關(guān)于高中物理傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗融合的深思

莫君榮 陳大軍

（安徽省廬江中學，安徽合肥 231500）

引 言

數(shù)字化實驗是指以傳統(tǒng)實驗技術(shù)為基礎(chǔ)，通過數(shù)字化設(shè)備演示操作、采集和處理數(shù)據(jù)，通常由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機及相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件等構(gòu)成。當前，數(shù)字化實驗室日益普及，高中物理教師要認清傳統(tǒng)實驗和數(shù)字化實驗間的關(guān)系，通過融合創(chuàng)新實驗教學內(nèi)容與形式，利用真實操作和形象的數(shù)字圖形表達物理規(guī)律，提高學生的動手能力與思維水平[1]。

一、提高測量性能，減小誤差

在高中物理實驗教學中，實驗出現(xiàn)誤差是不可避免的，其按照原因可以分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差兩類。在傳統(tǒng)實驗中，測量儀器各個部分存在變形、間隙等風險，操作時測量力的變化或環(huán)境波動，以及人工讀取與記錄數(shù)據(jù)，均會影響實驗結(jié)果[2]。數(shù)字化實驗設(shè)備能夠自動采集數(shù)據(jù)，從而減小因讀數(shù)引起的誤差，甚至基本消除。高中物理教師要將傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗相融合，提高測量性能，減小誤差，帶給學生更為真實與準確的數(shù)據(jù)，幫助他們準確認識物理原理。

例如，在開展“牛頓第二定律”教學時，教師可以先帶領(lǐng)學生回顧牛頓第一定律的相關(guān)知識，并設(shè)疑：“為什么說‘船大難調(diào)頭’？”學生知道物體質(zhì)量越大，運動狀態(tài)越不容易改變，猜想到加速度同物體的質(zhì)量有關(guān)。此時，教師可以設(shè)疑：“物體運動時加速度與質(zhì)量、受力之間到底有怎樣的關(guān)系？”從而引出實驗主題。接著，教師演示牛頓第二定律的傳統(tǒng)實驗，啟發(fā)學生研究a、m、F三者的關(guān)系，結(jié)合控制變量法來探究。當測小車受到的力時，教師可以引入數(shù)字化實驗設(shè)備——力傳感器，使其代替勾碼，測出小車受到的拉力，提高測量性能和減小誤差，改進傳統(tǒng)實驗裝置。之后，教師指導(dǎo)學生借助力傳感器和其他器材設(shè)計和討論實驗，通過測量彈簧彈力讓砝碼產(chǎn)生的加速度動態(tài)過程總結(jié)牛頓第二定律的規(guī)律，帶領(lǐng)學生研究加速度同力、質(zhì)量的關(guān)系。

二、有效節(jié)省課堂時間

在高中物理課堂教學中，教師如果一味地運用傳統(tǒng)實驗，將會占用大量的課堂時間，特別是測量量化的數(shù)據(jù)時，有限的時間通常會成為制約教學規(guī)劃的因素[3]。因此，高中物理教師可以把傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗有機融合，以數(shù)字化實驗設(shè)備中的傳感器為載體，快速進入實驗階段，利用電腦CPU來計算、分析和處理實驗數(shù)據(jù)。

以“電池電動勢和內(nèi)阻的測量”教學為例，當用伏安法時，教師應(yīng)先選擇恰當實驗器材，結(jié)合電路圖正確連接實驗電路，閉合開關(guān)，接通電路，調(diào)節(jié)滑動變阻器滑片的位置，讀出電流I和電壓U的值，重復(fù)5 至6 次，要求學生列表記錄數(shù)據(jù)，使其利用U—I圖像法處理記錄的數(shù)據(jù)，指導(dǎo)他們求出電源的E與r。接著，教師連接數(shù)據(jù)采集器和計算機，把電壓、電流傳感器分別插入數(shù)據(jù)采集器的第一、第二通道，點擊“當前脫機”按鈕，讓系統(tǒng)由“當前脫機”狀態(tài)切換至“當前聯(lián)機”狀態(tài)，電壓、電流傳感器短接后一起校零。隨后，教師設(shè)置實驗屬性，條件是“單點采樣”，采集頻率是“20Hz”，時間為“60s”，結(jié)合教板上的電位器開始實驗，結(jié)束后自動生成一條擬合直線，省掉讀數(shù)、記錄和作圖的時間，快速獲得實驗結(jié)果。

