数字化实验在物理教学中应用的实践与思考

数字化实验在物理教学中应用的实践与思考摘要：随着国家新一轮课程教材改革的推进，数字化实验室进入课堂，打造出信息技术与物理教学整合的新型教学模式。数字化实验以传感器和计算机为基础，结合传统的实验仪器，将实验数据采集之后用计算机进行分析处理，通过数据图表和图象展示现象、揭示规律。从2005年10月起我们将传感器引入高中物理教学，经过一年的探索，分别在力、热、电三方面选取典型课例进行了实践。本文试从教研员的角度，就引领老师们进行实践课例的探索，提出数字化实验室应用的方式、效果和值得注意的问题，以与同行切磋和研讨。关键词：传感器探究教学教师水平学生能力一、问题的提出随着全球信息化的飞速发展，加速推进了我国教育现代化的步伐，教育的信息化是教育现代化的重要特征之一。《基础教育课程改革纲要（试行）》指出：“大力推进信息技术在教学过程中的普遍应用，促进信息技术与学科课程的整合，逐步实现教学内容的呈现方式，学生的学习方式，教师的教学方式和师生互动方式的变革，充分发挥信息技术的优势，为学生的学习和发展提供丰富多彩的教育环境和有力的学习工具。”2004年11月在湖南召开的全国第六届物理青年教师教学大赛上，上海和深圳选手将数字化实验室引入比赛现场，让我第一次看到数字化实验的方式和效果，亲身感受了信息技术与物理教学整合的新型教学模式。关注、引领物理教学的前沿是教研员的责任，2005年3月起，在我区教研活动中用录象课、请传感器公司来人示范等方式广泛宣传数字化实验，进一步激发了老师们实验的热情。从2005年10月起引领老师们将传感器应用于高中物理教学的教改实验中。二、对数字化实验设备和结果的简介（如图1）1．传感器：数字化实验的核心部件。“感”将物理量转化成电信号；“传”将电信号传递到数据采集器装置和计算机平台。教学中常用的传感器包括力传感器、位移传感器、热传感器、电流电压传感器、光传感器、声传感器等等，图中是一个位移传感器。2．数据采集器：采集传感器感知的数据，并传给计算机，可以说是传感器与计算机连接的转换器。3．实验仪器：完成某一物理实验需要的仪器，如小车、导轨、灯泡、电源、开关、线圈、磁铁等。4．计算机及其内部处理由传感器传递的数据的软件。5．实验结果：实验中采集的数据用计算机进行分析处理，通过计算机显示器直接显示以数学方式展现的图表和图象，物理现象和规律通过数学的图象和图表呈现。由此可知，数字化实验是将传感器、计算机与传统的实验仪器结合，是传统实验方法的发展和数据处理的科学化，呈现的是真实的实验，数据处理上更严谨，规范。三、应用数字化实验典型课例分析1．在力学中选取课例是《摩擦力》。《摩擦力》是高中物理最重要的概念之一，新课程标准对本节的要求之一是通过实验认识滑动摩擦、静摩擦的规律，并能用动摩擦因数计算摩擦力。实验原理是让木块匀速运动，应用二力平衡的知识用拉力来反映摩擦力。传统教学中采用图2的装置，用弹簧秤水平拉一个放在水平长木板上的木块，学生通过观察木块从不动到运动的过程中弹簧秤示数的变化，来认识摩擦力。但由于仪器较粗糙，数据的变化不易看得很清楚，本实验大多情况下作为了一种模糊的定性研究。用传感器参与本实验，实验原理不变。但图2中的弹簧称换为力传感器效果也不好。于是我们想到用图3的装置，将力传感器固定，感知力的一端通过一段弹性不大的细绳与木块连接做本实验，这样木块始终与地保持相对静止。拉动木板，在刚加拉力时木块与木板有相对运动趋势，木块与木板间有静摩擦力，木板运动起来，木块与木板有滑动摩擦力，由于木块始终相对静止，因此各个时刻的拉力就反映了对应的摩擦力。实验数据传入计算机，木块抽动过程中拉力的变化以图4中的红线形式展示。这样木块由不动到运动中摩擦力的变化就通过拉力变化的图线清楚的呈现给学生。对图象做进一步分析看出图中的①表明木块还未受到拉力时完全静止的一个过程，木块受拉力为零，因此摩擦力为零。