淺談利用朗威數(shù)字化實驗系統(tǒng)對高中物理實驗的拓展

1、淺談利用朗威數(shù)字化實驗系統(tǒng)對高中物理實驗的拓展簡陽市陽安中學(xué)課題組 周浦良摘要 從實驗儀器、實驗原理、實驗?zāi)康娜齻€角度論述運用朗威數(shù)字化實驗系統(tǒng)對物理實驗進(jìn)行拓展，提出從多個角度對物理實驗進(jìn)行拓展研究是探索數(shù)字化實驗系統(tǒng)與物理課程整合的有效途徑之一。關(guān)鍵詞 數(shù)字信息化實驗系統(tǒng) 物理實驗 物理實驗拓展物理實驗教學(xué)是物理教學(xué)的主要內(nèi)容和手段，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)和提高學(xué)生分析物理問題能力的有效途徑。信息化、數(shù)字化是二十一世紀(jì)的重要標(biāo)志，是當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的大趨勢，以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)為核心的數(shù)字化信息技術(shù)已成為拓展人類思維的創(chuàng)造性工具。在基礎(chǔ)物理教學(xué)領(lǐng)域，數(shù)字化數(shù)字化信息技術(shù)與物理課程的整合

2、日益成為人們關(guān)注的焦點，并獲得了豐富的理論與實踐的成果。一、問題提出的背景1、數(shù)字化數(shù)字化信息技術(shù)與物理課程的整合的意義數(shù)字化數(shù)字化信息技術(shù)與課程整合的內(nèi)涵要求運用數(shù)字化信息技術(shù)作為工具，使課程內(nèi)容的呈現(xiàn)方式、學(xué)生的學(xué)習(xí)方式、教師的教學(xué)方式和師生的互動方式實現(xiàn)全新的變革，促進(jìn)教學(xué)過程中的各個要素和環(huán)節(jié)實現(xiàn)全面優(yōu)化。目前，數(shù)字化信息技術(shù)與物理課程整合的方式主要有三種：以傳感器的方式進(jìn)入物理教學(xué)的實驗領(lǐng)域；以仿真模擬的方式進(jìn)入物理教學(xué)的思維領(lǐng)域；以網(wǎng)絡(luò)通信的方式進(jìn)入物理教學(xué)的交流溝通領(lǐng)域。將數(shù)字化信息技術(shù)有效融合于物理教學(xué)過程來營造一種新型的教學(xué)環(huán)境，實現(xiàn)一種既能發(fā)揮教師主導(dǎo)作用又能充分體現(xiàn)學(xué)生主

3、體地位的以“自主、探究、合作”為特征的教與學(xué)的方式，從而把學(xué)生的主動性、積極性、創(chuàng)造性較充分地發(fā)揮出來，使學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)真正落到實處。2、數(shù)字化實驗系統(tǒng)與物理課程整合的優(yōu)勢數(shù)字化實驗系統(tǒng)是一種全新的軟硬件一體化的實驗系統(tǒng)，它具有多類型的傳感器、多通道的數(shù)據(jù)采集器、多樣化的自主操控平臺以及強(qiáng)大的函數(shù)圖像處理系統(tǒng)，實現(xiàn)了實驗手段數(shù)字化、測量呈現(xiàn)實時化、現(xiàn)象規(guī)律可視化、操作測量簡單化，在真實實驗的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了數(shù)字化信息技術(shù)與物理實驗教學(xué)的整合，在延續(xù)傳統(tǒng)的同時超越傳統(tǒng)。3、新課程對數(shù)字化實驗的要求我國新一輪中學(xué)理科課程改革對數(shù)字化信息技術(shù)尤其是基于傳感器的數(shù)字化實驗室與課程整合提出了

