高中物理基于傳感器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)研究

孫天祥　鄒鵬

摘要：為了探討基于傳感器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)運(yùn)用于高中物理課堂教學(xué)的時(shí)效性、可推廣性，并進(jìn)一步探討在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)怎樣與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)融合，筆者自2017年10月開始，在許昌高級(jí)中學(xué)高二年級(jí)選定實(shí)驗(yàn)班級(jí)與對(duì)照班級(jí)，將基于傳感器的數(shù)字化信息技術(shù)運(yùn)用于高中物理實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)中與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)進(jìn)行跟蹤分析、對(duì)照實(shí)驗(yàn)，通過在不同階段對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行的物理實(shí)驗(yàn)水平測試和問卷調(diào)查的方式來收集數(shù)據(jù)；對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，嘗試尋找切實(shí)有效的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，以達(dá)到更好的將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)融入課堂的目的。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)；物理創(chuàng)新研究；傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)；有機(jī)融合

引言：隨著國家多輪新課程改革的推進(jìn)，高中物理實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)也逐步開始從“應(yīng)試教育”向著“素質(zhì)教育”發(fā)生著轉(zhuǎn)變。由原來單純的知識(shí)型教學(xué)向著加強(qiáng)能力、注重非智力因素培養(yǎng)方面發(fā)展。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)在儀器、操作、教學(xué)方法上已不能完全滿足教學(xué)的需要和學(xué)生自主能力的需求。以現(xiàn)代科技為基礎(chǔ)的各種教學(xué)設(shè)施、教學(xué)儀器和方法也不斷走進(jìn)了學(xué)校教育，高中物理必須要不斷創(chuàng)新，基于傳感器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（簡稱數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)）應(yīng)運(yùn)而生?；趥鞲衅鞯臄?shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)用計(jì)算機(jī)、傳感器等技術(shù)，實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)確地得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提高了實(shí)驗(yàn)的精度，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，為提高學(xué)生物理探究能力創(chuàng)造了強(qiáng)有力的物質(zhì)條件，為物理教學(xué)提供了全新的技術(shù)手段和教學(xué)平臺(tái)。

隨著數(shù)字化實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)的的不斷實(shí)施，相比于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)，數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢也越來越明顯，它能在整合了真實(shí)實(shí)驗(yàn)和信息技術(shù)的基礎(chǔ)上，能夠完成包括電磁學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、力學(xué)、光學(xué)、原子物理及熱學(xué)等數(shù)百個(gè)物理實(shí)驗(yàn)，即時(shí)快速、準(zhǔn)確的處理各個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提高了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)的教學(xué)效率，在結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)和科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了學(xué)生學(xué)習(xí)的手段，注重學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的探究的方法和形成過程。雖然數(shù)字化實(shí)驗(yàn)擁有如體積小、易操作、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力等諸多優(yōu)點(diǎn)，但傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)也擁有其自身優(yōu)勢是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)無法企及的，如傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)技能上有獨(dú)到之處，它更加注重培養(yǎng)學(xué)生細(xì)致、耐心等觀察習(xí)慣，重視培養(yǎng)學(xué)生正確選擇和使用儀器的能力。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)還充分培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算分析能力、利用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問題的能力和作圖能力。同時(shí)對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，特別是一些反應(yīng)物理現(xiàn)象、解釋物理規(guī)律的生動(dòng)有趣的小實(shí)驗(yàn)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是不能完全取代的。因此，若在課堂教學(xué)中將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有效融合，發(fā)揮各自教學(xué)優(yōu)勢、克服彼此教學(xué)弊端，高中物理實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)將迎來高速發(fā)展的時(shí)代。

1、高中物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)對(duì)比研究

課題組成員在測量工具、實(shí)驗(yàn)操作、誤差分析、教學(xué)過程幾個(gè)方面對(duì)基于傳感器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)上的異同進(jìn)行歸納，如下表：

通過上述表格分析我們可以看出

1.1傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)?zāi)苡行囵B(yǎng)學(xué)生各方面基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

1）規(guī)范的實(shí)驗(yàn)步驟、嚴(yán)苛的實(shí)驗(yàn)條件、精細(xì)的讀數(shù)規(guī)則、正確的搜集處理數(shù)據(jù)，能有效幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理、構(gòu)建物理概念。

2）在實(shí)驗(yàn)過程中注重培養(yǎng)學(xué)生觀察能力、實(shí)驗(yàn)操作能力、數(shù)據(jù)處理能力、誤差分析能力等，能有助于培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)品質(zhì)如耐心的觀察實(shí)驗(yàn)及遇到困難勇于克服的堅(jiān)強(qiáng)品質(zhì)等。

1.2、傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)不足之處

1）但是部分器材相對(duì)陳舊，一般精度不高，可測量范圍小或根本沒法測量（如電場強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度等），相對(duì)于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)器材測量誤差較大、效率低，使得傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材有一定的局限性；

