物理实验教学的数字化探索

“回顾近半个世纪的物理教育改革，最重要的成就是逐步确立了现代物理教学观。教学过程从强调论证知识的结论向获取知识的科学过程转化，从强调单纯积累知识向探求知识方向转变。重视科学过程和重视能力培养，构成了现代物理教育的基本原则”。而物理教学中，概念的形成、规律的发现、理论的建立，都有赖于实验，数字化实验在教学中的应用正在逐步的摸索之中。

一、数字化实验，是教学改革的产物也是一种方向

教材改革是国家新一轮课程改革的核心内容之一，长期以来，我们的教材存在一些特征：重知识、结果，轻学习过程；重演绎，轻归纳；重集中思维，轻发散训练。教材的轻重偏颇加上应试的导向，形成了以教师为主导、以知识传授为目的、形式单一的课堂教学模式，以大量的解题训练为基础的知识强化和巩固模式，以及以考试成绩为基准、以解题能力为考察对象的教育评价模式。国家新一轮课程教材改革的基点是教育理念的深度变革。尊重教育的“人本思想和科学规律”是课改教材编写的根本要求。进而，将“知识、技能、过程、方法、情感、态度、价值观”作为教材的三维目标写入《课程标准》，成为教材改革的方向，也使得实验成为了撬动传统教育模式的重要杠杆。实验，作为科学探索的基础，验证规律、强化理解，还能够模拟科学发现的过程、激发探究兴趣，培养科学精神，是实现三维目标的重要平台。对实验教学内容、方式和方法的变革，是物理学课程改革重要渠道。

相对于传统教材，课改教材中所设计的实验，从内容、方法到实验要求都有了大幅提升。例如：有针对性地突出了观察、建模、抽象、应用4个实验环节，大量使用表格、图线方式记录实验数据，展示科学规律；拓展了实验范围，要求师生在保证课堂实验的基础上积极开发日常生活中的小实验；提高了实验精度要求，促进定性实验向定量实验的过渡；将实验测量、实验验证、实验探究有机结合起来，强调过程分析；将实验设计、制作和组装、调试和操作、测量有机地结合起来，强调学生自主实验和自主探究。而课改教材的要求与传统实验装备之间存在一定的距离。例如：弹簧秤是中学物理实验中最常用的测力计。其本质是将力的测量转化成长度(弹簧伸长)的测量，因此对读数的要求苛刻――视线与刻度线相平，读数(含估读)过程也存在比较大的偶然误差。学生实验用弹簧秤量程一般为0～5N，最小分度值为0.1N。由于弹簧秤量程太小，学生在做实验时很容易超量程，从而损坏弹簧秤。弹簧秤只能测量拉力不能测压力，限制了测力计在教学上的应用。弹簧秤只能够测量静态力，像研究滑动摩擦力、最大静摩擦力、超重失重这类实验，用弹簧秤很难完成。弹簧秤的误差一般都大于10％，而且示值误差会随钩码质量的增大而增大。因此，弹簧秤只能完成定性或精度较低的定量实验。如果使用弹簧秤这种传统实验工具完成课改教材实验，很难达到教材的基本要求。可见，一种实验手段的落后，足以影响课改的大局。

二、传感器的应用推进了实验数字化的进程

实验传感器应运而生，它是一类电子器件的统称。其功能首先在于“感”，即可将距离、速度、力、热、声、光、电、磁乃至酸碱度、电导率、气体含量等多种变化量转换成电信号，以电信号的变化体现对外界变化量的感知；其次在于“传”，电信号可被放大、转换、传输、编码、读取，可以通过数码管显示，也当然能够被“无所不能”的计算机加以处理。微电子工业的发展和各行业自动化的需求，已使得传感器家族空前庞大，功能日益完善。研究发现：如果使用传感器替代弹簧秤来测量实验中的力，不仅可以得到高精度、高分辨率的静态力的数值，更能够通过计算机控制下的连续采集获得动态力的数值。以此为基础，就可以用计算机绘出反映力的变化过程的图线，弹簧秤造成的诸多限制都被克服。依此类推，各种实验数据都可以用“示波器”的形式表现出来。因此，随着课改的启动和新教材的推广，传统的实验室装备体系不得不进行改造和升级。而实验的数字化，则是改造和升级的方向之一。