4、明確要求。2003 年新公布的普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)( 實驗 對數(shù)字化信息技術(shù)與物理課程整合提出: 數(shù)字化信息技術(shù)要進(jìn)入物理實驗室, 即重視將數(shù)字化信息技術(shù)應(yīng)用到物理實驗室, 加快中學(xué)物理實驗軟件的開發(fā)和應(yīng)用, 諸如通過計算機(jī)實時測量、處理實驗數(shù)據(jù), 分析實驗結(jié)果等。高中物理新教材中的一些演示實驗和“做一做”等欄目也出現(xiàn)了數(shù)字化實驗系統(tǒng)應(yīng)用的案例?；趥鞲衅骱陀嬎銠C(jī)技術(shù)的數(shù)字化實驗系統(tǒng)為實現(xiàn)學(xué)習(xí)方式的多樣化，引導(dǎo)學(xué)生的自主探索研究，進(jìn)行廣泛的體驗、合作和交流提供了時間和空間， DISLab 曾被喬際平教授譽(yù)為“科學(xué)分配教育時空的新探索”。二、利用數(shù)字化實驗系統(tǒng)對高中物理實驗的拓展數(shù)字化實驗系統(tǒng)提

5、供了一個新的實驗探究平臺，使學(xué)生能從數(shù)據(jù)讀取、記錄，公式運算和圖線描繪等繁瑣的簡單勞動中解脫出來，從而有足夠的時間對物理現(xiàn)象進(jìn)行多角度的感知和多視角的探究。同時，我們要認(rèn)識到數(shù)字化實驗系統(tǒng)與物理課程的有效整合需要先進(jìn)的教育思想，它的合理應(yīng)用本身就要求同時變革傳統(tǒng)教育觀念、教育思想與教育模式，代之以尊重人的主動性、首創(chuàng)性、反思性、合作性的全新的教育觀念、教育思想與教育模式。筆者認(rèn)為，數(shù)字化實驗系統(tǒng)的優(yōu)越性的充分發(fā)揮應(yīng)基于新的實驗教學(xué)理念，物理課堂是物理教學(xué)的主陣地，任何教學(xué)方式的改進(jìn)都應(yīng)該首先能夠服務(wù)于課堂教學(xué)。從多個角度對原有實驗進(jìn)行拓展研究，是一個重要的研究方向。1、實驗儀器的拓展實驗儀器是

6、物理實驗的物質(zhì)載體，實驗儀器的有無、數(shù)量的多少、性能的優(yōu)劣直接影響實驗效果，影響課堂教學(xué)質(zhì)量。數(shù)字化實驗系統(tǒng)將實驗數(shù)據(jù)數(shù)字化，在真實實驗的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了數(shù)字化信息技術(shù)與物理實驗教學(xué)的整合。盡管用傳感器代替了部分測量儀表，但并沒有脫離傳統(tǒng)的實驗裝置，而是借助其實驗優(yōu)勢填補(bǔ)了傳統(tǒng)實驗中諸如微小量測量、暫態(tài)量測量等多個測量空白，這預(yù)示著它具有很強(qiáng)的拓展性。數(shù)字化實驗系統(tǒng)與傳統(tǒng)儀器的整合傳統(tǒng)的物理實驗是學(xué)生獲取物理知識最直接的手段、最真實的經(jīng)驗和最好的感性材料，是培養(yǎng)學(xué)生基本實驗技能的途徑。數(shù)字化實驗在延續(xù)傳統(tǒng)的同時超越傳統(tǒng)，是傳統(tǒng)實驗的拓展和延伸。數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗的整合應(yīng)能夠服務(wù)于學(xué)科教學(xué)，適應(yīng)學(xué)

7、生的認(rèn)知水平，以發(fā)揮最優(yōu)化的教學(xué)效果。教學(xué)活動中，我們可以使傳統(tǒng)實驗儀器與DIS 實驗系統(tǒng)相互配合，發(fā)揮各自優(yōu)勢。例如在“自感現(xiàn)象”的教學(xué)中，幾十年來都在使用一種成品教板，由實驗電路圖1和圖2分別演示通電自感和斷電自感。用燈泡演示自感現(xiàn)象不能確切反映電流和電壓變化的過程，電流較小時燈泡不能發(fā)光。燈泡無極性，不能顯示電流的方向。另外，實驗器材規(guī)格匹配性不好，實驗現(xiàn)象的可見度低等缺點也會使實驗效果不理想。數(shù)字化實驗系統(tǒng)用傳感器采集電流、電壓，能實時保持實驗數(shù)據(jù)并顯示穩(wěn)定的圖像，有效克服了上述缺憾。筆者根據(jù)圖3所示的電路，用兩個電壓傳感器分別測量兩個支路的電壓，獲得了圖4所示的圖像，圖像清晰顯示了通

