新技術助力物理實驗教學

潘家料

摘 要：本文借助新技術、DIS實驗、虛擬仿真實驗室等手段對演示實驗、學生動手分組實驗、課外拓展實驗等進行融合教學，對實際物理問題的建模與實驗驗證，不斷提高物理實驗教學的實效性方面的實踐作了闡述。

關鍵詞：新技術；助力；物理實驗教學

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）12-0070-3

物理是一門理論聯(lián)系實際的學科，物理教學離不開實驗，實驗教學涵蓋課堂教學演示實驗，學生分組動手實驗，課外拓展的探究性實驗、科技小制作等方面。信息技術水平的不斷提升，為物理實驗教學實效性的提高奠定了堅實的基礎，使實驗教學可在更高的平臺上進行。因此，物理教師如何充分利用信息技術提供的先進手段進行教學，從理論到實踐將信息技術與物理實驗教學進行融合，使物理實驗教學更高效，本文將結合教學實踐談談筆者的思考。

首先，從理念上辯證對待信息技術與教學的關系，教育教學的終極目標是為了學生的終身發(fā)展奠定堅實基礎，應該根據學生的身心發(fā)展與教育教學規(guī)律確定教學目標，恰當選擇教學方式與教學手段，采用靈活的教學方法激發(fā)學生積極思維為教學設計的出發(fā)點，避免為了新技術的使用而進行教學設計，造成主次顛倒；然后，在此認識的基礎上將新技術手段融合進物理實驗教學。

利用新技術手段可提高演示實驗的精確度，實現由定性實驗轉向定量研究。如用氣墊導軌代替平板探究“力、質量與加速度的關系”“做功與物體動能的改變”“碰撞中的守恒”等力學實驗，不但減少平衡摩擦力的實驗環(huán)節(jié)，而且使實驗接近于光滑平面上的運動情景，提高實驗的精度。通常教材中“安培力影響因素的探究”實驗是定性研究，若將此實驗改用朗威DIS實驗，可用傳感器測出實驗中的磁感應強度和安培力，就可通過定量的研究，得出安培力與磁感應強度、電流強度及磁場中導線長度成正比的關系。運用PASCO數字化傳感器對氣墊導軌上物塊的簡諧運動進行實驗設計與研究，以定量驗證簡諧運動的周期。物理量的測量數字化及數據處理的集成化，更好地提升了研究手段，便于實驗探究，激發(fā)學生對問題的探究意識，掌握探究方法，提高探究問題的能力。如用思科DIS實驗研究物體下落過程的超重與失重現象，利用傳感器測出物體位移情況的實時記錄，通過電腦顯示在屏幕上，利用自帶軟件的數據處理功能，顯示物體下落過程的位移、速度、加速度及受力情況。相較于只用視頻拍攝下學生在電梯中運動時臺秤示數的變化，然后進行理論分析的教學方法，更能直觀、漸進地讓學生在探究中領悟超重與失重的實質。

利用新技術手段提高演示實驗的可視化程度。需要觀察細小部件如儀器、儀表的內部結構以及瞬間閃過的實驗現象等，可用展示臺、電腦或手機自帶攝像頭進行拍攝在大屏幕展示，將不易觀察或只有教室前排學生可觀察到的現象變成全班學生都可清晰觀察到的現象，將時間運動很短的過程進行回放與慢放，同時可將拍攝到的圖片進行展示對比。如借助DIS實驗將自感現象實驗中電流大小及方向進行記錄與顯示，由此來分析討論燈泡的“閃亮”現象及電感線圈電流漸變情況，以及將DIS實驗記錄保存的實驗數據，利用Excel表格的數據處理功能將數據分析結果用圖像展示，有效提升學生的觀察能力及分析判斷等思維能力，極大地提高實驗的可視程度，這是傳統(tǒng)演示實驗無法比擬的。

由于片面追求考試成績，現階段從小學到中學，對學生科技意識及動手實驗能力等科技素養(yǎng)培養(yǎng)不足，因此學生分組動手實驗通常效率低，實驗課教學有效性差，從實驗器材的選取、原理的領悟、過程的設計到數據處理及對結論的探究等方面能力都很差。部分學生在觀望，大部分學生實驗目的不明確，不利于實驗教學的進行和學生動手能力的培養(yǎng)。因此，在有限時間里充分利用微視頻進行示范講解，利用仿真實驗室提前對實驗器材選取與實驗過程進行模擬，使學生進實驗室分組動手實驗時探究方向明確，實驗操作過程清楚，避免盲目，在科學有序進行實驗后利用Excel表格進行數據記錄，充分利用Excel表格的數據處理功能對實驗數據進行擬合等處理，用圖像等表示數據所展示的規(guī)律。如光的折射規(guī)律探究過程，對實驗記錄下的入射角i、折射角r、等進行數據處理，依據數據擬合出圖像，對幾個圖像進行分析學生即可得出折射規(guī)律。利用手機拍攝功能和QQ群或學樂云平臺，將每個小組有代表性的實驗情況拍攝后在大屏幕展示，通過評析對比，及時對學生實驗的成功之處給予肯定和不足之處加以透徹分析，不斷深化學生對實驗原理、方法的領悟，激發(fā)動手實驗的興趣，提升探究等實驗能力，極大地提高實驗課的實效。