图中②体现木块与木板相对静止时在不动到要滑动的过程中静摩擦力随拉力的增大而增大，图中③是物体动与不动的分界点，此时的摩擦力是最大静摩擦力，图中④体现的是物体的运动过程，图中清楚显示滑动摩擦力小于最大静摩擦力，且在运动中保持一个定值。所以通过图4的完整图线很好的反映了学生认识摩擦力的第一个层次——感知摩擦力。第二层次是在此基础上继续研究正压力和接触面的粗糙程度对滑动摩擦力的影响。图5对应的是木块放在毛玻璃表面，图6是木块放在包装纸的表面。两图表格中的“平均”显示的是在毛玻璃表面分别施加三个压力和在包装纸表面分别施加同样的三个压力实验时滑动中对应的拉力大小，也就反映了各次滑动摩擦力的大小。测量木块重1.5N，在木块上依次加250g砝码，使正压力依次为1.5N，4N，6.5N。再将得到的数据用excel处理得到的如图7的图、表，这样处理本实验既分析出滑动摩擦力与正压力间的正比例关系，又知道这个比例系数由接触面的粗糙程度决定，更可以算出相应的动摩擦因数，且控制变量法也一目了然。由以上分析可以看出，传感器的介入提升了实验数据分析的层次。图象的展示进一步培养了学生的观察能力和分析能力，让教师无须语言的赘述，学生对摩擦力的认识通过理性的数学分析得出，使学生认知水平得到提升，将教学内容由过去的粗糙丰富为严谨、科学。本课作为我区传感器进课堂的公开课2006年11月间在全区展示。2．在电学中选取课例是《楞次定律》的习题课。《楞次定律》是电磁学的重点和难点。图8是现用高二必修加选修第211页A组第2题（该题和图同时是选修3-2第31页的第2题），题目是若条形磁铁下无闭合线圈，磁铁会振动较长的时间才停下来，若条形磁铁下有闭合线圈，磁铁振动会较快的停下来，要求解释此现象。我们将本题开发成实验，作为《楞次定律》一节中的一个理解楞次定律电流方向的判定和能量转化的实验出现。将图8按照图9组装，可以得出图10的图象。从图中清楚的显示出随时间的延长，线圈中感应电流在衰减，并对感应电流的方向有了明确的认识。图10还可以进一步应用到这一章的“涡流”一节，使学生对“电磁阻尼”的理解困难迎刃而解。本实验曾引起了学生的极大兴趣，学生们自己组装实验，并从实验开始就认真盯着大屏幕逐渐显示出的图象，当磁铁停止振动后都很认真的读着数据，热烈地讨论图象的物理意义，对楞次定律有了更进一步的理解。电流传感器在本节课的应用可以捕捉到瞬间感应电流的大小和方向。本节课参加2006年7月在深圳召开的第四届“全国中小学信息技术创新与实践活动”评比，获得一等奖。3．在热学中选取课例是《内能的改变热量》。图11展示的是用热传感器反映气体内能变化的实验。实验的主要器材是一根被改制的自行车内胎，即用紧箍和一段玻璃管与车胎组成密闭容器，将温度传感器伸入到玻璃管中，以便学生能够观察到传感器。图12是得到的数据图，当用手握住玻璃管部分，由于热量的传递，管内温度升高通过气体传给传感器，图线中①反映了这一过程，图线中②反映移开手后的降温过程，图中①、②共同反映了热传递改变内能的过程。而图中③部分是对车胎放气显出的温度变化，④是放气过程结束，温度向室温恢复。当用打气筒给车胎打气，图中⑤明显反映了对气体做功引起物体内能增大，温度升高。这样不易感知的温度变化通过图线带给学生深刻的感受。四、对数字化实验进入物理教学的思考1．转化教师观念，正确理解信息技术与物理学科整合的内涵。实验是物理学的基础，每一个物理概念和规律都是建立在相应的实验基础上。传统的物理实验教学中由于仪器的落后以及实验条件的限制，很多物理实验只能做定性分析，教师让学生观察实验现象，启发学生对现象进行推理、分析最后得出正确的结论。虽然推理是物理研究的重要方法之一，有利于培养学生的分析推理能力，但教学中大量使用不仅会让老师的动手能力下降，学生更看不到真实的实验，难以真正理解物理的学习实质。而数字化实验使教师认识到，教育的信息化不是简单的把课堂搬个家，而是通过信息技术手段，使教育资源配置更优化，教学过程更高效。信息技术不是作为辅助教师教学的演示工具，而是要实现信息技术与学科教学的“融合”，要培养学生学会把信息技术作为获取信息、探索问题、协作讨论、解决问题和构建知识的认知工具。