8、電自感和斷電自感過程中兩支路電壓的變化。我們還可以在支路中接入電流傳感器，分析電流的變化情況。這樣，我們在教學(xué)活動中可以先通過傳統(tǒng)實驗儀器引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象，獲得感性認(rèn)識，激發(fā)探究欲望，然后借助數(shù)字化實驗系統(tǒng)深入探究自感現(xiàn)象的特點和規(guī)律。 另外，我們可以將傳感器與傳統(tǒng)實驗裝置進(jìn)行組合，借助原有實驗裝置的結(jié)構(gòu)原理，發(fā)揮數(shù)字化實驗的優(yōu)勢。例如在探究彈簧振子的運動規(guī)律時，可引導(dǎo)學(xué)生對彈簧振子的物理模型進(jìn)行拓展，分析水平方向單彈簧振子、水平方向雙彈簧振子及豎直方向的彈簧振子等。研究水平方向彈簧振子的運動可用氣墊導(dǎo)軌（或軌道小車），將氣墊導(dǎo)軌的滑塊（或小車）上固定位移傳感器的發(fā)射器作為振子，振動過程中軌道

9、小車的阻尼振動較氣墊導(dǎo)軌的滑塊更加明顯。研究豎直方向彈簧振子的運動時，可直接將位移傳感器的發(fā)射器作為振子。這樣的實驗數(shù)據(jù)依然來自傳統(tǒng)的實驗裝置，只是數(shù)據(jù)采集和分析處理的手段借助數(shù)字化實驗系統(tǒng)得到顯著改觀。數(shù)字化實驗系統(tǒng)與“非常規(guī)”物理實驗的整合“ 非常規(guī)” 物理實驗, 是指選擇利用環(huán)境中“非專門化”的物質(zhì)手段, 不按固定方法或形式, 人為控制條件、有目的實施的觀察與探索物理規(guī)律的實驗教學(xué)活動。在資源利用上, “ 非常規(guī)”物理實驗是直接利用環(huán)境中“ 本來用途不是用來開展實驗” 的物質(zhì)資源, 包括生活易得物品、材料、器具、人體自身、交通工具、建筑設(shè)施、娛樂器材等, 同時包括利用研發(fā)自制的實驗器具。

10、采用“ 非常規(guī)” 物理實驗開展教學(xué)活動能夠采取靈活、簡便的方法與形式, 使實驗過程體現(xiàn)自創(chuàng)性、體驗性、趣味性、簡易性與生活化。圖1 通電自感電路圖圖2 斷電自感電路圖圖3 實驗電路 圖4 V -t 圖像筆者在教學(xué)實踐中嘗試開發(fā)“非常規(guī)”物理實驗的教育教學(xué)功能，取得很好的效果。 例如，筆者利用DISLab 對北京師范大學(xué)侯丹、李春密老師探究影響彈性片振蕩周期的因素的實驗進(jìn)行改進(jìn)。侯丹、李春密老師采用圖5所示的裝置分析彈性片長度和質(zhì)量對振動周期的影響。通過實踐研究發(fā)現(xiàn)，其實驗裝置尚有不足之處：其一，將鋼尺插在紙盒的縫隙中，還需要將紙盒通過某種方式固定牢固；其二，鋼尺只是插在紙盒的縫隙中，在振蕩時難

11、以保證鋼尺伸出的長度不變，并且多次使用后紙盒縫隙處難免不被撕裂；其三，在鋼尺上固定毛筆以及通過插橡皮塊改變質(zhì)量等方面操作很不方便。筆者就地取材，使用實驗室中的臺虎鉗固定彈性片，通過在鋼尺上吸附磁鐵塊來改變質(zhì)量，器材組裝如圖6。 另外筆者認(rèn)為，自制教具價格低廉，易于普及；簡單明了，易于揭示物理規(guī)律的本質(zhì)特征；而且易于使學(xué)生感到親切，其中含有許多富有創(chuàng)造性的因素，因此因校制宜地發(fā)動任課教師創(chuàng)造教具，具有十分現(xiàn)實的意義。筆者用飲料瓶、輸液管、泡沫盒等自制一套實驗裝置，配合DISLab 力傳感器（見圖7）借助其動態(tài)波形數(shù)據(jù)采集、求平均值、鼠標(biāo)顯示坐標(biāo)值等功能對教材中分子間作用力實驗（見圖8）進(jìn)行改進(jìn)，