物理是與生活實際緊密聯(lián)系的學科，充分利用小玩具等開發(fā)校本實驗資源。如利用激光筆的功能直觀演示光的干涉與衍射現象、光的折射與反射定律等探究實驗，利用學生閑置生日卡中的發(fā)光二極管，磁性很強的小磁塊，可用于探究電磁感應現象等實驗，教師亦可用其演示小磁塊穿過繞有多個線圈的PR管，對比其自由落體運動的快慢情況，根據穿過同樣長度兩個管的時間不同和發(fā)光二極管的發(fā)光情況，來分析討論電磁感應現象中的力和能的綜合問題，極大地激發(fā)學生的探究意識，直觀驗證了電磁感應中的安培力做功與能量轉化的問題。手機導航軟件可以記錄行進路線、位移、時間，結合百度地圖或搜狗地圖分析兩地的實際距離等，據此分析生活中的運動，具有數據詳細、操作便捷、全程體驗等特點。利用發(fā)光球演示通過人體感應使日光燈發(fā)光情況學習電場中導體，亦可利用一只手機放入茶葉罐中，蓋上蓋子，用另一只手機去拔打（課堂里用免提），聽到的聲音是“對不起，您撥的電話暫時無法接通，請稍后再撥?！闭f明金屬罩內沒有電磁信號，該手機已經被屏蔽，由此來演示靜電屏蔽現象等。將抽象問題給予直觀化，通過教師的示范啟發(fā)，引導學生開發(fā)實驗資源，進行課外實驗，還可指導學生利用3D打印技術進行科技小制作等活動，激發(fā)科技創(chuàng)新意識，為學生全面發(fā)展、挖掘潛能營造氛圍。

信息技術的發(fā)展為虛擬物理實驗室的建立創(chuàng)造了條件，即用數字技術在電腦上模擬實驗室中的設備、實驗過程和實驗數據，最終形成數字化實驗結果的電腦虛擬實驗室，很容易實現人機交互和人人交互，可以通過網絡實現共享和遠程操作。如使用網絡版的NOBOOK系列學科教學工具，只需用賬號登錄，即可在實驗室、教室及學生家里可以上網的地方進行物理實驗，實驗都是數字化運行，成本幾乎為零。特別是對于高成本耗材或危險性的物理實驗，如加在燈泡兩端電壓遠超額定電壓時燈泡爆裂實驗等，可以在電腦中無數次重復進行，其方便性、經濟性、安全性顯而易見。但其不足之處也不容忽視，虛擬物理實驗室的設備都是數字化的，與真實環(huán)境下的真實物理實驗相比，只能部分替代真實的物理實驗，一些目前還無法數字化的實驗因素還無法在虛擬實驗中再現，比如材料的味道等。另外，虛擬實驗是利用物理規(guī)律對真實實驗的模擬和推理得出結果，其模擬的真實程度、精確度也是有限的，一些細節(jié)問題可能無法模擬。

遵循從感性到理性，從對實驗原理的理解到領悟、方法的遷移，以期提升實驗能力的教學思路，達到應用物理概念和規(guī)律解決物理問題的目的，還需充分利用實驗復習、習題教學中實際問題的物理模型建立等途徑，來提高學生的實驗能力。利用微課視頻對實驗內容進行復習，利用保存的DIS實驗及數據處理過程等，深刻理解實驗原理，總結提煉實驗方法，在此基礎上通過改變實驗條件及器材參數，激發(fā)學生思維，將實驗原理、方法遷移到新的實驗中。創(chuàng)設新的物理情景或利用實際物理問題，啟發(fā)引導學生分析、設計實驗，在討論研究的基礎上，利用虛擬實驗室的仿真功能，通過設置對應參數進行驗證猜想實驗方案的可行性以及對實際物理問題分析計算結果的驗證等。

本文只是拋磚引玉，希望廣大物理教師可以結合實際將更多、更新的技術，更好地應用于教學之中，還可開發(fā)一些與教學有關的應用程序，將新技術與物理教學有機融合，激發(fā)學生對物理學習的濃厚興趣，提升其科技素養(yǎng)，促進物理教學的生動與高效。

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（欄目編輯 鄧 磊）