2．巩固物理实验的地位，促进教师的实验能力和分析水平的提升，让教研落到实处。传感器只是一个传递信号的仪器，图像也只是一个图片，但教师要设计实验、引领学生认识图象，挖掘图象的含义，这就为教师发挥自己的能力提供了广阔的平台。同时数字化实验也为教研活动开辟了新的道路。在准备《摩擦力》一节时，我和参与教师都表现出极大的兴趣，一遍又一遍在不同的接触面上做实验，最后确定了接触面分别用毛玻璃和一种包装纸。会后引进传感器的学校高一年级教师都用这种方法讲授了这一节，完成了新课标的要求，也在学生中引起极大的兴趣，无形中提高了物理教学的实效性。用热传感器反映气体内能变化的实验仪器，最初是传感器公司提供给我们的。但当授课教师通过《内能的改变热量》一节展示出来的时候，教师们的惊奇和赞叹表露无疑。课后上交的评课记录上老师们都很深刻的写下了对数字化实验的认识，青年教师更写出了愿意多参加并参与到这样的活动中来提高自己实验和分析能力的愿望。3．深化探究教学，着眼于科学方法的教育，培养学生研究问题的科学习惯。新课程理念之一是“注重科学探究，提倡学习方式多样化”。从《摩擦力》一节分析可知，对物理概念的建立，物理规律的形成过程需要学生揣摩的实验，引入传感器会收到事半功倍的作用。同时引入传感器可以开发课本资源，变课本习题为实验，深入挖掘习题蕴涵的道理，可以改进原来做不出的实验。这样又为物理学科的研究性学习提供了内容。传感器的引入更强化了用数学分析物理问题的意识，让物理实验具有更高的真实性，让学生对科学方法有了亲身体验。物理学的发展离不开数学，学好高中物理更离不开数学。爱因斯坦说过，数学给予精密的自然科学以某种程度的可靠性，没有数学，那些学科是达不到那么高的可靠性的。图象的充分利用是强化数学在物理教学中的作用的一个重要体现。如上面所述，温度给人们的感觉一直是亲身体验的冷热程度，而应用传感器，使学生学习到另一种感知事物的方式，那就是真实的数据同样会令人有身临其境的体验。久而久之会让学生养成一种研究问题通过“现象——实验——数据”的科学习惯。4．唤起学生的问题意识，教会学生思维，大大提高科学探究过程的实效。探究式教学是以探索、研究物理规律为出发点，以实验活动为中心，以学生的可持续发展探究能力的培养为根本的一种教学方法。探究式教学强调“猜想—验证—归纳”的科学探究过程。普通实验的定性研究和引入传感器的定量研究相结合，教师通过对比，使学生做有知的猜测，可以鼓励学生积极参与，唤起学生对问题解决过程的认识，有助于开发学生的学习潜力，并教会他应对某一具体情况下可能需要的知识。实验证明，学生比教师接受数字化实验更快。《摩擦力》教学中学生对图5中物块从要动到运动之间不规则变化的曲线提出了疑问，在教师的引导下认识到这是由于板在拉动中细绳抖动造成的不稳定。5．突出教师的主导地位，尊重学生的个体差异，让每一位学生都体验不同程度的成功，并能在同伴互助中取得更大的进步。传感器引入物理教学，更利于教师主导地位的体现。教师只要教会学生处理数据的方法，再遇到类似问题，只要做到点拨和指导，让学生在研究和归纳的过程中感性地理解物理变化及其规律，这样学生最终不仅可以更深入地理解物理学的现象，而且可以学会物理学的一种精神，即独立思考、大胆假设和严谨探索实验的科学精神。一幅图摆在学生面前，不同程度的学生会有不同的理解，但只要看出相关的问题，教师就可以给予肯定，尽可能调动学生的积极性；在同学们对解决问题的讨论中切磋，懂得互助，学会合作。6．新仪器是时代进步的产物，推动教师脚踏实地的研究它，同时促进自己应对课堂的综合能力的再提高。现代技术的不断提高，给教师带了机遇和挑战，教师要在新课程中体现自身的价值就必须再学习，必须接受新仪器，新手段。学会对传统实验进行“再挖掘”，为开发其潜在的教育和教学功能作好充分的研究。新技术的使用不是花架子，它的使用丰富了传统的实验，在科学的基础上使实验有新的发展，并且