數字化實驗系統在初中物理探究實驗中的應用

沈翔

南通市第一初級中學 江蘇南通 226004

隨著科技的進步與發展，越來越多的數字化技術手段被應用到物理教學中。這也促使初中物理教育模式發生變化。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》從戰略高度提出要創新教育教學方法，激發學生的好奇心，培養學生的興趣愛好，營造獨立思考、自由探索、勇于創新的良好環境。新的課程標準指出：重視將信息技術應用到物理實驗，計算機實時測量、處理實驗數據，分析實驗結果等。

為了適應科技的迅猛發展和新的人才培養需求，數字化實驗系統（Digital Information System，簡稱DIS）成為各地數字化校園建設重點項目，數字化信息系統實驗室也成為初中物理開展課內外探究實驗的首選對象。

1 數字化實驗系統簡介

數字化實驗系統是以計算機為平臺，各種傳感器將不同的物理量轉換成數字信號，數據采集器將傳感器采集到的各種電信號進行處理后通過USB等接口輸入計算機，再由應用軟件進行分析處理，并以多種形式實時顯示在計算機的屏幕上。

數字化實驗系統能夠直接將測得的物理量以數據表格、坐標圖像等形式呈現，具有可視性、直觀性的特點，配合手持分析儀使用還具有戶外拓展性。

2 初中數字化實驗系統探究實驗的設計原則

2.1 科學性原則

在活動設計中首先要遵循的就是科學性。數字化探究活動的實驗原理、實驗方法要科學。教師在設計實驗時要符合初中物理教學規律，遵循物理原理，使教育價值得以體現。

2.2 針對性原則

數字化實驗系統實驗設計應該圍繞實驗教學的目標，在改進傳統實驗時仍然要突出實驗的目的和意義。數字化實驗所要替代的只是探究活動中數據讀取和處理等環節，因此數字化實驗系統實驗要從學生的實際出發，針對教材中的重難點，不能因為要刻意使用數字化實驗設備而改變探究實驗活動的主旨。

2.3 適用性原則

數字化實驗系統實驗的設計要適用于初中物理實驗教學。數字化實驗系統配套的傳感器能滿足力學、熱學、光學、電磁學等物理量的測量。初中物理數字化實驗的設計應以定性分析為主，多采用圖像分析法。

數字化實驗系統實驗活動的設計還要符合初中生的認知規律。初中學生對物理圖像的認知理解存在局限性，避免復雜函數關系增加學生的認知難度。實驗設計還要避免使實驗復雜化，這樣才能提高學生的學習興趣。

3 數字化實驗系統在初中綜合實踐活動中的應用

3.1 探究聲音的特性

【活動目的】通過對自己及身邊物體的發聲的波形了解聲音的特性。

【實驗設計】選用聲波傳感器，將傳感器連接到數據采集器，并打開手持分析儀的相應實驗模板即可實驗。實驗時電腦分析軟件自動將聲波傳感器接收到的聲音信號的波形描繪在坐標系中，形成實時振動波形圖。

【探究過程】用不同響度的聲音對著傳感器說話，觀察聲波圖形的振幅的變化，停止說話，波形變成一條直線；探究聲音響度的影響因素。男女生分別對著傳感器說話，形成兩條振動波形，將兩條波形對比發現，女生音調高，聲波振動的頻率高；用不同樂器演奏同一音調，觀察不同的樂器，振動波形特點各不相同，理解影響音色的因素；利用聲波傳感器和手持分析儀測量一天中不同時間段教室內的聲音響度，開展噪聲產生原因和如何減少噪聲危害的課外綜合實踐活動。

【實驗優點】傳統聲學實驗是用鼓面細小物體的跳動高度來反映振幅，電動機齒輪的轉速來反映振動頻率的，而音色多數教材則直接給出圖形。數字傳感器的使用直接將這些振動特點可視化，既簡化了測量和記錄方法，又豐富了聲學實驗的方法，使探究活動變得更加易于操作，貼近學生生活，增加了學生的學習興趣。

3.2 探究影響水果電池電壓的因素

蘇科版物理九年級自制水果電池的探究活動安排在第十三章第四節，本節主要內容為介紹電壓知識和電壓表的使用。作為課后自主探究活動，自制水果電池的內容深受學生喜愛，但常見水果實際能產生的電壓較低，學生用電壓表的精度只能達到0.1 V，無法明顯準確地探究影響水果電池電壓的因素。

數字化電壓傳感器可以達到0.01/0.002 V的測量精度，在實驗設計中，不僅能夠較明顯地顯示出水果電池的電壓，增加實驗的趣味性，還可以動態演示電壓值的變化。在探究影響電壓的因素時，先在軟件中設定記錄電壓值和時間的坐標，再逐漸改變金屬片插入的深度，系統將會將整個變化過程的電壓值描繪出來，直觀地反映物理量之間的關系。

4 使用數字化實驗系統開展探究活動的幾點思考

數字化實驗系統精度高，搭建簡單，因此能夠完成一些傳統實驗較難完成的探究實驗。傳感器采集數據和軟件自動分析的過程能夠減少手工作圖和數據分析的麻煩，使探究實驗更簡單易行，更有趣味性。數字化實驗拓展了學生研究性學習的空間，能夠更好地培養學生的合作意識和創造能力。

在設計初中物理數字化探究活動時，要正確地認識數字化實驗和傳統實驗之間的關系，實驗的設計要能夠使學生更易于接受，使得數字化實驗更直觀。

總之，在物理探究活動中使用數字化實驗系統，能夠體現新課標對初中物理教學的要求，符合學生認知，體現自主探究特點的數字化實驗是學生學習和發展的有力工具。