“传感器+计算机”构成了数字化实验(DIs)的基本模式。

DIS实验具有：高精度、高密度、多模式、实时性的特征；不仅可做“点测量”，还能够支持连续测量；DIS实现了动态位移实时测量、受力状况实时测量、磁感应强度测量、声波测量、微小信号测量、多数据并行测量等，并显著提高了实验精度和质量，能够完成传统实验装置很难完成的实验，还可以设计出很多借助传统实验装置想做而做不好的实验。如：使用位移传感器测量自由落体的加速度，使用温度和压强传感器进行查理定律实验，使用力传感器测量单导线切割磁力线的感生电流，使用磁传感器测量单导线直线电流的磁场等。这种传统和现代的融合、渗透、支撑犹如为实验添上了双翼。

实验例一：使用力传感器描绘简谐振动图线

简谐振动图线的描绘历来是一个难题。传统实验方案之中，就有使用单摆加沙漏，在匀速拖动的纸带上撒沙子描图的“土”办法。DIs的位移传感器可作为绘制简谐振动图线(S-t图1)的有力工具(见《实验实例》)。但殊不知抛开位移传感器，力传感器同样具备描绘简谐振动图线(F-t图)的功自邑。原因很简单：任何简谐振动都是一个复杂的综合体，一般都包含着力、位移甚至角位移的周期变化。将其中的任何一个因素单抽出来，其“物理量一时间”关系图线都具备简谐振动的特征。

在这个实验中，只要将DIS力传感器如图1所示固定，在其测钩下方挂上弹簧和钩码，令钩码做简谐振动，就可以得到反映简谐振动过程的“F-t”图线，如图2所示。由于我们已经证明了在这个实验中弹簧受力与振子位移的同相性，所以“F-t”图线可以等效替代“S-t”图线。由此，学生领会到了科学研究的殊途同归，并学会了基于全面的分析选择适当的研究方法的技巧。

实验例二：用磁传感器测转速

说起转速测量，首先想到的工具是光电门等计时、计数装置。但基于DIS磁感强度传感器，可以设计出一个用磁传感器测转速的创新实验，原理简单、设计新颖，而且与很多汽车的转速表结构相符，令人大受启发。所获得的“磁感应强度一时间”图线清晰地展现了放磁铁的转盘逐渐减速的过程，如图3所示。

DIs传感器、计算机对实验数据的采集和处理进行了改进和优化，不仅对传统实验形成了很好的兼容，也为实验的研究和开发提供了技术支持。同时，相应开发的配套实验辅件也大大改善了实验的效果，提升了实验质量，例如向心力实验器，如图4所示。机械能守恒实验器，如图5所示。力的分解合成实验器，如图6所示。

实验例三：向心力研究

1.实验目的：研究向心力与质量、半径和角速度的关系

2.实验原理：F=m∞2r

3.实验过程与数据分析

(1)将光电门传感器和力传感器分别接入数据采集器，按实验装置图把两个传感器固定在向心力实

验器上，对力传感器调零。

(2)打开DIS通用软件“计算表格”窗口，点击“开始”，转动实验器的悬臂，记录F、t数据，如图7所示。

(3)点击“公式”，输入计算线速度和角速度的公式。

(4)点击“绘图”，选取x轴为“ω”，Y轴为“F2”，得到数据点在坐标系内的分布图，如图8所示。

(5)观察可见：数据点的分布具有明显抛物线(二次曲线)特征。点击“二次多项式”拟合，发现数据点与拟合线基本重合，验证了事先的猜想，说明F与ω之间系二次方关系，如图9所示。

(6)在数据表格中，输入计算角速度平方的公式，点击“绘图”，选取x轴为“角速度平方”，Y轴为“F2”，得到数据点在坐标系内的分布图，点击“线性拟合”，拟合曲线为过原点的直线，如图10所示，说明向心力与角速度平方成正比。

