高中物理實驗中數字信息化實驗系統的應用

◆裴應紅 馮振軍

高中物理實驗中數字信息化實驗系統的應用

◆裴應紅 馮振軍

立足于數字信息化實驗系統在高中物理實驗中的應用情況，分析研究現實存在的不足，從而提出相應的應用方案。

數字信息化實驗系統；高中物理；實驗

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.01.141

1 前言

目前在高中物理教學中，無論是對數據的處理，還是在實驗設計、實施方面，都采用大量數字信息化手段。高中物理是一門專業性較強的學科，因此對數字信息化有著較高的要求。

2 數字信息化實驗系統在高中物理實驗教學中的應用分析

教師的實際應用分析教師使用數字信息化實驗系統做物理實驗的情況大致可以分為不太熟練、較熟練、很熟練三類。其中，一些重點學校的教師的熟練情況明顯高于發展較為緩慢的學校。此外，實驗的難易程度也給教師的使用帶來較為明顯的影響。如對于一些難度較大的實驗，不僅要求教師對實驗內容和要求很熟悉，而且要能把傳統的器材和數字信息化實驗系統進行結合才能順利進行實驗。如教師在進行傳送帶上的物體受力情況實驗時，就不能完全按照課本的步驟實施，還應考慮現實因素帶來的影響，如物體是否受到摩擦力？它受到的摩擦力的大小和方向又是怎么樣的？是靜摩擦力還是滑動摩擦力？等等。這就要求在實驗過程中，教師不但要分析物體落地的初速度大小和方向，還要分析物體相對于傳送帶的初速度的大小和方向，并需要時刻關注和調整傳感器和相應的實驗曲線圖與數據變化。這種類型的實驗對教師的動手能力、思維能力、教育教學能力等有著很多要求，這也是許多教師感到使用數字信息化實驗系統做物理實驗不熟練的主要原因[1]。

數據準確性分析數字信息化實驗系統主要由數據采集器、傳感器、教材專用軟件和教材通用軟件等構成。實驗原理是物理實驗的基礎，物理實驗對實驗的過程要求很高，其中最重要的就是準確性。要保證實驗原理的正確，必須要做到實驗真實、原理無誤。在傳統的高中物理實驗中，由于實驗方法、實驗儀器和實驗條件的限制，使得物理實驗在進行之后的結果的顯示和預期的結果總會存在明顯差異，而物理教學本身，往往是需要學生通過實驗現象的原理來對物理問題進行實際分析，如果實驗誤差過大，則是一次失敗的實驗，更是一次失敗的教學。而數字信息化實驗系統的傳感器精度遠遠高于傳統的實驗儀器，比如其中的溫度傳感器精度可以達到+/-0.3 ℃，并且能適應較大的溫差變化。在使用力傳感器進行物理實驗時可以精確到小數點后兩位，而普通的彈簧測力計只能精確到小數點后一位，而且還有可能受到外界的影響，造成實驗誤差[2]。

實驗便捷性分析數字信息化實驗系統對數據進行的是實時采集，所以實驗結果可以很快就呈現在學生眼前。在利用數字信息化實驗系統進行實驗時，操作簡單。如在進行牛頓第三定律的實驗時，只需要接入力傳感器就可以進行實驗，力傳感器外觀設計的手柄構造可以與鐵架臺、力矩盤等教學用具緊密配合使用，可以同時測量壓力和拉力。而且在實驗進行的同時，“組合圖像”窗口中還可以繪制出基于來自傳感器的數據圖線。此外，為了滿足復雜實驗中對多個物理量的要求，通用軟件可以并行顯示各個傳感器的工作狀態，并且記錄和處理各傳感器采集到的實驗數據。

