氣壓小。教師將整個實驗過程、實驗數(shù)據(jù)錄制下來，存儲到學校服務(wù)器，供學生利用互聯(lián)網(wǎng)隨時觀看和學習。

3.建立歷年物理實驗中考真題網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。

統(tǒng)一將歷年物理中考真題分類匯編，配有相關(guān)答案，利用Web2.0技術(shù)制作交互網(wǎng)頁，學生能夠利用網(wǎng)絡(luò)在線答題，及時反饋錯誤。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，能夠研究學生多次大量答題錯誤的數(shù)據(jù)記錄，分析中考易錯知識點，找出實驗教學難點，有針對性地對相關(guān)知識點再鞏固，對個別學困生再關(guān)注。

4.DISLab數(shù)字化實驗室。

（1）利用數(shù)字化實驗設(shè)備提高實驗效率。

DISLab數(shù)字化實驗設(shè)備正在走入各個學校，充分利用大數(shù)據(jù)的優(yōu)勢彌補傳統(tǒng)實驗的缺陷。在筆者的實驗教學過程中，一直存在著將測量定值電阻阻值的實驗和測量小燈泡電阻以及電功率的實驗統(tǒng)一起來的想法。但是由于傳統(tǒng)實驗的時間限制，都是將這兩個實驗分在兩節(jié)實驗課，由于有一定的時間跨度，教學效果降低了，就要再花更多的時間強調(diào)該知識點，給學生的學習造成了一定的困難。而利用數(shù)字化實驗設(shè)備，則可以將定值電阻和小燈泡電阻以及小燈泡電功率的測量，利用一節(jié)實驗課全部完成。具體做法是利用霍爾傳感器測電壓、電流和電功率，將實驗數(shù)據(jù)反饋給數(shù)據(jù)庫保存，利用軟件分析定值電阻和小燈泡阻值的不同點，根據(jù)不同電壓下的電功率，學生利用軟件圖像，就可以直觀地知道如下結(jié)論：燈泡阻值和溫度有關(guān)，電功率變大，造成燈絲溫度升高，電阻變大。

（2）利用數(shù)字化實驗促進思維方式的變革。

傳統(tǒng)的實驗需要學生處理大量的數(shù)據(jù)，耗時費力，由于學生學習能力參差不齊，繪圖會有一定的偏差，造成對實驗結(jié)論的錯誤認識。學生循規(guī)蹈矩，按照實驗步驟亦步亦趨，不敢做稍微的變更，這些都束縛了學生科學思維的培養(yǎng)。數(shù)字化實驗要求教師創(chuàng)造性地開展物理實驗教學，這就必然會對學生起到引領(lǐng)示范作用，有助于激活學生的創(chuàng)新能力和科學思維。

大數(shù)據(jù)時代已經(jīng)到來，這對于物理實驗教學的開展既是機遇也是挑戰(zhàn)。大數(shù)據(jù)在物理實驗教學中的應(yīng)用，是實驗教學發(fā)展的必然趨勢，是改變以往培養(yǎng)學生科學思維方式的有效途徑。通過大數(shù)據(jù)的技術(shù)和應(yīng)用，學生能完成傳統(tǒng)實驗想做而又無法做的實驗，克服畏難情緒，充分發(fā)揮想象力，創(chuàng)新設(shè)計實驗，提高科學思維能力。相信隨著大數(shù)據(jù)的迅猛發(fā)展，大數(shù)據(jù)在未來的物理實驗教學中必將大放異彩。

【參考文獻】

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