(7)改变砝码的转动半径，重复上述步骤，得到另一条实验曲线，如图11所示，用软件“显示坐标”功能，比较ω相同时两条曲线F的大小。

(8)重新设置砝码的转动半径为m，更换砝码的质量，获得两条实验曲线，如图12所示，软件“显示坐标”功能，比较ω相同时两条曲线F的大小。

(9)根据上述结果，总结F与ω，m之间的关系。除了完成上述实验要求外，通过自行输入相应的计算公式，向心加速度等拓展型实验也可以轻松完成。

三、数字化实验对课堂教学产生了深远的影响

1.数字化实验对学生学习的影响

(1)扩展了学生学习内容的深度和广度

传统实验内容的繁琐以及程序的机械一定程度上对学生的思维发展构成了障碍，限制了学生钻研的深度和广度，而DIS实验系统具有测量范围广、测量精度高的特点，为学生深入研究问题提供了可能。同时，由于数字化实验测量精确快速、操作简便灵活，使得学生摆脱了繁琐的计算过程，能够比较容易发现或者验证各种数量之间的数学关系，从而将更多的时间、精力用于研究和掌握物理学、化学、生物学的知识规律。尤其是利用数字化实验系统，很多实验可以由学生自行设计、选材、完成，从而培养了学生探究的意识和创新的能力。

(2)促进了学生学习方式的变革

学生由被动地进行知识接受和归纳变为主动地探究知识形成过程，符合学生思维发展的规律，数字化实验可以实时动态地采集实验信息，能全面而准确地把握实验进程，较小的误差，也使物理、化学、生物学规律的发现或者验证更具有严谨性和可信度。同时，数字化实验教学使教师能够用创造性地教带动学生创造性地学。学生利用数字化实验设备可以最大限度地向传统经验和权威挑战，利用数字化实验设备创设情景，让学生充满对周围事物关心的激情，促进学生创造性思维的发展。

(3)加速了学生“学力”的增长

数字化实验教学以学生为本，在培养学生的学力(学习动力、学习毅力、学习能力和学习创新力的总和)上发挥着重要的作用，有效地培养学生在数字处理过程中的计算、作图能力以及数形结合、归纳结论的能力；培养学生独立设计实验及合作学习的意识以及创新能力；培养了学生实际动手观察，大胆联想和合理猜测的能力(函数模拟功能)；也培养了学生正确选择、使用实验仪器和实验操作的能力。显然，数字化实验教学能够有机地把学习力的构成要件有机地整合起来，加速学生学力的增长。

2.数字化实验对教师教学的影响

(1)有效地整合了三维教学目标

新一轮课程改革就物理、化学和生物学科而言，都紧紧地联系着实验。在这场课程改革中，最基本的理念是提倡“以学生为本”，旨在培养全体学生终生发展的兴趣和能力，提高全体学生的科学素质。新课程标准理念改变了理科实验教学的目标、性质和模式，即从单纯为了学习知识，验证理论，学习操作技能，转变为以全面地培养学生科学素质为目标的课程，提出了“知识与技能，过程与方法，情感态度与价值观”相互统一的三维教学目标。并将“科学探究”作为改变学生学习方式的突破口，强调科学探究是重要的学习活动。数字化实验教学创设了一种学习环境和探究情景，有意识地让学生在实践活动中感知、感悟和体验，进而上升至智慧和理性认识，逐渐培养解决实际问题的思路、方法和能力。做到有目的地研究开发和利用各种资源设备，以满足学生探究性学习的需要，培养学生主动参与、乐于科学探究、勤于动手的习惯，从而培养学生的科学探究能力，实事求是的科学态度和敢于创新的探索精神。

(2)为教师的创造性教学提供了广泛的空间和内容

数字化实验教学系统能为教师拓展更为丰富的教学内容，提高了教学的灵活性；教师可以创造性的设计教学素材和教学方法，激起学生学习的热情和兴趣；教师还可以突破时空的限制，为学生在课外合作学习提供探究的平台；利用数字化实验系统教师可以更加规范和高效的进行课堂教学，严谨有序的开展学科实验，有利于培养学生严谨的科学素养，也为教师的专业化发展提供了重要技术支撑和真实有效的素材。同时，数字化实验室为学生开展课题研究和研究性学习提供平台和活动空间。