2）同時(shí)數(shù)據(jù)處理時(shí)計(jì)算過程太過冗長，學(xué)生用于探索的時(shí)間就少之可憐，往往實(shí)驗(yàn)課結(jié)束，部分學(xué)生的數(shù)據(jù)仍未處理完，留在課下又達(dá)不到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)目標(biāo)在探究《牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律》的時(shí)候，往往學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系時(shí)，改變實(shí)驗(yàn)操作條件記錄完數(shù)據(jù)后，已經(jīng)接近課堂尾聲，留很少的時(shí)間去給學(xué)生處理數(shù)據(jù)，更別說探究加速度與質(zhì)量反比的關(guān)系，最終往往教師以講結(jié)論來替代學(xué)生的探究發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，不利于學(xué)生自主探究能力和學(xué)生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。

1.3、基于傳感器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)較傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)的優(yōu)勢

1）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)速度快、精度高、直觀、高效基于傳感器的數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)，快速采集、處理數(shù)據(jù)，精度高、誤差小，大大縮短了學(xué)生課堂實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，把學(xué)生從繁雜的人工計(jì)算中解脫出來，反而可以將時(shí)間充分留給學(xué)生進(jìn)行自主探究。

2）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)在數(shù)量、深度和廣度上相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有量和質(zhì)的突破

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)充分利用傳感器收集各種物理數(shù)據(jù)，收集到的數(shù)據(jù)量相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)提升了百倍以上，同時(shí)其數(shù)據(jù)量是可調(diào)節(jié)的，以實(shí)用性為主。數(shù)據(jù)的精度也獲得大幅度的提高。同時(shí)一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以連接多個(gè)測量探頭，在對(duì)比試驗(yàn)研究中省去了重復(fù)性實(shí)驗(yàn)操作步驟，方便學(xué)生同時(shí)獲取多組不同情況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并分析對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，如在《法拉第電磁感應(yīng)定律》中，想要探究感應(yīng)電動(dòng)勢與線圈匝數(shù)的關(guān)系時(shí)，可以將用兩個(gè)傳感器分別測量面積等條件相同而不同匝數(shù)不同的兩線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢的圖像；利用數(shù)字化進(jìn)行探索的過程中，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，養(yǎng)成學(xué)生獨(dú)立思考和主動(dòng)探索的習(xí)慣，提升了學(xué)生對(duì)復(fù)雜問題的分析能力；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理數(shù)據(jù)擬合圖像，并在計(jì)算機(jī)上直觀顯示圖像（如牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律中 關(guān)系、關(guān)系），有助于學(xué)生歸納總結(jié)、分析物理關(guān)系、得出結(jié)論物理規(guī)律。

3）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)便于突破教學(xué)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)，拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增強(qiáng)學(xué)生興趣。

以高中物理必修2——“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的課堂教學(xué)為例，“重力勢能”、“動(dòng)能”和“機(jī)械能守恒”是教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，其中“重力勢能”、“動(dòng)能”和“機(jī)械能”都是抽象的物理概念，并且在運(yùn)功中不斷變化。教科書上的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)只能設(shè)計(jì)最簡單的“類自由落體運(yùn)動(dòng)”，讓初態(tài)“動(dòng)能”為零，末態(tài)“重力勢能”為零，通過簡單計(jì)算來研究初末兩個(gè)狀態(tài)的機(jī)械能是否守恒。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)卻可以在滿足機(jī)械能守恒條件的基礎(chǔ)下（只有重力做功），設(shè)置各種復(fù)雜物理過程（包括拋體運(yùn)動(dòng)），可以實(shí)時(shí)顯示研究對(duì)象在運(yùn)動(dòng)過程中任意時(shí)刻的“重力勢能”、“動(dòng)能”與“機(jī)械能”，讓學(xué)生形象理解“重力勢能”和“動(dòng)能”在實(shí)驗(yàn)過程中的相互轉(zhuǎn)化以及“機(jī)械能”的始終不變。

1.4、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)優(yōu)點(diǎn)多，但缺點(diǎn)也不容忽視

如傳感器靈敏度高卻造價(jià)也高、易損壞、不易保存；實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“開始記錄”“停止記錄”按鈕即可，使得實(shí)驗(yàn)過程過于簡化，忽略了實(shí)驗(yàn)的中間過程，學(xué)生根本不理解數(shù)據(jù)是怎樣采集出來的，并且削弱了學(xué)生的觀察能力、動(dòng)手操作能力、數(shù)據(jù)處理能力等；也不利于培養(yǎng)學(xué)生堅(jiān)忍不拔的科學(xué)態(tài)度與精神。并且對(duì)應(yīng)于部分實(shí)驗(yàn)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)無法替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。

通過以上詳細(xì)的對(duì)比分析，兩者各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，不能一概而論。數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)比較方便、科學(xué)性較強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)誤差小，但對(duì)于學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)、實(shí)驗(yàn)分析和觀察能力的培養(yǎng)不夠，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不夠精確，花費(fèi)時(shí)間太長，有時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較大，不易得出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論等等。因此，在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)該揚(yáng)長避短，融合數(shù)字化實(shí)驗(yàn)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以達(dá)到有效提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的目的。

