數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用探析

【內(nèi)容摘要】隨著我國教育行業(yè)的日漸發(fā)展，高中新課程的改革與推進(jìn)，我國高中物理教學(xué)內(nèi)容不僅發(fā)生了改變，教學(xué)方法、學(xué)生的學(xué)習(xí)方式也有所改變。在高中物理教學(xué)過程中應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驈浹a(bǔ)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足，實(shí)現(xiàn)了新時(shí)代背景下物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的數(shù)字化、動(dòng)態(tài)化，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠充分捕捉和展現(xiàn)，這對于高中學(xué)生而言能夠更加直觀地了解實(shí)驗(yàn)的概念和規(guī)律，有利于提升高中學(xué)生的圖形認(rèn)知能力，也有利于完善高中物理實(shí)驗(yàn)的量化研究。筆者將結(jié)合實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)分析數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)中的作用并對其應(yīng)用做出探究。【關(guān)鍵詞】數(shù)字化實(shí)驗(yàn)高中物理教學(xué)物理作為我國高中教育階段中重要課程之一，物理實(shí)驗(yàn)作為高中物理教學(xué)的基礎(chǔ)，其教學(xué)方式、教學(xué)模式深受學(xué)生、家長、學(xué)校的關(guān)注。隨著我國科技技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)逐漸走進(jìn)高中物理教學(xué)課堂，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用幫助物理實(shí)驗(yàn)更具便捷性、精準(zhǔn)性、時(shí)效性，同時(shí)也讓學(xué)生更加直觀地了解到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對高中物理課堂教學(xué)有著很大的幫助。一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)概述(一)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)概念數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室(DIS)是由傳感器、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器以及相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件所構(gòu)成的集測量、采集、數(shù)據(jù)處理等組成的實(shí)驗(yàn)室。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室是現(xiàn)代化信息技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程相結(jié)合的新興產(chǎn)物。以計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和計(jì)算機(jī)信息處理軟件的建模和圖像分析技術(shù)為載體開展高中物理實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)是現(xiàn)代化高中物理教學(xué)課堂走向現(xiàn)代化，提升高中物理實(shí)驗(yàn)檔次實(shí)現(xiàn)高中物理教學(xué)與國際接軌的有效路徑。(二)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢1.實(shí)驗(yàn)過程“可視化”高中物理實(shí)驗(yàn)中空間上細(xì)微的變化讓人難以捕捉，所以為了捕捉細(xì)小的變化高中物理教師會(huì)在實(shí)驗(yàn)課堂上借助顯微鏡。但是顯微鏡無法在時(shí)間上進(jìn)行細(xì)節(jié)對數(shù)據(jù)進(jìn)行捕捉，所以針對碰撞過程實(shí)驗(yàn)或者放電電流實(shí)驗(yàn)，高中物理教師一般只能用多媒體軟件模擬演示或者定性講述。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用便能夠有效突破這個(gè)實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)，通過與計(jì)算機(jī)連接的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和記錄。自動(dòng)記錄替代了傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)者手、眼、紙和筆的記錄方式，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)記錄的連續(xù)性和實(shí)驗(yàn)瞬間變化的“可視化”。例如在失重教學(xué)實(shí)驗(yàn)中引入傳感器技術(shù)能夠在短時(shí)期內(nèi)清晰地記錄壓力隨時(shí)間變化而變化的圖像，便于實(shí)驗(yàn)后總結(jié)超重和失重現(xiàn)象的條件與特點(diǎn)，有利于實(shí)驗(yàn)后的歸納和總結(jié)。2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)“重點(diǎn)化”數(shù)字化實(shí)驗(yàn)由傳感器、數(shù)據(jù)采集器代替實(shí)驗(yàn)者的手和眼進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和記錄，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)、實(shí)時(shí)處理和實(shí)時(shí)分析的實(shí)驗(yàn)過程，幫助高中學(xué)生擺脫了煩瑣的計(jì)算過程，能夠?qū)?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化過程通過“待測物理量→時(shí)間”的圖像進(jìn)行直接顯現(xiàn)，能夠幫助實(shí)驗(yàn)者直觀地觀測出物理量之間的變化。傳統(tǒng)的高中物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綍?huì)因?yàn)槭止ぷ鲌D的不精準(zhǔn)而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的引入能夠有效規(guī)避這個(gè)問題，能夠讓學(xué)生將重點(diǎn)放在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)探究、實(shí)驗(yàn)分析上，從而幫助學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)更好地理解實(shí)驗(yàn)概念，掌握實(shí)驗(yàn)規(guī)律。