三、優(yōu)化學生觀察效果

實驗的最終目的是為學生提供更全面和更多的觀察機會，使其有效感悟、分析和掌握物理理論知識。在高中物理課程教學中，教師可利用傳統(tǒng)實驗沖擊學生的觸覺、視覺和聽覺等感官，使其對探究內(nèi)容獲得初步感知，再借助數(shù)字化實驗設(shè)備的優(yōu)勢，從瞬間運動變化、時間尺度與空間尺度等方面改進實驗，增強實驗的直觀性和宏觀化，優(yōu)化學生的觀察效果。

例如，在實施“互感和自感”教學時，針對自感現(xiàn)象的觀察，教師可以先按照教材中給出的實驗方案來演示實驗，利用可拆變壓器設(shè)計電路做斷電自感實驗，要求學生認真觀察實驗現(xiàn)象。在這個實驗中，雖然學生可以看到兩個燈泡在亮暗度上發(fā)生變化，但是實驗現(xiàn)象不夠明顯，學生無法直接獲得電流方向。此時，教師可以使用數(shù)字化實驗系統(tǒng)演示自感實驗，把課本中的兩個實驗合并在一起完成，實驗電路圖如圖1所示。

圖1

在這個閉合與斷開開關(guān)的過程中，數(shù)字化實驗系統(tǒng)軟件得到兩條支路電流變化曲線，其使用的頻率是200Hz，即使電流很小無法讓小燈泡變亮時，學生也能通過電流傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行分析和討論，清晰地看到感應(yīng)電流的整個變化過程，觀察與歸納規(guī)律。

四、確保實驗內(nèi)容完整

在高中物理教學中，教師運用傳統(tǒng)實驗時，針對部分暫態(tài)變化與微小變化過程，很難直觀、完整地將其呈現(xiàn)出來，每次實驗僅僅得到一個“點”的數(shù)據(jù)。而數(shù)字化實驗?zāi)軌蛟谝幌盗锌焖賱討B(tài)化的實驗中呈現(xiàn)出多個“數(shù)據(jù)點”，且使其連成“一條線”，甚至是反復(fù)出現(xiàn)。對此，高中物理教師在課堂教學中，可以先用傳統(tǒng)實驗獲得一個“點”，再結(jié)合數(shù)字化實驗采集整個實驗過程的數(shù)據(jù)，以確保實驗內(nèi)容的完整，輔助學生形成真實、全面的認知。

例如，在教學“牛頓第三定律”中，教師可以先與學生一起比賽拍掌，看誰拍出的聲音最大，并隨機提問學生討論個人感受，很多學生會說兩只手都拍疼、變紅了。這時，教師可以引導(dǎo)其分析產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因，使其初步體會到兩只手之間存在作用力，且是相互成對地出現(xiàn)。接著，教師可設(shè)置問題：“作用力和反作用力的大小、方向有什么關(guān)系？”引導(dǎo)學生提出猜想：“大小相等、方向相反?！苯又?，教師要指導(dǎo)他們操作傳統(tǒng)實驗：讓兩個水平彈簧秤對拉，第一次靜止拉，第二次勻速直線運動狀態(tài)下拉，第三次加速直線運動狀態(tài)下拉，觀察兩個彈簧秤的讀數(shù)同時變化、讀數(shù)相等、拉力方向相反的現(xiàn)象，驗證猜想。之后，教師用力傳感器操作數(shù)字化實驗，通過多個力更為真實、精確、完整地呈現(xiàn)作用力和反作用力的關(guān)系，讓學生看到數(shù)據(jù)圖像上下完全對稱，使他們進一步驗證猜想。