2、基于傳感器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)實(shí)施原則

2.1、充分發(fā)揮基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的優(yōu)勢原則

相比與傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的高中物理實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)更能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造思維能力。物理教師應(yīng)當(dāng)重視結(jié)合教材，從學(xué)生實(shí)際出發(fā)，創(chuàng)新物理教學(xué)模式，從而使數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢得以充分發(fā)揮。例如在進(jìn)行法拉第電磁實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，由于這種實(shí)驗(yàn)的精確性和理論性都很強(qiáng)，但是傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可操控性比較低，所以就需要教師充分利用數(shù)字化系統(tǒng)這種集成度較高的實(shí)驗(yàn)設(shè)備來提升實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確性，并簡化實(shí)驗(yàn)流程，使學(xué)生能夠快速完成實(shí)驗(yàn)。

另外，教師還可以打破傳統(tǒng)課堂教學(xué)時(shí)間的局限性，利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的強(qiáng)大的操作功能，創(chuàng)設(shè)課外實(shí)驗(yàn)探究，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力及創(chuàng)新意識(shí)。這樣既達(dá)到了延續(xù)物理實(shí)驗(yàn)課堂的目標(biāo)，也真正提升了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的實(shí)驗(yàn)興趣。

2.2、教學(xué)過程體現(xiàn)學(xué)生主體性原則

新課程理念下的物理實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)，一定要突出學(xué)生的主體地位，以充分發(fā)展學(xué)生的各種能力為本，實(shí)驗(yàn)過程中，以學(xué)生自主探究為主、教師講解分析為輔，教師作為引導(dǎo)者，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)問題、提出假設(shè)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證假設(shè)、邏輯推理得出結(jié)論的科學(xué)探究的方法。同時(shí)無論是何種教學(xué)方式都應(yīng)從從學(xué)生的需求出發(fā)，教學(xué)過程中要注重學(xué)生的自主探究，給予學(xué)生自已設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，歸納并總結(jié)物理規(guī)律的機(jī)會(huì)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)也不例外。

2.3、多樣化探究式教學(xué)原則

探究式教學(xué)的涵義就是以學(xué)生為主體，基于提出的問題和學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)，在學(xué)生好奇心的驅(qū)使下以問題為主導(dǎo)，讓學(xué)生參與、體驗(yàn)、思考，然后針對(duì)問題尋求可能解釋的形式多樣的教學(xué)活動(dòng)。

然而每節(jié)課的時(shí)間是寶貴而有限的，若將將探究式教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)都經(jīng)歷一遍也不太現(xiàn)實(shí)的，更不利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的精神和能力，這也違背了新課程改革的初衷。因而在課堂教學(xué)中教師應(yīng)該根據(jù)物理學(xué)知識(shí)的特點(diǎn)和學(xué)生的實(shí)際情況恰當(dāng)選取探究的要素，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)來決定本節(jié)課著重進(jìn)行探究式教學(xué)的哪些要素，從而確定本節(jié)課的探究的目標(biāo)，針對(duì)這些目標(biāo)進(jìn)行“部分”探究。

2.4、教學(xué)設(shè)計(jì)最優(yōu)化原則

依據(jù)教學(xué)最優(yōu)化理論，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)課堂設(shè)計(jì)需要考慮三個(gè)方面的問題：①是要明確教學(xué)的重難點(diǎn)，明白如何利用實(shí)驗(yàn)攻克這些重難點(diǎn)。②是教師要考慮到實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于整節(jié)課的影響。③是要重視深入研究傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足之處，并思考如何利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)來彌補(bǔ)這些不足，從而達(dá)到提升數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的目標(biāo)。

教學(xué)的有效性是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化整合的關(guān)鍵和根本目的。關(guān)鍵還在于教學(xué)的最優(yōu)設(shè)計(jì)，使基于傳感器的數(shù)字化課堂教學(xué)更具有效性，以發(fā)揮最優(yōu)化的教學(xué)效果。盡管數(shù)字化器材有許多方便之處，但不要為了使用數(shù)字化而使用數(shù)字化器材，如果實(shí)驗(yàn)?zāi)芾脗鹘y(tǒng)的器材方便直觀的處理數(shù)據(jù)、顯示現(xiàn)象、得出結(jié)論，再去選用數(shù)字化器材就有畫蛇添足之感；因此，實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)器材的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)的能力要求、實(shí)驗(yàn)的主要目的去進(jìn)行選擇，實(shí)現(xiàn)教學(xué)設(shè)計(jì)最優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]于通超.高中物理電磁學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的整合研究.湖南：湖南師范大學(xué)，2016

[2]劉嬌.優(yōu)化高中物理數(shù)字化演示實(shí)驗(yàn)的研究.吉林：東北師范大學(xué)，2015

[3]殷帥.基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)優(yōu)化高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的分析與研究.山東：山東師范大學(xué)，2014

作者簡介：

孫天祥（1964.06-），男，漢，河南許昌，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：物理課堂教學(xué)與研究，工作單位：許昌市普通教育教學(xué)研究室，郵編：461000。

鄒鵬（1979.04-），男，漢，河南許昌，本科，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：物理教學(xué)理論與實(shí)踐，工作單位：許昌高級(jí)中學(xué)，郵編：461000。