課堂高效性分析課堂教學效率是由學生和教師共同決定的，將數字信息化實驗系統應用到物理教學中，可以激發學生的學習興趣和探索潛力，從而大幅度提高課堂效率、另外，教師在實驗過程中不必擔心數據的誤差，因為數字信息化實驗系統采集的數據是絕對真實的數據，大大減少了記錄和處理數據所耗費的時間。根據對學生的調查結果顯示，63%的學生愿意使用數字信息化實驗系統做物理實驗，30%的學生非常愿意使用數字信息化實驗系統做物理實驗。這些調查數據都說明學生愿意并且喜歡新型的技術手段，而且在改善教學環境的同時也增強了學生的學習興趣。學生通過自己動手實驗，還可以鍛煉多方面的能力，如動手能力、數據分析能力、觀察能力、圖像識別能力、邏輯思維能力、合作能力等。在物理實驗過程中，學生得到鍛煉最多的是數據分析能力和動手能力，合作能力也有顯著提高[3]。

傳統實驗的優勢與劣勢分析傳統物理實驗中應用的主要實驗器材有秒表、米尺、天平、彈簧秤、打點計時器、電壓表、電流表、溫度計等，還受到教學理念、教學方法、課堂和教材的限制。在實驗過程中需要嚴格按照實驗步驟進行操作，傳統物理實驗注重的是學生的動手能力操作，但是限制了學生的主動性和創造性。在實驗結束之后，學生要根據實驗結果和過程，用人工的方式記錄相關實驗數據，并且要根據數據和實驗原理繪制相應的圖像，容易因為讀數誤差和儀器的精確誤差而對實驗造成影響。

但是傳統實驗的一個明顯優勢就是實驗設備具有耐用性，而且簡單直觀，可以很快掌握使用方法。也正是由于傳統實驗步驟繁瑣的原因，要求學生在實驗前必須明確了解實驗的原理、步驟，理清實驗思路，有助于學生對實驗過程形成深刻印象，充分理解實驗應用的物理規律和概念。同時可以培養學生良好的科學品質，因為在實驗結束之后，學生要進行多次觀察和重復測量，將每次得到的數據進行統計、計算，有利于學生掌握科學的實驗方法和求真的品質[4]。

數字信息化實驗系統的優勢與劣勢分析數字信息化實驗系統的實驗器材主要是傳感器、數據采集器、計算機、傳感器連線、計算機通信線、電源線、轉接器等其他附件，由于其在物理實驗中應用新的教學理念及教學方法而擴大了物理實驗的內涵，縮短了實驗時間，將更多的時間留給學生分析討論。加上在實驗過程中主要是將實驗器材與計算機相連，然后由計算機對實驗數據進行處理，自動合成實驗圖像，基本可以避免實驗誤差。

數字信息化實驗可以快速采集數據，而且精度較高，容易操作；將數據采集記錄之后，系統可以自主對數據進行處理儲存。數字信息化實驗另一個明顯的優勢是它可以對一些傳統儀器無法測量的物理量（如地磁場、光強等）進行測量。而且這種新的實驗手段具有很強的拓展性，可以使學生擁有自己設計實驗的條件。但是數字信息化實驗系統主要依賴于先進的科學技術，一旦設備出現問題，則數據連基本的正常讀取都無法完成[5]。

3 結語

數字信息化實驗是新課程改革下的新的產物，尤其是在高中物理教學中，由于實驗教學是物理教學的主要內容，因此要積極引入數字信息化實驗系統，提高其應用效率，促進高中物理實驗教學的良性發展。

[1]顧培琳.DIS實驗在高中物理教學中的優化應用及有效性研究[D].上海:上海師范大學,2012.

[2]丁瑩.基于數字化信息系統（DIS）的高中物理實驗教學研究[D].南京:南京師范大學,2012.

[3]徐蓓蓓.物理DIS實驗與探究式教學的整合和案例研究[D].上海:華東師范大學,2010.

[4]陳燕.應用數字化實驗平臺優化高中物理教學的實踐研究[D].江蘇:蘇州大學,2010.

[5]朱遠稼.中美物理DIS實驗系統比較研究[D].武漢:華中師范大學,2013.

G633.7

B

1671-489X(2016)01-0141-02

作者：裴應紅、馮振軍，壽光市壽光一中物理教研室（262700）。