五、做好定量實驗研究

高中物理教學中涉及的實驗以啟蒙性為主，大部分屬于定性的觀察類實驗，定量實驗的數(shù)量并不多，而且對精準度的要求不高。但是，物理知識具有典型的自然科學性與客觀性，自然規(guī)律的精確性離不開定量實驗的驗證和研究，這關(guān)系到學生科學素養(yǎng)的形成，以及完整知識體系的建立。高中物理教師可把傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗相融合，將定性的傳統(tǒng)實驗升級成定量研究，帶領(lǐng)學生體會物理學的研究方法，鍛煉與提高他們的學習能力。

例如，在進行“電容器的電容”教學時，當講到電容跟哪些因素有關(guān)時，教師可以先拿出一個平行板電容器，提出問題：“電容器的電容是一個與電量、電勢差無關(guān)的物理量，它的大小是由電容器本身的結(jié)構(gòu)所決定的，那么電容器的電容跟電容器結(jié)構(gòu)的哪些因素有關(guān)？”然后帶領(lǐng)學生參考書中實驗和錄像分析，通過控制變量法利用數(shù)字電容表操縱實驗，獲得實驗結(jié)果。

接著，教師使用數(shù)字化實驗系統(tǒng)操作，快速獲得實驗中電壓、電流隨時間而發(fā)生變化的圖像，指導(dǎo)學生通過對積分的運算來獲取電量的數(shù)值，由此驗證電容公式C＝Q/U的正確性，從而把定性實驗升級成定量實驗。當學生較為全面地認識了電容器的工作原理后，教師還可以通過對圖像細節(jié)進行分析，使其了解日常生活中電容器在延時、儲能等方面的運用。

六、各自發(fā)揮優(yōu)勢

教師要根據(jù)具體教學需求因“實”制宜，合理分配傳統(tǒng)實驗和數(shù)字化實驗的比例，發(fā)揮各自的優(yōu)勢與長處，推動教學任務(wù)的順利完成，提高學生的學習效率。這就要求高中物理教師科學地融合傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗，統(tǒng)籌安排實驗教學，達到優(yōu)勢互補、取長補短的效果，全力打造實效性課堂。

例如，在“氣體的等溫變化”教學中，教師可以先組織學生操作傳統(tǒng)實驗：一名男生和女生比賽吹氣球，男生的氣球塞進一只礦泉水瓶中，吹氣時反扣在瓶口上，女生正常吹，最終男生無法吹破，女生則輕松吹破。然后，教師可以借勢設(shè)疑：“瓶內(nèi)氣體壓強對把氣球吹大有無影響？說明什么？”引導(dǎo)學生研究一定質(zhì)量氣體在溫度不變時壓強與體積的定量關(guān)系。學生結(jié)合實驗討論發(fā)現(xiàn)，氣球與瓶子之間的氣體體積變小，壓強增大，反之體積變大，壓強減小。接著，教師布置探究任務(wù)：一定質(zhì)量氣體在溫度不變時壓強與體積的定量關(guān)系。教師要為每個小組分配一臺裝有DIS 系統(tǒng)的計算機、數(shù)據(jù)采集器、壓強傳感器與配套注射器，指導(dǎo)學生操作數(shù)字化實驗，由注射器的刻度讀出氣體體積，通過操作鼠標由計算機讀出氣體壓強，且自動生成p——V和p——1/V圖像，從而得出壓強與體積成反比關(guān)系的結(jié)論。

結(jié) 語

在高中物理教學活動中，教師既要認識到傳統(tǒng)實驗是長期的經(jīng)驗積累，又要積極融入數(shù)字化實驗，只有做到兩者的完美融合、各展所長，才能為學生帶來更為真實、直觀、精確、全面的實驗內(nèi)容，幫助他們學習好理論知識，優(yōu)化整體教學成效。