12、利用力傳感器高靈敏度等優(yōu)點實現(xiàn)實驗儀器微型化，直觀顯示出分子間作用力的存在, 并且更換玻璃板、有機(jī)玻璃板、鋁板，采集到同樣的波形（見圖9），進(jìn)一步證明了分子間作用力的普遍性。 數(shù)字化實驗系統(tǒng)與虛擬儀器的整合隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，許多虛擬儀器的產(chǎn)生為物理實驗教學(xué)注入了新的活力。利用虛擬儀器做實驗，可以自行設(shè)置各種參數(shù)，以控制其達(dá)到理想的效果。云南師范大學(xué)的劉艷春、李渝翔使用虛擬示波器軟件與DISLab有效整合進(jìn)行聲波干涉實驗有效克服傳統(tǒng)實驗的缺點，取得很好的效果。虛擬儀器的應(yīng)用突破了現(xiàn)有實驗條件的限制，排除了各種干擾因素對實驗的影響，它與數(shù)字化實驗系統(tǒng)的整合值得深入研究。2、對實驗原理的拓展實驗

13、原理，體現(xiàn)著物理思維，因此對實驗原理的拓展，有利于訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。對實驗原理進(jìn)行拓展，應(yīng)該廣泛考慮學(xué)科內(nèi)外各部分知識之間的聯(lián)系，綜合運用各種實驗思想和實驗手段以達(dá)到最優(yōu)化的實驗效果。在上述探究影響彈性片振蕩周期的因素的實驗中，侯丹、李春密老師采用圖5所示的裝置獲得圖10所示的振動圖像，這種采用較為傳統(tǒng)的留跡法獲得彈性片振動周期的方法存在一圖5 制作圖 圖8 教材中的實驗 圖7 儀器組裝圖 圖9 實驗波形圖6 儀器組裝圖定的局限性。筆者使用磁傳感器和微電流傳感器，將彈性片的振動轉(zhuǎn)化為磁感應(yīng)強(qiáng)度和感應(yīng)電流的周期性變化，通過易測量量獲得難測量量，有效突破了操作難點。圖11和圖12分別是磁感應(yīng)

14、強(qiáng)度和感應(yīng)電流周期性變化的圖像，它們都可以反映彈性片的周期性振動。該實驗采用電磁學(xué)的知識和測量手段來研究振動問題為物理實驗的改進(jìn)研究提供了很好的思路。 此外，筆者從開發(fā)組合實驗，拓展學(xué)生思維的理念出發(fā)開發(fā)出“探究彈簧振子的振動圖像”、“探究聲波的振動圖像”、“探究轉(zhuǎn)速的測量”等系列實驗，使用不同的傳感器對同一物理現(xiàn)象進(jìn)行探究，學(xué)生在探究過程中不斷深化對學(xué)科知識之間的聯(lián)系，體驗物理學(xué)思維方法的無窮魅力。以“探究彈簧振子的振動圖像”為例，筆者除采用位移傳感器外，還采用了磁傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、力傳感器、微電流傳感器等配合相應(yīng)的實驗裝置獲得了不同的振動圖像，見圖13。這種多側(cè)面、多角度地研

15、究同一物理現(xiàn)象，使學(xué)生體會到科學(xué)研究領(lǐng)域的“殊途同歸”。 3、對實驗?zāi)康牡耐卣箓鹘y(tǒng)的物理實驗多是驗證性實驗，學(xué)生對教材中的實驗往往采取簡單的“拿來主義”，機(jī)械地按照實驗要求進(jìn)行操作，無法深入鍛煉學(xué)生的探究能力。因此，在完成常規(guī)實驗內(nèi)容的前提下，教師可以根據(jù)學(xué)生的知識水平對實驗?zāi)康倪M(jìn)行拓展，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步探究，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如，在探究通電螺線管內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度的實驗中，學(xué)生很容易想到用磁傳感器直接探測通電螺線管內(nèi)部磁場，如圖14所示，我們可以得到磁場強(qiáng)度的變化圖像。在此基礎(chǔ)上我們可以提出，能否直接獲得磁感應(yīng)強(qiáng)度與探測深度的關(guān)系圖像呢？學(xué)生受到啟發(fā)，想到將磁傳感器與位移傳感器組合的方法，如圖

