數字實驗開發要領

姚志城

(無錫市第一中學,江蘇無錫 214031)

數字實驗開發要領

姚志城

(無錫市第一中學,江蘇無錫 214031)

數字實驗利用傳感器獲取數據信息,通過計算機完成對實驗數據的分析和處理,實現信息技術與學科教學的整合,它的出現對于提高學生科學素養、促進學生的全面發展、培養其科學探究能力、形成科學態度與科學精神起到了積極的作用,數字實驗是物理教學改革的一個重要方向[1].

國內的數字實驗研究起步晚,實驗還不成體系,因此,開發數字實驗是當務之急.筆者利用朗威DIS實驗平臺做了大量的研究,開發了一系列數字實驗,編寫了DIS實驗探究的校本課程[2],在這里筆者就開發數字實驗的體會與各位讀者一起分享,不當之處還請指批評指正.

1 數字實驗案例體系是數字實驗推廣的保證

數字實驗的開發需要開發者能注重傳統實驗的研究,熟練操作數字實驗軟件,這樣才能將傳統實驗向數字實驗轉化.此外,開發者要有動手實驗的愛好和很強的耐心,筆者依據對知識要求的不同程度,將數字實驗的開發分為兩類:基于基礎知識的實驗開發和科學探究性實驗開發.

1.1 基于基礎知識的實驗開發

圖1

圖2

物理理論從實際中來,到實際中去,平時教學中出現的物理情景就是很好的實驗開發素材,它們有很好的理論支持,易于被察覺.因此,基于基礎知識的實驗開發并不太難,筆者根據“恢復系數”理論開發的“往復運動的位移與路程”實驗就是一例(圖1).

實驗器材:聲傳感器、小球、米尺.

實驗過程:將聲傳感器接入數據采集器,在圖線窗口添加“聲波sound-時間t”圖線,讓小球從距離桌面某一高度(28 cm)高處落下(圖1),聲傳感器記錄小球與桌面碰撞的聲波圖像(圖2),從圖像中找出每次小球與桌面碰撞的時刻,根據獲得的數據計算小球往復運動的位移和路程.

根據聲振動圖像得到數據如表1.從表1看出,小球每次與桌面碰撞后在空中運動的時間與碰撞前的運動時間比是一個固定值,約為α=0.80,則相鄰兩次碰撞中,小球上升的高度比為β=α2=0.64,小球總的路程為h總=h0+2βh0+2β2h0+…+2βnh0(n→∞) =1.28m,小球的位移為0.28 m.

表1

1.2 科學探究性實驗的開發

圖3

“科學探究性實驗”是針對開發者而言的,這類探究是為了發現新的現象和規律,為學生實驗指明方向.開發這類實驗的思維具有跳躍性,開發者可以不知道實驗的理論是什么,但需要有很強的邏輯思維能力和敏銳的洞察力.因此,開發者要注重課外知識的積累,多看趣味性實驗書籍,注重競賽知識的學習,并且能翻閱大學的教材,補充自己的知識.“鋸條振動的規律”實驗的開發就是筆者一次大膽的嘗試(圖3),當完美的實驗效果呈現在面前時,筆者覺得這種付出很“值”!

探究依據:鋸條具有很好的韌性,它在小幅度內振動時發生的是完全彈性形變,因此振動可能是一個簡單的函數表達式.

實驗器材:位移傳感器、鐵架臺、鋸條、直尺、橡皮筋、木塊2只.

實驗步驟:用木塊夾住鋸條固定在鐵架臺上,用橡皮筋將位移傳感器的發射裝置綁定在鋸條上(圖3);在圖線窗口添加“位移s-時間t”圖線,讓鋸條振動起來,觀察它的振動圖線,并用合適的函數進行擬合(圖4);

圖4

在表格中增加變量“L”、“T0”分別表示鋸條長度(鋸條的固定位置到橡皮筋處的長度)和鋸條的振動周期,探究振動周期與鋸條長度的關系(表2);以鋸條長度“L”為X軸,以振動周期“T0”為Y軸作圖,并用合適的函數進行擬合(圖5).

表2

圖5

從實驗圖像可知,鋸條做小幅度振動時是簡諧振動,它的周期與鋸條長度成正比.

2 數字實驗自制教具是數字實驗開發的有力補充

圖6

物理學是一門實驗科學,教學儀器是開展實驗教學的必要物質條件,雖然各個學校都不缺教具,但是在新的課程理念下自制教具仍是必要的:(1)生活中的物理問題多種多樣,不可能每個教具都能買到;(2)自制的教具最符合自己的要求,使用起來得心應手,正如李政道先生所說的“自制的教具,永遠比買的好”;(3)自制教具也是新課程的需要,新課程強調培養學生的科學探究能力,使他們逐步形成科學態度與科學精神.教師自制教具能為學生樹立榜樣,對于增強學生的創新意識和實踐能力有著不可低估的作用.

雖然數字實驗的附屬產品已經非常豐富,能夠替代多數傳統實驗,但是數字實驗有很多自身的特點,這就需要開發一批與這些功能相符的配套的教具.筆者為了講解向心力的相關知識自制了“向心力突變演示儀”(圖6),它體現了力傳感器和光電門傳感器的優越性.

實驗原理:物體做圓周運動,沿著徑向方向的合力提供了向心力,當物體的運動半徑突然發生改變,它的瞬時速度的大小不變,但向心力和加速度會突然發生改變.

圖7

實驗器材:力傳感器、光電門傳感器、鐵架臺、三角刀口、200 g圓柱形鉤碼、游標卡尺、刻度尺.

實驗步驟:按圖6安裝好儀器,調節光電門傳感器的高度,使鉤碼的中心位于光電門兩光孔的連線上,調節三角刀口到合適的位置,記下刀口到光電門的距離L,表示擺線碰到刀口后鉤碼的轉動半徑;將鉤碼拉離平衡位置,釋放鉤碼,在擺線觸碰刀口后,阻止鉤碼回擺,在圖線窗口中獲得一條“F-t”圖像,從圖像上找出拉力的突變值(圖7),記下光電門的讀數,用游標卡尺量出鉤碼的直徑D,根據向心力公式和牛頓定律算出實際需要的拉力,比較拉力的測量值與計算值是否相符.

測量變力的值和瞬時速度的大小是傳統實驗的弱點,但數字實驗則能輕易做到.該實驗說明了向心力與合力關系,從實驗效果來看,儀器誤差小于3%,是可以接受的.

3 結束語

數字實驗的推廣是教育發展的需要,它必然代替部分傳統實驗,成為物理教學的重要支柱.我們要盡我們的能力,挖掘它的功能,豐富它的內涵,為數字實驗注入生命力.在新的教學中,我們要借助數字實驗系統讓學生充分發揮自主學習的能動性,激發學生的創新靈感,帶領學生逐步進入數字化的實驗時代.

1 姚志城.數字實驗的困境與開發.物理教學,2010(9):23

2 倪亞清,姚志城.數字化物理實驗研究.南京:內蒙古人民出版社,2010.

2010-01-18)