3.數(shù)據(jù)采集“智能化”物理量變化進(jìn)行記錄并保存在數(shù)據(jù)文檔之中，并且由于數(shù)據(jù)采集器的及時(shí)記錄，可以附加一些器材，通過實(shí)驗(yàn)的回控幫助實(shí)驗(yàn)操作過程實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)化”;DIS實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)搜集迅速、數(shù)據(jù)傳輸迅速、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存迅速、數(shù)據(jù)顯示迅速等實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)變化過程與實(shí)驗(yàn)過程的同步，所以數(shù)字化實(shí)驗(yàn)具備“實(shí)時(shí)化”特點(diǎn)；數(shù)據(jù)采集器能夠接入四只相同傳感器或不同的傳感器，達(dá)到同時(shí)采集到多個(gè)相同或不同的物理量，達(dá)到數(shù)據(jù)的同步并行；DIS實(shí)驗(yàn)傳感器精準(zhǔn)度極高，所以在實(shí)驗(yàn)過程中所產(chǎn)生的誤差較小，數(shù)據(jù)的定量顯示使高中物理實(shí)驗(yàn)的結(jié)果更具備嚴(yán)謹(jǐn)性和可信性，有利于高中學(xué)生理解物理實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)。4.數(shù)據(jù)處理“智能化”每個(gè)實(shí)驗(yàn)的配置、傳感器的設(shè)置的模板儲(chǔ)存在硬盤中，并且將每次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中提供了實(shí)驗(yàn)回訪的功能，通過實(shí)驗(yàn)的回訪與重演，高中學(xué)生可以將實(shí)驗(yàn)過程隨時(shí)定格、隨意縮放實(shí)驗(yàn)圖線，達(dá)到隨時(shí)回憶和復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)過程的目的；“數(shù)據(jù)整合智能化”中由于數(shù)據(jù)的自動(dòng)整合使處理數(shù)據(jù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，學(xué)生需要通過數(shù)據(jù)的整合找到物理實(shí)驗(yàn)的概念和本質(zhì)；“創(chuàng)建報(bào)告智能化”是指數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中可以創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)報(bào)告文檔、數(shù)據(jù)處理分析文檔等，電子文檔的儲(chǔ)存也方便學(xué)生在后期的實(shí)驗(yàn)和回顧過程中多次修訂，便于學(xué)生之間的交流溝通。5.教學(xué)過程“現(xiàn)代化”系統(tǒng)相比，傳感器具備品種多樣、技術(shù)新穎、功能強(qiáng)大、發(fā)展迅速、性能可靠等優(yōu)勢，而傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)器材較為單一，以電流表、電壓表、彈簧秤、水銀溫度計(jì)為主體，DIS實(shí)驗(yàn)則由電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器和力傳感器等，高中物理教師利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備能夠帶領(lǐng)學(xué)生向傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)發(fā)起挑戰(zhàn)，利用數(shù)字化設(shè)備創(chuàng)設(shè)情境能夠有效促進(jìn)學(xué)生思維模式的發(fā)展；“教學(xué)方式現(xiàn)代化”是由于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一種現(xiàn)代化的學(xué)習(xí)認(rèn)知工具，是知識(shí)建構(gòu)的輔助工具，為了幫助學(xué)生適應(yīng)現(xiàn)代化信息社會(huì)，高中教學(xué)工作這應(yīng)該注重培養(yǎng)學(xué)生的信息收集能力、數(shù)據(jù)分析能力和數(shù)據(jù)處理能力，而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃裱瓕W(xué)生的真實(shí)實(shí)驗(yàn)感官，實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與物理學(xué)科的整合，能夠有效轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，提高學(xué)生的實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。二、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀(一)高中物理課堂使用率不高經(jīng)過筆者了解發(fā)現(xiàn)雖然部分高中學(xué)校已經(jīng)引進(jìn)了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，但是在高中物理實(shí)驗(yàn)過程中的使用頻次卻不高。究其根本是因?yàn)楦咧形锢斫處熈?xí)慣運(yùn)用傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式開展實(shí)驗(yàn)課程，并且由于部分高中物理教授的年紀(jì)較大對新時(shí)代背景下的新興科技技術(shù)操作不熟練，不愿去學(xué)習(xí)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)用和操作。即使在高中物理教學(xué)課堂中運(yùn)用了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，但是仍是由高中物理教師進(jìn)行操作，學(xué)生觀摩為主，很少有機(jī)會(huì)參與其中。除此之外，由于客觀條件的限制和高中物理教師對數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的認(rèn)知不足，限制了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂的使用。