數字化實驗技術在物理實驗中的合理應用

郭柏巖

數字化實驗技術，以數字化設備為實驗數據采集處理的工具，有著傳統實驗手段無法比擬的優勢。數字化實驗技術也因其由傳感器、數據采集器和計算機組成，對實驗過程的直觀感知以及實驗原理理解的效果又不及傳統實驗。因此，數字化實驗技術在教學中應當合理運用。

一、數字化實驗技術的優點

1. 能捕捉細微、瞬間的時空變化過程。在物理學中，物理現象的時空變化關系，是建立物理模型、應用物理規律的基礎，而對有些細微、瞬間的變化過程是傳統物理手段無法做到的。比如，作用力與反作用力的關系、彈性碰撞的過程等，這些現象通過傳感器搜集信息，經計算機處理，就可以使學生一目了然。

2. 實驗者不必記錄處理數據，直接顯示實驗結果。數字化實驗是由傳感器和數據采集器代替人工記錄和采集數據，由計算機同步進行數據處理，直接作圖形成圖像，使實驗結果更加直觀，省略了人工計算處理數據的過程，簡便快捷。

3. 實現多角度采集記錄數據。數據采集器能同時接入多只相同或不同的傳感器，能同時采集多種相同或不同的物理量。比如在單擺實驗中，通常情況下很難同時采集回復力、加速度、位移和時間的關系，采用數字化實驗技術，就可以很方便地把這三者與時間關系數據同時采集并獲得直觀圖像。

4. 實驗結果精確。由于使用采集器采集數據和計算機處理數據，減簡化了人工測量、讀取數據過程。實驗中偶然誤差存在幾率大大減少，使得試驗數據更加精確。

5. 教學過程先進快捷。數字化實驗技術中的傳感器，技術新、性能可靠。傳統實驗測量器材主要有電流表、電壓表、米尺、游標卡尺、千分尺、彈簧秤等，現在則可用電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器、力傳感器等來測量物理量。

數字化實驗技術中數據采集器，在現代工業生產中得到了廣泛應用，技術成熟。如能在中學物理實驗中應用，會使學生提早接觸和初步掌握現代技術基礎，適應時代要求。教師利用數字化實驗設備可以充分利用數字化技術的優點，對中學物理實驗進行梳理，彌補利用傳統實驗技術的不足，達到最佳教學效果。

數字化實驗技術的應用，對調動學生學習興趣、轉變學生的學習方式、提高實踐能力、促進學生創造性思維的發展都是有益處的。

總之，和傳統工具做實驗相比，數字化實驗技術先進、性能可靠、操作簡單靈活、應用范圍廣泛，有些方面是傳統實驗技術無法比擬的。數字化技術在現代工業已經得到普遍應用，教學中應用這一技術，能使學生較早熟悉現代化測量工具，為后繼學習和工作培養興趣打好基礎。它符合時代發展需要，教學中應該大力推廣。

二、數字化實驗技術在教學中的合理應用

數字化實驗技術具有上述優點，在教學中必定會被廣泛應用。中學階段，以培養學生科學研究的素質是教學目標。數字化實驗技術也不能完全取代傳統實驗技術。

1. 數字化實驗技術主要依據傳感技術獲取數據，在視覺、觸覺、聽覺上的觸動不如傳統試驗方法獲取數據強烈。對產生物理數據的物理過程的理解、物理模型的建立等問題上作用減弱。例如，當用電流表測電流時候，通過觀察指針偏轉角度的大小，就能讓人在心理上直觀感覺到電流的大小。這對研究電流大小與相關問題關系的理解就有很大幫助，有利于激發研究靈感，有利于發現問題。所以，教學中方便直接測量、直接觀察的物理量和物理現象，盡量堅持用傳統手段。

2. 數字化實驗技術在數據處理上是電腦處理。為學生省去了繁瑣的數據整理過程，同時也使學生失去了對數據分析處理的鍛煉機會。所以，中學階段，在時間、空間允許的情況下，應留給學生自行處理實驗數據的機會，以利于培養學生勤奮嚴謹的科研態度。

3. 使用數字化實驗技術形成實驗結果快捷簡便。例如：對彈簧振子簡諧振動規律的研究中，很方便就可以得到回復力、位移、加速度關系圖像。這其中，是利用位移調零手段巧妙處理形成。學生對彈簧伸長量不是位移的疑點卻不能得到有效排除。所以，在使用數字化實驗技術時候，有時需用傳統手段做適當的鋪墊，二者有機結合會使教學效果更好。

總之，數字化實驗手段是科技發展的產物，為中學物理教學提供了有效幫助，教學中應用前景廣泛；傳統實驗手段是人們長期積累的寶貴財富，在某些方面也起到其他手段不可替代的作用。科學合理選擇實驗方法，把二者有效結合運用，才能在教學中收到最佳教學效果。