16、15所示。那如何分析通電螺線管內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流的關(guān)系呢？學(xué)生很快想到用磁傳感器與電流傳感器組合。隨著對實驗?zāi)康牡闹鸩酵卣?，學(xué)生對物理現(xiàn)象的認(rèn)識逐步加深，探究物理現(xiàn)象的興趣逐步提高。在此基礎(chǔ)上還可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考：什么是勻強(qiáng)磁場？獲得勻強(qiáng)磁場需要螺線管具備怎樣的特征？學(xué)生提出假設(shè)，不斷改進(jìn)實驗裝置來加以驗證，使學(xué)生在獲取知識的過程中體驗物理學(xué)的魅力。 圖10 圖11 圖12 圖15圖13 從左到右依次為使用磁、電流、電壓、微電流、力傳感器獲得的彈簧振子振動圖像再如，在“電容器和電容”的教學(xué)活動中，傳統(tǒng)的實驗是利用平行板電容器與驗電器組合，采用控制變量法來定性地分析電容的影響因素。該實驗對

17、實驗儀器和實驗環(huán)境的要求很高，很難獲得理想的實驗效果，無法顯示電容器充放電過程中電流、電壓的變化，無法研究電量與電壓之間的定量關(guān)系。運用數(shù)字化實驗系統(tǒng)可以快速獲得電流、電壓隨時間變化的關(guān)系圖像，通過積分運算獲得電量的數(shù)值，進(jìn)而驗證電容公式U Q C / 的正確性。這樣將定性實驗上升為定量實驗。在學(xué)生對電容器的工作原理有了較全面的認(rèn)識之后，我們還可以通過分析圖像的細(xì)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識日常生活中電容器在儲能、延時等方面的應(yīng)用。數(shù)字化實驗系統(tǒng)作為一種實驗工具可以從多個角度加以拓展，結(jié)合具體實驗引導(dǎo)學(xué)生多角度、全方位地認(rèn)識物理規(guī)律不僅有助于學(xué)生掌握實驗儀器的使用規(guī)律和物理學(xué)的研究方法，還能夠促使其推而廣之

18、，將上述思想方法應(yīng)用于其它學(xué)科的學(xué)習(xí)以及日常的生產(chǎn)、生活之中。三、結(jié)束語在教學(xué)活動中，為了實現(xiàn)預(yù)期目的，教學(xué)主體總是要采用一定的手段作用于對象。教學(xué)手段是教學(xué)活動不可缺少的組成部分。數(shù)字化實驗技術(shù)為物理教學(xué)提供了先進(jìn)的實驗手段，但它并不代表先進(jìn)的教學(xué)思想。先進(jìn)的教育技術(shù)手段與先進(jìn)的教學(xué)思想有機(jī)融合才能實現(xiàn)技術(shù)與課程的充分整合。因此，教師在教學(xué)活動中不能單純的注重教學(xué)手段的先進(jìn)，更要重視教學(xué)思想的轉(zhuǎn)變，重視教學(xué)過程和學(xué)生學(xué)習(xí)過程的研究?；跀?shù)字化實驗系統(tǒng)的物理實驗的拓展體現(xiàn)著先進(jìn)的教學(xué)思想，這有待于更多的一線教師從更廣泛的角度去研究。參考文獻(xiàn)1、閻金鐸，郭玉英. 中學(xué)物理新課程教學(xué)概論M.北京：北京師范大學(xué)出版社，2008：23.2、何克抗. 數(shù)字化信息技術(shù)與課程深層次整合的理論與方法J.中國信息界，2006，2：48.3、中華人民共和國教育部. 普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）M.北京：人民教育出版社，2003：64.4、馮容士. 工具的變遷，課改的