(二)教師未能正確認(rèn)識(shí)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)經(jīng)過筆者對周圍高中教師的調(diào)查了解發(fā)現(xiàn)普遍高中教師對數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)給予了高度評價(jià)，但是由于客觀因素的影響，高中物理實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)的使用率較低。例如在日常教學(xué)過程中，高中物理教師和學(xué)生深受應(yīng)試教育理念的影響，所以開展教學(xué)過程中為了加快教學(xué)進(jìn)度，使用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式將教學(xué)提綱中的實(shí)驗(yàn)做完。另外，由于部分高中學(xué)校的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備較為陳舊，所以使用率也不高，只在公開課等重要場合才會(huì)投放使用。經(jīng)過了解，發(fā)現(xiàn)部分教師認(rèn)為數(shù)字化系統(tǒng)能夠快速得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是不利于提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，對取得優(yōu)異的成績幫助不大，所以未能積極運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)?；诖?，得知導(dǎo)致數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用率不理想的原因是教師未能正確認(rèn)識(shí)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)且對數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有認(rèn)知偏差。三、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用探析(一)提高實(shí)驗(yàn)完成率以人教版高中物理《牛頓第一定律》為例，教師在教學(xué)過程中要明確“理解力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系”“理解牛頓第一定理，了解其邏輯推理結(jié)果，不受理的物體是不存在的”等教學(xué)目標(biāo)，利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置小車，使其處于靜止?fàn)顟B(tài)。由外力推動(dòng)車輛行駛，推動(dòng)則小車行動(dòng)，不推動(dòng)則小車靜止，由此得知力的作用在物體上物體才會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，若沒有力在物體上則物體不會(huì)運(yùn)動(dòng)。高中物理老師在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，許多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象瞬即逝的，很難讓實(shí)驗(yàn)者充分觀察，例如講解電流大小和方向時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是瞬息萬變的能夠造成學(xué)生對知識(shí)點(diǎn)理解的誤解，運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)后能夠?qū)⒊橄蟮膶?shí)驗(yàn)據(jù)。DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)用既充分展示了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，又幫助(二)提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有效性高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中要注重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，避免實(shí)驗(yàn)誤差的出現(xiàn)。避免實(shí)驗(yàn)高實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)手法的精準(zhǔn)性，二是找出更符合實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路。在數(shù)字化的測量精準(zhǔn)度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器，例如在進(jìn)行力的大小測量實(shí)驗(yàn)中，傳感器設(shè)備能夠精準(zhǔn)到10N,這在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器中是無法做到的。另外由于部分學(xué)校實(shí)驗(yàn)條件的不足導(dǎo)致教材中的部分實(shí)驗(yàn)無法進(jìn)行實(shí)機(jī)演示，在的知識(shí)點(diǎn)時(shí)，力與反作用力的實(shí)驗(yàn)在傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂中只能做定轉(zhuǎn)化為定量研究，提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性。以人教版高中一年級物理《超重和失重》一課學(xué)習(xí)時(shí)，合超重、失重現(xiàn)象，利用牛頓第二定律分析其原因，并利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)了解完全失重現(xiàn)象。在正式實(shí)理教師通過視頻引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行閱讀教材中航天員的乘船感受，在腦海中理解到超重與失重概念，(三)開闊實(shí)驗(yàn)范圍數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備擁有精準(zhǔn)性高、適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢，所以在高中物理實(shí)驗(yàn)課程中運(yùn)用數(shù)字化師將存在于教材中的是演變?yōu)榭梢暬?、可操作性的?shí)驗(yàn)過程，從而幫助學(xué)生拓寬實(shí)驗(yàn)范圍。例如概念的學(xué)習(xí)時(shí)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)受限于實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場地等，所以學(xué)生對這一知識(shí)點(diǎn)理解較為片面教師運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，首先學(xué)生在教師的引導(dǎo)下將物